干貨來了!電池組壽命提升五倍以上,均衡為什么這么牛?

干貨來了!電池組壽命提升五倍以上,均衡為什么這么牛?

鋰離子電池使用中為了滿足能量和電壓的需求,需要將數百只甚至是數千只單體電池通過串聯和并聯的方式組合為電池組,理論上這些單體電池應該具有完全相同的特性,但是實際上由于制造和生產過程相關工藝參數的波動,即便是同一批次的鋰離子電池在性能上仍然存在一定的差異(例如容量、內阻和衰降速度等),雖然在在成組之前我們會進行篩選和匹配,仍然無法保證百分百的一致,因此成組后,在使用過程中這些差異就會隨著循環次數的增加而不斷積累,導致單體電池之間的性能差異不斷擴大,同時由于電池組龐大的電池數量,在使用過程中電池組內部必然存在一定的溫度梯度,溫度梯度的存在也會導致電池內阻的不一致性和電流分布的不一致性,從而導致單體電池衰降速度的不一致,這些因素都會導致電池組的循環性能要遠遠低于單體電池的循環壽命,例如北京公交示范線上運行的公交車,在沒有均衡器保護的情況下,盡管單體電池壽命可達1000次以上,但是在組成電池組后僅僅經過150次循環就出現了嚴重的容量衰減,抽檢發現部分單體電池的容量已經低于額定容量的80%以下【1】,這主要是因為單體電池在庫倫效率、衰降速度和內阻增加方面的微小差異在循環中持續積累,*終導致了部分單體電池衰降速度過快。

單體鋰離子電池之間的不一致性主要包含溫度、電壓、SoC、容量和內阻等指標,如果我們將時間因素也考慮在內,鋰離子電池的不一致性還應該包含自放電、庫倫效率、容量衰降速度等,上海理工大學的Long Zhou等【2】將這些不一致因素分為三類:第*類為初始因素,例如電池的容量、內阻等,他們決定了鋰離子電池的基本能力;2)第二是現在因素,例如容量、電壓、SoC等,這些指標決定了鋰離子電池目前的能力;3)第三是時間積累因素,例如容量衰降速度、內阻增加速度和充放電庫倫效率,這些因素決定了鋰離子電池未來的能力。鋰離子電池一旦成組后,電池組的“初始狀態”和“現在狀態”就已經確定,我們需要解決就是“時間積累因素”對電池組性能造成的影響。

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“時間積累因素”對鋰離子電池組性能的影響主要是通過反復循環中的積累體現,我們以“容量衰降速度”為例,如果兩個串聯在一起的兩只電池A和B,假設其中A電池的每次循環中的平均可逆容量衰降速度為0.005%,而B電池為0.008%,這兩只電池容量衰降速度的不一致會在循環中持續積累,循環500次后,A電池容量衰降為2.5%,而B電池則達到了4%,如果在沒有均衡保護的條件下,B電池由于可逆容量衰降速度較快,因此在充電的時候當A電池充滿電后,B電池實際上已經發生了**的過充,造成B電池容量加速衰降,甚至引發B電池的熱失控。實際上鋰離子電池在循環初期衰減速度明顯高于后期,因此A和B之間的容量衰降速度差別還可能更大,同時在B電池發生過充和過放后,其容量衰降速度還會進一步加速,因此一個鋰離子電池組在沒有均衡保護下情況下性能衰降速度要遠遠快于單體鋰離子電池。

鋰離子電池的均衡策略主要可以分為兩類:1)耗散型均衡;2)非耗散型均衡。兩者的主要區別在于均衡過程中電池的能量的去處,其中耗散型均衡通過直接對所有電池放電到某個固定電壓值,從而恢復單體電池之間的平衡,優點是結構簡單,但是能源浪費較多,同時存在產熱的問題。非耗散型均衡通過將電壓較高的單體電池的電量轉移到電壓較低的電池之中,實現單體電池之間的均衡,優點是能源浪費少,缺點是結構較為復雜,成本較高。

電壓是鋰離子電池在均衡中*為常用的參數【3】,通過測量電池組內不同單體電池的電壓,一旦單體電池的之間的電壓差值達到某個標準,均衡器就開始工作,對單體電池進行均衡,均衡器的使用**減少了循環中單體電池之間的偏差,提升了電池組的循環性能。

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作為國內新能源后市場領域的領*企業,杭州固恒能源科技有限公司很早在動力電池組的均衡維護設備上進行研發和產品布局,目前已經推出的PBM系列為便攜式動力電池維保設備,該系列產品為滿足電池箱、電池模組及單體電池維護檢修的需求而提出,并可擴展設備間的互聯互通及后臺數據上傳;該系列由PBM-P、PBM-M和PBM-MM3個子系列組成。

PBM-P系列便攜式電池組均衡維護儀是針對解決動力鋰電池串聯成組后,因各單體電池的不均衡度擴大而導致電池組循環壽命縮短的問題而開發;是動力電池檢測、維護的專業選擇。該系列有3個子系列組成:

PBM-PC系列:便攜式電池組并充維護儀

PBM-PD系列:便攜式電池組并放維護儀

PBM-PW系列:便攜式電池組均衡維護儀,支持并充、并放和均衡3種維護模式。

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PBM-M系列便攜式電池組充放儀是為滿足售后領域對不同電壓平臺及容量的電池組串聯充放的需求而開發;該系列具有有3個子系列組成:

PBM-MC系列:便攜式電池組充電儀

PBM-MD系列:便攜式電池組放電儀

PBM-MW系列:便攜式電池組充放電儀

PBM-MM系列便攜式電池組綜合性能維護儀是一款小型的綜合性測試設備,其滿足動力電池模組和小型電池包的全性能測試、維修、維護、快速放電、分容等需求。是PBM-MW和PBM-PW的結合體,具有電池組的串聯充放電及單串電池的均衡維護的基本功能。

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針對新能源汽車4S店或者維修服務站的需求固恒能源科技公司推出了BRTS-100系列設備,能夠根據主機廠或者核*配件廠指定的維護保養流程對動力系統進行相應的檢測、修復和保養工作,并自動輸出檢測結果報表,方便主機廠和***配件廠對自身產品和售后服務進行溯源跟*。

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電動汽車復雜的電氣系統,以及電池模塊高電壓(多數都在400V以上,部分產品的電壓甚至達到800V以上)特性對4S店維修和養護人員的素質和業務水平提出了非常高的要求,普通燃油車4S店轉型為新能源汽車4S店需要對從業人員進行大量的培訓,不進成本高昂,還要付出大量的時間成本,杭州固恒能源科技有限公司推出的動力電池維護設備極大的簡化了動力電池包的維護和保養程序,提升新能源汽車的維護保養水平,隨著新能源汽車的推廣與普及,市場需求將成指數式增長。

本文主要參考以下文獻,文章僅用于對相關科學作品的介紹和評論,以及課堂教學和科學研究,不得作為商業用途。如有任何版權問題,請隨時與我們聯系。

1. 《不一致性對動力電池組使用壽命影響的分析》, 北京理工大學學報, 2006年7月,第26卷,王震坡,孫逢春,林程

2. A study on parameter variation effects on battery packs for electric vehicles, Journal of Power Sources 364 (2017) 242-252, Long Zhou, Yuejiu Zheng, Minggao Ouyang, Languang Lu

3. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles, Journal of Power Sources 226 (2013) 272-288, Languang Lu, Xuebing Han, Jianqiu Li, Jianfeng Hua, Minggao Ouyang


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