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干货来了!电池组寿命提升五倍以上,均衡为什么这么牛?

发布时间:2018-11-30

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锂离子电池使用中为了满足能量和电压的需求,需要将数百只甚至是数千只单体电池通过串联和并联的方式组合为电池组,理论上这些单体电池应该具有完全相同的特性,但是实际上由于制造和生产过程相关工艺参数的波动,即便是同一批次的锂离子电池在性能上仍然存在一定的差异(例如容量、内阻和衰降速度等),虽然在在成组之前我们会进行筛选和匹配,仍然无法保证百分百的一致,因此成组后,在使用过程中这些差异就会随着循环次数的增加而不断积累,导致单体电池之间的性能差异不断扩大,同时由于电池组庞大的电池数量,在使用过程中电池组内部必然存在一定的温度梯度,温度梯度的存在也会导致电池内阻的不一致性和电流分布的不一致性,从而导致单体电池衰降速度的不一致,这些因素都会导致电池组的循环性能要远远低于单体电池的循环寿命,例如北京公交示范线上运行的公交车,在没有均衡器保护的情况下,尽管单体电池寿命可达1000次以上,但是在组成电池组后仅仅经过150次循环就出现了严重的容量衰减,抽检发现部分单体电池的容量已经低于额定容量的80%以下【1】,这主要是因为单体电池在库伦效率、衰降速度和内阻增加方面的微小差异在循环中持续积累,*终导致了部分单体电池衰降速度过快。

单体锂离子电池之间的不一致性主要包含温度、电压、SoC、容量和内阻等指标,如果我们将时间因素也考虑在内,锂离子电池的不一致性还应该包含自放电、库伦效率、容量衰降速度等,上海理工大学的Long Zhou等【2】将这些不一致因素分为三类:第*类为初始因素,例如电池的容量、内阻等,他们决定了锂离子电池的基本能力;2)第二是现在因素,例如容量、电压、SoC等,这些指标决定了锂离子电池目前的能力;3)第三是时间积累因素,例如容量衰降速度、内阻增加速度和充放电库伦效率,这些因素决定了锂离子电池未来的能力。锂离子电池一旦成组后,电池组的“初始状态”和“现在状态”就已经确定,我们需要解决就是“时间积累因素”对电池组性能造成的影响。

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“时间积累因素”对锂离子电池组性能的影响主要是通过反复循环中的积累体现,我们以“容量衰降速度”为例,如果两个串联在一起的两只电池A和B,假设其中A电池的每次循环中的平均可逆容量衰降速度为0.005%,而B电池为0.008%,这两只电池容量衰降速度的不一致会在循环中持续积累,循环500次后,A电池容量衰降为2.5%,而B电池则达到了4%,如果在没有均衡保护的条件下,B电池由于可逆容量衰降速度较快,因此在充电的时候当A电池充满电后,B电池实际上已经发生了**的过充,造成B电池容量加速衰降,甚至引发B电池的热失控。实际上锂离子电池在循环初期衰减速度明显高于后期,因此A和B之间的容量衰降速度差别还可能更大,同时在B电池发生过充和过放后,其容量衰降速度还会进一步加速,因此一个锂离子电池组在没有均衡保护下情况下性能衰降速度要远远快于单体锂离子电池。

锂离子电池的均衡策略主要可以分为两类:1)耗散型均衡;2)非耗散型均衡。两者的主要区别在于均衡过程中电池的能量的去处,其中耗散型均衡通过直接对所有电池放电到某个固定电压值,从而恢复单体电池之间的平衡,优点是结构简单,但是能源浪费较多,同时存在产热的问题。非耗散型均衡通过将电压较高的单体电池的电量转移到电压较低的电池之中,实现单体电池之间的均衡,优点是能源浪费少,缺点是结构较为复杂,成本较高。

电压是锂离子电池在均衡中*为常用的参数3,通过测量电池组内不同单体电池的电压,一旦单体电池的之间的电压差值达到某个标准,均衡器就开始工作,对单体电池进行均衡,均衡器的使用**减少了循环中单体电池之间的偏差,提升了电池组的循环性能。

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作为国内新能源后市场领域的领*企业,杭州固恒能源科技有限公司很早在动力电池组的均衡维护设备上进行研发和产品布局,目前已经推出的PBM系列为便携式动力电池维保设备,该系列产品为满足电池箱、电池模组及单体电池维护检修的需求而提出,并可扩展设备间的互联互通及后台数据上传;该系列由PBM-P、PBM-M和PBM-MM3个子系列组成。

PBM-P系列便携式电池组均衡维护仪是针对解决动力锂电池串联成组后,因各单体电池的不均衡度扩大而导致电池组循环寿命缩短的问题而开发;是动力电池检测、维护的专业选择。该系列有3个子系列组成:

PBM-PC系列:便携式电池组并充维护仪

PBM-PD系列:便携式电池组并放维护仪

PBM-PW系列:便携式电池组均衡维护仪,支持并充、并放和均衡3种维护模式。

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PBM-M系列便携式电池组充放仪是为满足售后领域对不同电压平台及容量的电池组串联充放的需求而开发;该系列具有有3个子系列组成:

PBM-MC系列:便携式电池组充电仪

PBM-MD系列:便携式电池组放电仪

PBM-MW系列:便携式电池组充放电仪

 

PBM-MM系列便携式电池组综合性能维护仪是一款小型的综合性测试设备,其满足动力电池模组和小型电池包的全性能测试、维修、维护、快速放电、分容等需求。是PBM-MW和PBM-PW的结合体,具有电池组的串联充放电及单串电池的均衡维护的基本功能。

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针对新能源汽车4S店或者维修服务站的需求固恒能源科技公司推出了BRTS-100系列设备,能够根据主机厂或者核*配件厂指定的维护保养流程对动力系统进行相应的检测、修复和保养工作,并自动输出检测结果报表,方便主机厂和***配件厂对自身产品和售后服务进行溯源跟*。

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电动汽车复杂的电气系统,以及电池模块高电压(多数都在400V以上,部分产品的电压甚至达到800V以上)特性对4S店维修和养护人员的素质和业务水平提出了非常高的要求,普通燃油车4S店转型为新能源汽车4S店需要对从业人员进行大量的培训,不进成本高昂,还要付出大量的时间成本,杭州固恒能源科技有限公司推出的动力电池维护设备极大的简化了动力电池包的维护和保养程序,提升新能源汽车的维护保养水平,随着新能源汽车的推广与普及,市场需求将成指数式增长。

本文主要参考以下文献,文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论,以及课堂教学和科学研究,不得作为商业用途。如有任何版权问题,请随时与我们联系。

1. 《不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析》, 北京理工大学学报, 2006年7月,第26王震坡,孙逢春,林程

2. A study on parameter variation effects on battery packs for electric vehicles, Journal of Power Sources 364 (2017) 242-252Long 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) 272-288Languang Lu, Xuebing Han, Jianqiu Li, Jianfeng Hua, Minggao Ouyang