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三元鋰離子電池大有可為

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2022年03月25日  

本文基于多年來對三元電池成組技術的研究結果,文中所述電池特指三元類電池。


1.三元電池的商業前景


回顧電池發展的歷史,鉛酸電池商業化時間超過100年以上,三元鋰電池也有30年的應用經驗,就電池技術而言,三元鋰電池的技術(包括:標準化、單體能量密度和安全性)發展已經得到極大的提升,這為三元鋰電池的廣泛應用提供了無限的可能。


毫無疑問,在全球減少碳排放的大趨勢下,鋰電池已經由小容量的消費電子產品領域,逐步向中等容量的電動自行車、小型儲能產品擴展,并向大容量的電動汽車、家庭儲能進軍。


隨著三元鋰電池能量密度以及安全性不斷提升,在相當長的一定時期內,三元電池產品的優勢將不斷凸顯,并得到更廣泛的商業應用,如何開發出具有商業價值的大容量三元電池系統是這些應用的前提。


談主動均衡技術三元鋰電池大有可為


2.現階段電池成組技術無法解決的問題


電池系統通常指由系統進行管理的電池包,可以簡單地分為三部分:電池及連接構件、電池包內外結構部分和電池管理系統部分(簡稱BMS)。


首先,我們分析一下電池的基本特性。


電池是屬于電化學產品,所以每個電池的化學反應的程度是不同的。比如:在充電和放電過程中,每個電池充入的電能和釋放的電能都是不相等的,隨著反應次數和強度的增加,表現為電池本身的電性能產生較大的差異,也就是電池的一致性變差。


在電池系統的應用中,通常由多個電芯通過并聯和串聯方式組成一個大的電池包,比如:電動汽車電池包可能由超過100級電池串聯成組,任何一級電池的一致性的劣化將嚴重影響電池組的整體性能,也就是通常所說的“木桶的短板效應”,電性能最差的一級電池決定了電池包的整體性能。


3.了解我國新能源車主使用感受


在各個新能源車主的論壇之中,偉大的車主們做了全面的總結,“槽點”主要表現為:續航里程不足(明顯虛標)、續航里程持續減少、充電量不足、充電跳電、SOC突然衰減等等。


顯然,這些都是車主無法忍受的缺點,這些吐槽都指向一個原因,那就是電池的一致性變差。


非常不幸,全球電動汽車廠商還沒有找到有效控制一致性的方法,雖然特斯拉選用一致性最好的松下電池,但是續航里程衰減的問題還是無法解決,他們可以做到續航里程的衰減不會明顯影響到用戶的感受,而我們國內新能源汽車廠商并不關注用戶的感受。


4.電池成組的核心技術—主動均衡技術


現有的BMS技術只能實現最基本的功能,包括:電池物理參數實時監測;電池狀態估計;在線診斷與預警;充、放電與預充控制、被動均衡管理等。我們看到,沒有任何機制控制電池一致性的失控,特別是在放電過程中。


在控制一致性的方法中,被動均衡因為均衡電流太小(通常為幾百毫安量級),均衡效果不明顯,而且通過電阻釋放電能會導致消耗的熱量難以排放,又會導致電池包的內部溫升。


由于被動均衡的局限性,各國嘗試研究不同方法的主動均衡技術,包括:電容、電感(變壓器)、DC/DC等方案,但是,由于均衡電流過小(幾安量級)、系統設計復雜、器件性能不穩定和生產成本等因素,產品化進程困難重重。


在電池的發展史上,主動均衡技術一直是各國研究的重點,但是一直沒有產生重大技術突破,甚至人們普遍認為主動均衡技術只能局限在實驗室。


理想的主動均衡技術應該具有以下的技術特點:


(1)均衡電流應足夠大(40KWH電池包的均衡電流應達到20安以上)以控制電池一致性變差


(2)在充電和放電過程中實現均衡管理


(3)低成本的載能器件和控制系統


5.結語


主動均衡技術的原理非常清楚,技術的難點是如何實現電能在電池之間進行轉移,特別在超過100級串聯的電池包里進行電能轉移是難以想象的,現有的載能器件(比如:電容、電感、DC/DC方案)因為體積、連接、控制等因素,無法實現主動均衡技術的產品化。


就理想的主動均衡技術而言,實現能量轉移的控制方法是主動均衡技術的關鍵,或者說,主動均衡技術是控制系統領域的問題。




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