鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1697次 | 2021年04月13日
有關(guān)鋰離子電池一致性和分選方法的詳解
1一致性含義
鋰離子電池的一致性，眼前看，是指一組鋰離子電池重要特點(diǎn)參數(shù)的趨同性，是一個(gè)相對(duì)概念，沒有最一致，只有更一致。同一個(gè)電池包內(nèi)的多串電芯，每一個(gè)參數(shù)，最好全部處在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，是為一致性好。
加入時(shí)間維度，一致性是指電池包內(nèi)全部電芯全生命周期內(nèi)全部特性參數(shù)的一致性，新增考慮容量衰減的不一致，內(nèi)阻上升的不一致，老化速率的不一致。整個(gè)電池包的壽命，是我們關(guān)注一致性的最終著眼點(diǎn)。
有學(xué)者依據(jù)時(shí)間的推移，把參數(shù)之間的相互用途放在一張圖上，如下圖所示。時(shí)間為橫軸，參數(shù)為縱軸，幾個(gè)參數(shù)跟隨時(shí)間變化放到一個(gè)表里，交織成一張網(wǎng)，作為我們思考一致性的出發(fā)點(diǎn)。
追求一致性的目，除了在當(dāng)前狀態(tài)下，發(fā)揮出電池包的最大能力（包括最大功率，最大電流，最大可用容量），還想要這樣的能力維持盡量長(zhǎng)的時(shí)間。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2一致性的評(píng)價(jià)范圍
個(gè)人理解，一致性是一輛電動(dòng)汽車上，作為動(dòng)力的全部電芯的一致性，無論串聯(lián)關(guān)系還是并聯(lián)關(guān)系。下面內(nèi)容沒有做全面討論，只是舉例說明。
2.1并聯(lián)情況
直接舉例。放電能力低的電芯（代號(hào)B）與其他正常電芯并聯(lián)，成為一個(gè)并聯(lián)模組D，比如這是一個(gè)10只電池并聯(lián)的模組。系統(tǒng)放電，每個(gè)并聯(lián)模組都要供應(yīng)相同的電流，比如100A。其他正常的并聯(lián)模組，每只電池放電10A；B最大只能放出1A電流，則其他9只電池，每只要放出11A。一般情況下，長(zhǎng)期超負(fù)荷，相比其他并聯(lián)模組，這些電芯的老化速率更快。某一天，這個(gè)并聯(lián)模組整體的最大放電能力無法達(dá)到設(shè)計(jì)最大能力。這個(gè)并聯(lián)電池組，成了整個(gè)電池包放電能力的瓶頸。
2.2串聯(lián)情況
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
按照電動(dòng)汽車上的一般情形，串聯(lián)關(guān)系重要在模組與模組之間。接續(xù)前面并聯(lián)情況的劇情，整個(gè)電池包內(nèi)出現(xiàn)了一個(gè)老化程度比其他電池組都深的電池組D，D的容量小，而內(nèi)阻大。反應(yīng)到SOC與開路電壓的曲線上，同一SOC對(duì)應(yīng)的開路電壓，D端電壓偏高。整個(gè)電池包充電，D最先到達(dá)充電截止電壓，電池包停止充電。其他模組還沒有吃飽，他已經(jīng)要撐破肚皮，因?yàn)樗狭耍橇孔冃×恕?/p>
因此，單體一致性，不是某一個(gè)焊接在一起的模組內(nèi)部的事，而是對(duì)同一輛車上所有動(dòng)力鋰電池的要求。
3不一致性的表鋰離子電池，
電壓不一致，在化成后，經(jīng)歷同樣的充放電過程，靜置足夠時(shí)間，在同樣的環(huán)境溫度下，待評(píng)價(jià)電芯充電到相同SOC。測(cè)量其開路電壓，此時(shí)體現(xiàn)出來的電壓差距，就是單體電芯的電壓不一致性。有研究顯示，單體電芯的開路電壓，符合正態(tài)分布。就是說，我們所有提高一致性的努力，只能改變參數(shù)的集中度。
內(nèi)阻不一致，電芯內(nèi)阻是電芯功率特性的重要表征，也是電芯成組后，電芯性能參數(shù)進(jìn)一步離散化的原因之一。內(nèi)阻不一致可以造成溫升不一致，是引發(fā)其他參數(shù)進(jìn)一步離散化的一類原因。
內(nèi)阻，同樣是模組成組后的檢測(cè)指標(biāo)。從電芯單體組裝成模組，要經(jīng)歷焊接或者機(jī)械結(jié)構(gòu)夾持等成組過程，成組工藝的一致性，反應(yīng)到成型后的模組上，就是模組的內(nèi)阻。
容量不一致，壽命不一致，按照目前的壽命衡量標(biāo)準(zhǔn)，可用容量和壽命緊密聯(lián)系在一起，這里一起說明。
容量一般都會(huì)作為電芯分組的初選內(nèi)容，是電芯不一致最重要的參數(shù)表現(xiàn)。造成容量不一致的原因很多，并且多數(shù)都是制造過程的不一致的結(jié)果。
除了達(dá)到容量、內(nèi)阻等壽命指標(biāo)以外，壽命不一致的另外一層含義是，電池失效時(shí)間不一致。有研究表明，并不一定是容量最小的電芯或者工作條件最惡略的電芯最先達(dá)到壽命的終點(diǎn)。每顆電芯從出生開始，其抗衰老的能力已經(jīng)存在差異。
溫升不一致，每只電芯，除了直接影響發(fā)熱的內(nèi)阻因素外，其內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)制造過程中形成的不一致，對(duì)發(fā)熱量也會(huì)出現(xiàn)影響。每一只電芯在電池包中所處位置不同，造成其散熱條件的差異，最終也會(huì)導(dǎo)致電芯溫升不一致。
4一致性評(píng)價(jià)
研究人員使用各種統(tǒng)計(jì)方法來評(píng)價(jià)一致性的好壞。有的廠家用標(biāo)準(zhǔn)差，以標(biāo)準(zhǔn)差的大小來衡量一組電芯參數(shù)的集中度，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上是合理的。
有的廠家直接使用一組數(shù)據(jù)的極差，最大最小值的差值，雖然無法全面描述一組電池的全部參數(shù)分布情況，但關(guān)于當(dāng)前的電池管理系統(tǒng)BMS的控制邏輯來說，也是一種合理選擇。何況，使用極差是最為簡(jiǎn)潔的一種方法。
5分選方法
在既有的生產(chǎn)量力和工藝水平下，解決鋰離子電池一致性問題常見的有三條路，一是合理分選，把性能參數(shù)相近的電芯放在一個(gè)電池包里使用，盡力是電芯初始狀態(tài)一致；二是提高熱管理水平，為電池供應(yīng)更適宜且更均勻的工作環(huán)境溫度，防止初始的不一致進(jìn)一步惡化；三是提高電池管理系統(tǒng)全面監(jiān)控的能力和均衡能力，力求改善已經(jīng)發(fā)生的不一致情況。
本節(jié)把重點(diǎn)放在分選方法上。
廠里，一般電芯分選前后的流程如下圖所示：
分選方法，按照采樣電芯的狀態(tài)不同，可以分成靜態(tài)分選和動(dòng)態(tài)分選。
5.1靜態(tài)分選
傳統(tǒng)上，應(yīng)用較多的是靜態(tài)分選。靜態(tài)，是指電芯參數(shù)與工作狀態(tài)無關(guān)。通常，被用來做靜態(tài)分選的參數(shù)包括電池的容量，開路電壓和內(nèi)阻等。
有的方法是直接按照參數(shù)數(shù)值大小劃分區(qū)間，落在同一個(gè)區(qū)間內(nèi)的電芯即為一組；
有的在初步分組后，再在組內(nèi)以另一個(gè)參數(shù)為考察對(duì)象，繼續(xù)把電芯做更細(xì)化的分組。比如先按容量劃分成5個(gè)組以后，再按照內(nèi)阻，把每個(gè)組進(jìn)一步分成3組，最后，一個(gè)批次的電芯被劃分成15組。
有的在采集關(guān)注的參數(shù)樣本后，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)算法，使得參數(shù)相近的自然歸類為一組，應(yīng)用較多的是聚類法。
聚類法是一類統(tǒng)計(jì)分析算法的總稱，其主旨是將一個(gè)參數(shù)的樣本組，按照自然篩選出來的數(shù)據(jù)中心凝聚成若干組，實(shí)現(xiàn)分組的目的。聚類法其內(nèi)涵和它所包含的子算法非常多，有興趣可自行百度。這里只要理解，這是一種無須人工干預(yù)的自然分組方法即可。聚類分析，既可以用在靜態(tài)分選的樣本數(shù)據(jù)上，也可以用來分析動(dòng)態(tài)樣本。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，靜態(tài)分選都是鋰離子電池行業(yè)的重要分選方式。但靜態(tài)分選無法反應(yīng)電池工作過程中的參數(shù)特點(diǎn)。電化學(xué)反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，簡(jiǎn)單的用電池的幾個(gè)靜態(tài)參數(shù)，無法準(zhǔn)確概括電芯的未來特性。
5.2動(dòng)態(tài)分選
動(dòng)態(tài)分選，是基于電池充放電等工作過程中，電芯參數(shù)有所不同進(jìn)行分組的工作方法。
一類方法是把電芯恒流充放電作為研究過程。有的算法把電壓時(shí)間曲線作為分類對(duì)象，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)算法，把曲線特點(diǎn)劃分組別；有的關(guān)注過程中的電壓、容量、內(nèi)阻、放電平臺(tái)、電芯厚度等參數(shù)，并進(jìn)行分類；
另一類，是把恒流恒壓充電過程作為研究過程。有的把恒壓恒流曲線上的采樣點(diǎn)與均值點(diǎn)之間的歐式距離作為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行聚類分析，實(shí)現(xiàn)電芯分組；有的在前面方法的基礎(chǔ)上改善采樣規(guī)則，使得電流對(duì)時(shí)間的變化率較大的區(qū)域采樣點(diǎn)更密集，同時(shí)確保采樣不會(huì)低于一個(gè)最小步長(zhǎng)。
還有一類，考慮電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的脈沖電流情況，認(rèn)為電流的大小會(huì)極大的影響電芯的極化狀態(tài)。因而在前面恒流恒壓充電曲線的分組基礎(chǔ)上繼續(xù)細(xì)化分組，給電芯加載脈沖電流，把電芯端電壓作為分組依據(jù)。
5.3分選結(jié)果的驗(yàn)證方法
最理想的分選結(jié)果是，電池包內(nèi)全部電芯同時(shí)達(dá)到壽命終點(diǎn)。但實(shí)物的老化測(cè)試方法，成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，在文獻(xiàn)中很難見到此類驗(yàn)證過程。
應(yīng)有較多的分組驗(yàn)證方法是極差計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，也有利用實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)中大功率沖擊工況進(jìn)行的模型仿真驗(yàn)證。
參考
1圓柱型鋰離子動(dòng)力鋰電池分選工藝的優(yōu)化與應(yīng)用
2車用鋰離子動(dòng)力鋰電池組的一致性研究
3電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力鋰電池分選方法研究
4電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池分選方法研究
5汽車矩陣式動(dòng)力鋰電池配組的新技術(shù)_按伏安特性曲線分選電池的方法
6磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰電池動(dòng)態(tài)SOC狀態(tài)下的分選
8車用動(dòng)力鋰電池多內(nèi)熱源生熱模型和電熱不一致性研究
9鋰動(dòng)力鋰電池動(dòng)態(tài)一致性評(píng)價(jià)方法的研究
