聚合物鋰電池成組不一致怎么辦？這些優(yōu)化方法需了解！

　　你知道聚合物鋰電池成組不一致的優(yōu)化方法嗎？本文通過(guò)對電池成組不一致性成因分析，提出了部分改善一致性方法。電池成組不一致的原因主要是單體電池的初始差異和電池成組后的結構、使用工況及環(huán)境差異。為了緩解電池成組后帶來(lái)的性能下降和壽命縮減等問(wèn)題，可以?xún)?yōu)化電池的制造工藝，減少各單體電池的初始差異；在成組前篩選出一致性較小的電池成組。

一、聚合物鋰電池不一致性機理

1.單體電池之間差異

　　單體電池之間的差異主要包括單體電池初始差異和使用過(guò)程中產(chǎn)生的參數差異。電池設計、制造、存儲以及使用過(guò)程中存在多種不可控制的因素，會(huì )影響到電池的一致性。提高單體電池的一致性是提升電池組性能的先決條件。單體電池參數的相互影響，當前的參數狀態(tài)受初始狀態(tài)和時(shí)間累積作用的影響。

電池容量、電壓和自放電速率

　　電池容量不一致會(huì )使電池組各單體電池放電深度不一致。容量較小、性能較差的電池將提前達到滿(mǎn)充電狀態(tài)；造成容量大、性能好的電池不能達到滿(mǎn)充電狀態(tài)。電池電壓的不一致將導致并聯(lián)電池組中單體電池互充電，電壓較高的電池將給電壓較低的電池充電，這會(huì )加快電池性能的衰減，損耗整個(gè)電池組的能量。自放電速率大的電池容量損失大，電池自放電速率的不一致將導致電池荷電狀態(tài)、電壓產(chǎn)生差異，影響電池組的性能。

電池內阻

　　在串聯(lián)系統中，單體電池內阻差異將導致各個(gè)電池的充電電壓不一致，內阻大的電池提前達到電壓上限，此時(shí)其他電池可能未充滿(mǎn)電。內阻大的電池能量損耗大，產(chǎn)生的熱量高，溫度差異進(jìn)一步增大內阻差異，導致惡性循環(huán)。

　　而在并聯(lián)系統中，內阻差異將導致各個(gè)電池電流的不一致，電流大的電池電壓變化快，使各個(gè)單體電池的充放電深度不一致，造成系統的實(shí)際容量值難以達到設計值。電池工作電流不同，其性能在使用過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生差異，最終會(huì )影響整個(gè)電池組的壽命。

2.聚合物鋰電池充放電工況

　　充電方式影響聚合物鋰電池組的充電效率和充電狀態(tài)，過(guò)充過(guò)放都會(huì )損壞電池，多次充放電后電池組會(huì )顯露不一致性。目前，鋰離子電池充電方式有數種，但常見(jiàn)的有分段恒流充電方式和恒流恒壓充電方式。恒流充電是較為理想的方式，能夠進(jìn)行安全、有效的滿(mǎn)充；恒流恒壓充電有效結合了恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點(diǎn)，解決了一般恒流充電方式難以精準滿(mǎn)充的問(wèn)題，避免了恒壓充電方式在充電初期電流過(guò)大對電池造成的影響，操作簡(jiǎn)單方便。

3.聚合物鋰電池溫度

　　聚合物鋰電池在高溫和高放電倍率下的性能會(huì )有明顯衰減。這是因為鋰離子電池在高溫條件下和大電流使用時(shí)，會(huì )造成正極活性物質(zhì)和電解液的分解，這是放熱過(guò)程，短時(shí)間放出等熱量能導致電池自身溫度進(jìn)一步升高，溫度升高又加速了分解現象，形成惡性循環(huán)，加速分解使電池性能進(jìn)一步下降。所以，如果電池組熱管理不當，會(huì )帶來(lái)不可逆性能損降。

　　電池組設計和使用環(huán)境差異會(huì )造成單體電池所處溫度環(huán)境不一致。由阿倫尼烏斯（Arrhenius）定律可知，電池的電化學(xué)反應速度常數與度呈指數關(guān)系，不同溫度下電池電化學(xué)特性不同。溫度會(huì )對電池電化學(xué)系統的運行、庫侖效率、充放電能力、輸出功率、容量、可靠性以及循環(huán)壽命產(chǎn)生影響。目前，主要開(kāi)展的是溫度對電池組不一致性影響定量化研究。

4.聚合物鋰電池外電路

連接方式

　　在規模儲能系統中，電池將以串并聯(lián)的方式組合在一起，因此在電池和模塊之間會(huì )有許多連接電路和控制元件。由于每個(gè)結構件或元器件的性能和老化速度不同，以及每個(gè)連接點(diǎn)消耗的能量不一致，不同器件對電池的影響不一樣，造成電池組系統的不一致。并聯(lián)電路中電池衰減速度的不一致會(huì )加速系統的惡化。

　　連接片阻抗也會(huì )對電池組的不一致性產(chǎn)生影響，連接片阻值不盡相同，極柱到各單體電池支路的阻值不同，遠離極柱的電池因連接片較長(cháng)而阻值較大，電流則較小，連接片會(huì )使得與極柱相連的單體電池最先達到截止電壓，造成能量利用率降低，影響電池性能，而且該單體電池提前老化會(huì )導致與其相連的電池過(guò)充，造成安全隱患。

　　隨著(zhù)電池循環(huán)次數增多，將造成歐姆內阻增加，容量衰減，歐姆內阻與連接片阻值的比率將發(fā)生變化。為保證系統安全性，必須考慮連接片阻值的影響。

BMS輸入電路

　　電池管理系統(BMS)是電池組正常運行的保障，但BMS輸入電路會(huì )對電池的一致性產(chǎn)生不利影響。電池電壓的監測方法有精密電阻分壓、集成芯片采樣等，這些方法由于電阻與電路板通路的存在，無(wú)法避免采樣線(xiàn)外載漏電流，電池管理系統電壓采樣輸入阻抗將增加電池荷電狀態(tài)(SOC)的不一致性，影響電池組的性能。

5.SOC估算誤差

　　SOC不一致產(chǎn)生的原因有單體電池初始標稱(chēng)容量不一致和工作中單體電池標稱(chēng)容量衰減速度不一致。對于并聯(lián)電路，單體電池的內阻差異會(huì )造成電流分配不均，進(jìn)而導致SOC的不一致。SOC算法包括安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、模糊邏輯法、放電測試法等。

　　安時(shí)積分法在起始荷電狀態(tài)SOC0比較準確時(shí)有較好的精度，但是庫侖效率受電池荷電狀態(tài)、溫度和電流等狀態(tài)的影響較大，難以準確測量，因此安時(shí)積分法很難達到荷電狀態(tài)估計的精度要求。開(kāi)路電壓法在較長(cháng)時(shí)間靜置之后，電池的開(kāi)路電壓與 SOC 存在確定的函數關(guān)系，通過(guò)測量端電壓來(lái)獲得SOC的估計值。開(kāi)路電壓法具有估算精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是靜置時(shí)間長(cháng)的缺點(diǎn)也限制了其使用范圍。

二、聚合物鋰電池組不一致性?xún)?yōu)化方法

1.單體電池制造技術(shù)

聚合物鋰電池材料

　　正極材料有三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰等，負極材料有石墨、硅和鈦酸鋰等。同批次原材料對電池性能的一致性十分重要，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要對原材料的粒徑分布、比表面積和雜質(zhì)含量等參數進(jìn)行嚴格的控制，保證原材料的批次一致性。

聚合物鋰電池生產(chǎn)工藝

　　電池的生產(chǎn)工藝由多個(gè)工序組成，每個(gè)工序過(guò)程都可能會(huì )影響電池的一致性。生產(chǎn)單體性能要一致，必須對每一個(gè)工序進(jìn)行合理的設計和管控，使之平行重復。根據電池的性能要求設計電池生產(chǎn)工序，分析原材料、電極和電解液等參數對電池一致性的影響，從而合理控制各個(gè)工序參數的閾值。

2.分選制度

　　為降低初始狀態(tài)差異對電池組的不利影響，通常需要對單體電池進(jìn)行篩選，將狀態(tài)參數較為一致的電池組合在一起。電池成組方法主要有單參數配組法、多參數配組法和動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)配組法。動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)配組法通過(guò)比較同一倍率下不同電池間充放電曲線(xiàn)的差異，能夠很好地反映電池特性，分選效果理想。

3.電池組外電路

電池串并聯(lián)方式

　　電池組的連接方式影響著(zhù)電池一致性。目前有兩種較好的連接方式：先并聯(lián)兩個(gè)相同的電池為一個(gè)模塊，再將模塊串聯(lián)起來(lái)(PSB)；先串聯(lián)兩個(gè)不同的電池為一個(gè)模塊，再將模塊并聯(lián)起來(lái)(SPA)。

電池管理系統

　　為了提高聚合物鋰電池的性能和使用壽命需要對單體電池進(jìn)行管理和維護。電池管理系統是電池系統正常運行的重要保障，主要任務(wù)是保證電池組的性能，防止電池損壞，避免安全事故，使電池在適宜的區域內工作，延長(cháng)壽命。BMS由傳感器、執行器、控制器和信號線(xiàn)等部分組成，主要功能有：數據采集、狀態(tài)估計、充放電控制、均衡充電、熱量管理、安全管理和數據通信等。

　　雖然電池管理技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用，但還需要繼續完善，尤其是在SOC的估算和數據采集精確度、均衡電路、電池快充等方面。由于不同類(lèi)型的電池特性具有差異，適用于所有電池的BMS是目前的主要研究方向。

均衡控制

　　為了緩解甚至消除電池組中各單體電池間的不一致性，提高電池組的性能、壽命和安全性，通過(guò)均衡電路和均衡控制策略能夠有效地改善電池組的不一致性。

　　均衡電路拓撲結構：均衡電路拓撲結構的研究主要是對均衡電路結構進(jìn)行設計與改進(jìn)，提高均衡效率，降低成本。根據均衡電路在均衡過(guò)程中電路是否消耗能量可以分為能耗式均衡和非能耗式均衡。能耗式均衡電路采用耗能元件消耗電池組中電壓較高的電池電量，從而實(shí)現單體電池一致性，電路簡(jiǎn)單，均衡速度快，效率高，但會(huì )導致電池組能量利用率不高；非能耗式電路利用儲能元件和均衡外電路來(lái)實(shí)現電池間的能量轉移，能量利用效率高，非能耗式均衡有開(kāi)關(guān)電容式、變換器式和變壓器式。

　　均衡控制策略：均衡控制策略主要是確定均衡模塊的工作方式。目前，工作方式有最大值均衡法、平均值比較法和模糊控制法。均衡能力的提升是電池一致性研究的重要方向。均衡技術(shù)需進(jìn)一步提高，包括：

　?、賁OC 作為最理想的判斷標準，實(shí)時(shí)估測精度還需進(jìn)一步提高；②優(yōu)化均衡電路的拓撲結構，提升均衡速度，縮短均衡時(shí)間；③均衡控制策略還需要優(yōu)化，確定最佳的均衡參數，根據均衡電路尋找合適的均衡路徑來(lái)達到快速均衡的目的。

　　現階段均衡控制策略的研究大多聚焦于均衡硬件電路設計與實(shí)現。但均衡電路參數會(huì )影響均衡效果。另外，均衡啟動(dòng)時(shí)電池荷電狀態(tài)、均衡閾值、充放電電流、均衡電流與充放電電流比值以及充放電工況切換方式也會(huì )影響均衡效果。

4.充放電策略

　　科學(xué)、合理的充放電策略能夠提高聚合物鋰電池能量利用效率。目前綜合性能最好的充電方法是電池管理系統和充電機協(xié)調配合串聯(lián)充電，通過(guò)BMS對電池組的環(huán)境溫度、單體電池的電壓和電流、一致性和溫升等狀態(tài)監控，與充電機實(shí)現數據共享，實(shí)時(shí)改變輸出電流，能夠防止電池過(guò)充和優(yōu)化充電。這種充電方式是目前的主流，可一定程度消除聚合物鋰電池組充電時(shí)一致性差、充電效率低和無(wú)法滿(mǎn)充等問(wèn)題。

5.電池熱管理

　　聚合物鋰電池組中各單體電池的產(chǎn)熱量和散熱量在空間上分布不均，會(huì )造成電池自身、電池組部分區域及所處環(huán)境的溫度不一致，如不加以控制，電池組內部的溫差會(huì )持續擴大，進(jìn)而加快電池性能衰降。因此，需要對電池組進(jìn)行熱管理。

　　熱管理系統通常要求結構緊湊，質(zhì)量輕，易于包裝，可靠，成本低，易于維護。它的功能有：使電池在最適宜的溫度范圍內運行；減小電池間、模組內和模組間的溫度差。熱管理分主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。系統中使用導熱介質(zhì)可以分為三類(lèi)，分別是空氣、液體和相變材料。

　　目前，電池組熱管理研究有局限性，比如電池熱模型過(guò)于簡(jiǎn)化，電池單體常采用零維的生熱模型，電池各部分生熱率相同，缺少基于非均勻內熱源對不同熱管理系統的性能對比。對聚合物鋰電池低溫特性研究及低溫熱管理技術(shù)研究較少。

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