锂离子电池具有容量大、比能量高、循环寿命好、无记忆效应等优点,发展迅速,容量作为其最关键的性能指标也备受研究人员关注。相应地锂电池PACK正不断向大容量、快速充电、长寿命和高安全性方向发展,对其制造过程中的工艺技术也提出了新的要求。
锂离子电池PACK主要是将电芯经筛选、配组、组包和装配后进行电性能测试,确定出容量、压差是否合格的产品。
电池串并联单体之间的一致性是在电池PACK中需要特别考虑的,只有具备良好的容量、荷电状态、内阻、自放电一致性等才能实现电池组容量的发挥和释放,若一致性不良会严重影响电池组整体性能,甚至会引发过充电或过放电以致造成安全隐患。而良好的配组方案是提高单体一致性的有效途径。
锂离子电池受环境温度的影响制约,温度过高或过低都会对电池容量产生影响。电池长时间在高温条件下工作其循环寿命可能受影响,温度过低则容量难以发挥。
放电倍率体现出电池的大电流充放电能力,倍率过小,充放电速度慢,影响测试效率;倍率过大,由于电池的极化效应和热效应等,容量会有所降低,因此需要选择合适的充放电倍率。
一、配组一致性
徐萌飞提出了一种根据电池的特征向量来进行电池配组的方法。该特征向量反映单体电池的充放电电压数据与标准电池的充放电数据的相似性程度。电池的充放电曲线越接近标准曲线,其相似程度也就越高,相关系数越接近于1。这种配组方法以单体电压的相关系数为主,再结合其他参数来进行配组,能得到比较好的配组效果。这种方法的难点在于需要提供标准的电池特征向量。由于生产水平的限制,每批生产的电池之间肯定存在差异,想要得到一组各批电池均适合的特征向量非常困难。
张剑锋等采用定量分析法分析了单体电池之间的差异评价方法。首先采用数学方法对影响电池性能的关键点进行提取,然后进行数学抽象,实现电池性能的综合评价和比较,将对电池性能的定性分析转化成定量分析,为电池组的综合性能最佳配组提出了一种可以实际操作的简单方法。提出了基于电池筛选配组的综合性能评价体系,将主观的德尔菲打分和客观的灰色关联度测算结合起来,建立了电池的多参数灰色关联模型,克服了以单一指标作为评价标准的片面性,实现了对功率型动力电池的性能评价,评价结果得到的关联度为电池后期的筛选配组提供了可靠的理论依据。
动态特性配组法主要是根据电池的充放电曲线来实现配组功能,其具体实现步骤是首先提取曲线上的特征点,形成一条特征向量,根据每条曲线之间特征向量之间的距离为配组指标,通过选取合适的算法来实现曲线的分类,进而完成电池的配组过程。这种配组方法对电池在工作时的性能变化考虑周全。在此基础上再选择其他合适的参数来进行电池配组,能分选出性能较为一致的电池。
二、充电方式
目前动力锂离子电池多采用恒流-恒压充电模式。刘炎金等通过分析磷酸铁锂体系和三元体系电池在不同充电电流及不同截止电压下的恒流恒压充电结果,可知:(1)充电截止电压一定时,充电电流增大、恒流比减小,充电时间缩短,但能耗增加;(2)充电电流一定时,随着充电截止电压的降低,恒流充入比减小,充入容量和能量都在降低,为保证电池容量,磷酸铁锂电池的充电截止电压不能低于3.4V。需要平衡充电时间和能量损耗,选择合适的充电电流和截止时间。
各单体SOC一致性很大程度上决定了电池组放电能力,而均衡充电为实现各单体放电初始SOC平台相近提供了可能,可以提高放电容量和放电效率(放电容量/配组容量)。充电中的均衡方式是指动力电池在充电过程中的均衡,一般是在电池组单体电压达到或高于设定的电压时开始均衡,通过减小充电电流防止过充电。
祁华铭根据电池组中单体电池的不同状态,通过电池组均衡充电控制电路模型、均衡电路微调单体电池的充电电流,提出了一种既能够实现电池组快速充电,又能够消除单体电池不一致对电池组循环寿命影响的均衡充电控制策略。具体是通过开关信号,将锂离子电池组整体能量对单体电池进行补充,或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。在电池组充电过程中,通过检测各个单体电池的电压值,当单体电池电压达到一定值时,均衡模块开始工作。把单体电池中的充电电流进行分流从而降低充电电压,分出的电流经模块转换将能量反馈回充电总线,达到均衡的目的。
张志提出了一种变倍率充电均衡解决方案,该方案的均衡思想是只对能量低的单体电池进行附加能量补给,避免了将能量多的单体电池能量取出的过程,这就大大简化了均衡电路的拓扑结构。即采用不同的充电倍率对不同能量状态的单体电池进行充电,从而达到良好的平衡效果。
三、放电倍率