動力鋰電池,已經穩穩占據了電動汽車電源江湖老大的地位。使用壽命長,能量密度高,還極具改進潛力。安全性可以改,能量密度可以繼續上升。在可預見的時間里(傳說大約2020年左右)就可以趕上燃油車的續航能力和性價比,步入電動汽車的第一個成熟階段。然而鋰電池也有鋰電池的煩惱。

1.為什么鋰電池多數都是小個子

我們看到的鋰電池,圓柱電池,軟包電池、方形電池,一般都長相清秀,完全找不到傳統鉛酸電池那樣的大塊頭,這是為什么?

能量密度高,鋰電池往往不敢設計成大容量。鉛酸電池的能量密度在40Wh/kg左右,而鋰電池,已經超過150Wh/kg。能量集中度提高,對安全性的要求水漲船高。

首先,單只能量過高的鋰電池,遇到意外,引發熱失控,電池內部急劇反應,短時間內,過多的能量無處釋放,是非常危險的。尤其在安全技術,管控能力發展還不夠充分的時候,每只電池的容量都應該克制。

其次,被鋰電池殼體包裹起來的能量,一旦出現意外,消防員、滅火劑無法觸及、無能為力,只能在發生事故時隔離現場,任事故電池自行反應,能量燃盡為止。

當然,出于安全考慮,當前的鋰電池已經設計了多重安全手段。拿圓柱電池為例。

安全閥,當電池內部反應超出正常范圍,溫度上升,并且伴隨生成副反應氣體,壓力達到設計值,安全閥自動開啟,泄掉壓力。安全閥打開的一刻,電池完全失效。

熱敏電阻,有的電芯配置熱敏電阻,一旦出現過流,電阻在達到某一個溫度以后,阻值陡增,所在回路電流下降,阻止溫度的進一步升高。

熔斷器,電芯配備具有過流熔斷功能的熔絲,一旦出現過流風險,電路斷開,避免惡性事故的發生。

2.鋰電池一致性問題

鋰電池不能做成一大只,只好把眾多小電芯組織起來,大家勁往一處使,精誠合作,也能帶著電動汽車飛起。這時候,就需要面對一個問題,一致性。

為什么要一致

我們日常的經驗是,兩節干電池,正負極連接起來,手電筒就能發光,有誰管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規模應用,情形卻并非如此簡單。

鋰電池參數的不一致主要是指容量、內阻、開路電壓的不一致。不一致的電芯串并在一起使用,會出現如下問題。

1)容量損失,電芯單體組成電池組,容量符合“木桶原理”,最差的那顆電芯的容量決定整個電池組的能力。

為了防止電池過充過放,電池管理系統的邏輯如此設置:放電時,當最低的單體電壓達到放電截止電壓時,整個電池組停止放電;充電時,當最高單體電壓觸及充電截止電壓時,停止充電。

拿兩只電池串聯舉例。一只電池容量C,另外一只容量只有0.9C。串聯關系,兩只電池通過同樣大小的電流。

充電時,容量小的電池必然先充滿,達到充電截止條件,系統不再繼續充電。放電時,容量小的電池也必然先放光全部可用能量,系統即刻停止放電。

這樣,容量小的電芯始終在滿充滿放,容量大的電芯卻一直使用部分容量。整個電池組的容量總有一部分處于閑置狀態

2)壽命損失,類似的,電池組的壽命,由壽命最短的那顆電芯決定。很大可能性,壽命最短的電芯,就是那顆容量小的電芯。小容量電芯,每次都是滿充滿放,出力過猛,很大可能最先到達壽命的重點。一直電芯壽命終結,一組焊接在一起的電芯,也就跟著壽終正寢。

3)內阻增大,不同的內阻,流過相同的電流,內阻大的電芯發熱量相對比較多。電池溫度過高,造成劣化速度加快,內阻又會進一步升高。內阻和溫升,形成一對負反饋,使高內阻電芯加速劣化。

上面三個參數,并不完全獨立,老化程度深的電芯內阻比較大,容量衰減也更多。分開說明,只是想表述清楚它們各自的影響方向。

3.如何應對不一致性

電芯性能的不一致,都是在生產過程中形成,在使用過程中加深。同一個電池組內的電芯,弱者恒弱,且加速變弱。單體電芯之間參數的離散程度,隨著老化程度的加深而加大。

當前,工程師應對單體電芯不一致,主要從三個方面考慮。單體電池分選,成組后熱管理,出現少量不一致時電池管理系統提供均衡功能。

1)分選

不同批次的電芯,理論上不放在一起使用。即使相同批次的電芯,也需要經過篩選,把參數相對集中的電芯放在一個電池組里,同一個電池包里。

分選的目的,是把參數相近的電芯挑選出來。分選方法,被研究了很多年,主要分靜態分選和動態分選兩大類。

靜態分選,針對電芯的開路電壓,內阻,容量等特性參數進行篩選,選取目標參數,引入統計算法,設定篩選標準,最后將同一批次的電芯區分成若干組。

動態篩選,是針對電芯在充放電過程中表現出來的特性進行篩選,有的選擇恒流恒壓充電過程,有的選取脈沖沖擊充放電過程,有的對比自身的充電和放電曲線之間的關系。

動靜結合分選,用靜態篩選做初步分組,在此基礎上進行動態篩選,這樣劃分出來的組別更多,篩選準確性更高,但成本也會相應上升。

這里就小小體現了一把動力鋰電池生產規模的重要性。大規模出貨,使得廠家可以進行更精細的分選,得到性能更接近的電池組。如果產量太小,分組過多,一個批次都無法裝備一個電池包,再好的方法也無法施展了。

2)熱管理

針對內阻不一致電芯,產生熱量不相同問題。熱管理系統的加入,可以調節整個電池組的溫差,使之保持在一個較小的范圍里。生成熱量較多的電芯,依然溫升偏高,但不會與其他電芯拉開差距,劣化水平就不會出現明顯的差距。

3)均衡

電芯單體的不一致,某些電芯端電壓,總是超前于其他電芯,最先到達控制閾值,導致整個系統容量變小。為了解決這個問題,電池管理系統BMS設計了均衡功能。

某一顆電芯率先到達充電截止電壓,而其余眾電芯電壓明顯滯后,BMS起動充電均衡功能,或者接入電阻,放掉高電壓電芯的部分電量,或者把能量轉移走,放到低電壓電芯上去。這樣,充電截止條件被解除,充電過程重新開始,電池包充入更多電量。

直到現在,電芯的不一致性,仍然是行業內研究的重要領域。電芯能量密度再高,遇到不一致性來攪局,電池包能力也會大打折扣。