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      【云晟鋰電】講解影響鋰電池PACK放電容量因素

      目錄:電池專題發布時間:2021-05-05 17:22:46點擊率:

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      鋰離子電池具有容量大、比能量高、循環壽命好、無記憶效應等優點,發展迅速,容量作為其最關鍵的性能指標也備受研究人員關注。相應地鋰電池PACK正不斷向大容量、快速充電、長壽命和高安全性方向發展,對其制造過程中的工藝技術也提出了新的要求。



      鋰離子電池PACK主要是將電芯經篩選、配組、組包和裝配后進行電性能測試,確定出容量、壓差是否合格的產品。


      電池串并聯單體之間的一致性是在電池PACK中需要特別考慮的,只有具備良好的容量、荷電狀態、內阻、自放電一致性等才能實現電池組容量的發揮和釋放,若一致性不良會嚴重影響電池組整體性能,甚至會引發過充電或過放電以致造成安全隱患。而良好的配組方案是提高單體一致性的有效途徑。


      鋰離子電池受環境溫度的影響制約,溫度過高或過低都會對電池容量產生影響。電池長時間在高溫條件下工作其循環壽命可能受影響,溫度過低則容量難以發揮。


      放電倍率體現出電池的大電流充放電能力,倍率過小,充放電速度慢,影響測試效率;倍率過大,由于電池的極化效應和熱效應等,容量會有所降低,因此需要選擇合適的充放電倍率。


      一、配組一致性


      良好的配組既可以提高電芯利用率,又可以控制好單體一致性,是實現電池組放電獲得良好放電容量及循環穩定性的基礎。而配組不佳電池單體容量交流阻抗的離散程度會加劇,繼而削弱電池組循環性能及可用容量。


      徐萌飛提出了一種根據電池的特征向量來進行電池配組的方法。該特征向量反映單體電池的充放電電壓數據與標準電池的充放電數據的相似性程度。電池的充放電曲線越接近標準曲線,其相似程度也就越高,相關系數越接近于1。這種配組方法以單體電壓的相關系數為主,再結合其他參數來進行配組,能得到比較好的配組效果。這種方法的難點在于需要提供標準的電池特征向量。由于生產水平的限制,每批生產的電池之間肯定存在差異,想要得到一組各批電池均適合的特征向量非常困難。


      張劍鋒等采用定量分析法分析了單體電池之間的差異評價方法。首先采用數學方法對影響電池性能的關鍵點進行提取,然后進行數學抽象,實現電池性能的綜合評價和比較,將對電池性能的定性分析轉化成定量分析,為電池組的綜合性能最佳配組提出了一種可以實際操作的簡單方法。提出了基于電池篩選配組的綜合性能評價體系,將主觀的德爾菲打分和客觀的灰色關聯度測算結合起來,建立了電池的多參數灰色關聯模型,克服了以單一指標作為評價標準的片面性,實現了對功率型動力電池的性能評價,評價結果得到的關聯度為電池后期的篩選配組提供了可靠的理論依據。


      動態特性配組法主要是根據電池的充放電曲線來實現配組功能,其具體實現步驟是首先提取曲線上的特征點,形成一條特征向量,根據每條曲線之間特征向量之間的距離為配組指標,通過選取合適的算法來實現曲線的分類,進而完成電池的配組過程。這種配組方法對電池在工作時的性能變化考慮周全。在此基礎上再選擇其他合適的參數來進行電池配組,能分選出性能較為一致的電池。


      二、充電方式


      合適的充電制度對于電池放電容量有重要影響。充電深度淺,則放電容量會相應減少,若過充則會影響電池的化學活性物質造成不可逆的傷害,降低電池的容量和壽命。因此需要選擇合適的充電倍率、上限電壓和恒壓截止電流,以保證在實現充電容量的情況下,兼顧優化充電效率和安全穩定性。


      目前動力鋰離子電池多采用恒流-恒壓充電模式。劉炎金等通過分析磷酸鐵鋰體系和三元體系電池在不同充電電流及不同截止電壓下的恒流恒壓充電結果,可知:(1)充電截止電壓一定時,充電電流增大、恒流比減小,充電時間縮短,但能耗增加;(2)充電電流一定時,隨著充電截止電壓的降低,恒流充入比減小,充入容量和能量都在降低,為保證電池容量,磷酸鐵鋰電池的充電截止電壓不能低于3.4V。需要平衡充電時間和能量損耗,選擇合適的充電電流和截止時間。


      各單體SOC一致性很大程度上決定了電池組放電能力,而均衡充電為實現各單體放電初始SOC平臺相近提供了可能,可以提高放電容量和放電效率(放電容量/配組容量)。充電中的均衡方式是指動力電池在充電過程中的均衡,一般是在電池組單體電壓達到或高于設定的電壓時開始均衡,通過減小充電電流防止過充電。


      祁華銘根據電池組中單體電池的不同狀態,通過電池組均衡充電控制電路模型、均衡電路微調單體電池的充電電流,提出了一種既能夠實現電池組快速充電,又能夠消除單體電池不一致對電池組循環壽命影響的均衡充電控制策略。具體是通過開關信號,將鋰離子電池組整體能量對單體電池進行補充,或者將單體電池能量向整體電池組進行能量轉換。在電池組充電過程中,通過檢測各個單體電池的電壓值,當單體電池電壓達到一定值時,均衡模塊開始工作。把單體電池中的充電電流進行分流從而降低充電電壓,分出的電流經模塊轉換將能量反饋回充電總線,達到均衡的目的。


      張志提出了一種變倍率充電均衡解決方案,該方案的均衡思想是只對能量低的單體電池進行附加能量補給,避免了將能量多的單體電池能量取出的過程,這就大大簡化了均衡電路的拓撲結構。即采用不同的充電倍率對不同能量狀態的單體電池進行充電,從而達到良好的平衡效果。


      三、放電倍率


      放電倍率對于功率型動力電池而言是一個至關重要的指標。電池的大倍率放電,對正、負極材料和電解液等都是一個考驗。對正極材料磷酸鐵鋰而言,其結構穩定,充放電過程應變小,具備大電流放電的基本條件,但不利因素是磷酸鐵鋰的導電能力較差。電解質內的鋰離子擴散速度是影響電池放電倍率的主要因素,而電池內部離子的擴散又與電池的結構、電解質濃度密切相關。


      因此不同的放電倍率導致電池的放電的時間、放電電壓平臺不同,進而導致放電容量的不同,這對于并聯電池組來說尤為明顯。因此需要選擇合適的放電倍率。放電容量與放電倍率(電流)的關系可以用 Peukert 方程描 述:

      式中:I為放電電流;n為Peukert常數,與電池的結構相關,其值在1.15~1.42;K為常數,是與蓄電池中活性物質的量有關的常數。


      電池的可用容量隨放電電流的增大而減小。


      姜翠娜等研究了放電倍率對磷酸鐵鋰電池單體可放出 容量的影響,將一組同一型號初始一致性較好的單體電池均 以1C電流充電至3.8V,然后分別以0.1、0.2、0.5、1、2、3C的放電倍率放電至2.5V,記錄電壓與放出電量之間的關系曲線,如圖1所示。實驗結果表明,1 、2C放出的容量分別是 C/3放出容量的97.8%和96.5%,放出的能量分別是C/3 放出的能量的97.2%和94.3%,由此可見隨著放電電流的增大,鋰離子電池放出的容量和放出的能量有明顯減少。

      圖 1 不同放電倍率的電壓-放電容量曲線


      鋰離子電池在放電時,一般選用國家標準1C ,最大放電 電流通常限制在2~3C 。在大電流進行放電時,會產生較大的溫升并導致能量的損耗。因此需實時監控電池組的溫度,防止溫度過高對電池造成損壞、減少電池的使用壽命。


      四、溫度條件


      溫度主要影響電池內部極片物質的活性和電解質性能。溫度過高和過低對電池的容量都有較大的影響。


      低溫時電池的活性明顯降低,鋰的嵌入和脫出的能力下降,電池內阻、極化電壓增加,實際可用容量減少,電池放電能力下降,放電平臺低、電池更加容易達到放電截止電壓,表現為電池可用容量減小,電池能量利用效率下降。


      溫度升高時,在正負極之間的鋰離子脫出和嵌入變得活躍,從而電池內阻減小,內阻穩定時間變長,使得外電路中電子迀移量增多,容量得到更加有效的發揮。但是電池長時間在高溫環境下工作,正極晶格結構的穩 定性會變差,電池的安全性會降低,電池的壽命會明顯縮短。


      李哲等研究了溫度對電池實際可放出容量的影響,記錄了不同溫度下電池實際放出電量與標準可放出容量 (25℃時1C放電) 的比值。將電池的容量變化與溫度進行擬合,得到:

      式中:C為電池容量;T為溫度;R2為該擬合的相關系數。實驗表明,低溫下電池容量衰減極快,而在常溫左右容量隨著溫度升高而增長。-40℃時電池的容量僅為標稱值的1/3,而在0℃到60℃ ,電池容量從標稱容量的80%升至100%。


      分析認為,低溫下歐姆內阻的變化率大于高溫下的變化率,這表明低溫對電池的活性影響較為明顯,從而影響電池的可放出電量。隨著溫度上升,充電和放電過程的歐姆內阻、極化內阻均下降。不過在較高溫度時會破壞電池內的化學反應平衡和材料的穩定性,導致可能產生副反應,從而對電池容量和內阻產生影響,導致循環壽命縮短甚至降低安全性。


      因此,高溫和低溫都會影響磷酸鐵鋰電池的性能和使用壽命,實際工作過程中應通過增加電池熱管理等方法保證電池工作在適宜的溫度條件下。在電池組PACK測試環節可以建立25℃的恒溫檢測室。


      五、總結


      本文結合鋰離子電池PACK實際情況,對影響放電容量的因素進行了分析與討論。良好的電池組配組一致性是實現電池組放電性能和水平的前提,可以參考使用動態特性配組法。充電方式推薦使用均衡充電方式保證放電前各單體SOC平臺相近。需要選擇合適的放電倍率大小,兼顧好容量和測試效率。環境對電池測試有較大影響,需做好溫度條件的控制。


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