由上文可知,动力电池系统的不一致性可从电压、容量和内阻三个角度进行展开,分析结果显示电池不一致性直接影响电池的寿命衰减和老化速度,而当电池不断老化时,电池内部的副反应(如SEI膜增厚、负极析锂、电解液氧化等)会引起电池容量的衰减和内阻的增加,进而导致电池的安全性能变差。
现有研究发现,在常温/高温循环老化条件下,由于电池内阻的上升,电池在充放电下焦耳热不断增加,耐电滥用性能不断下降,电池的热稳定性也会有一定程度的变化,变化规律与电池的材料体系和工艺水平相关;在常温/高温储存老化条件下,电池的耐电滥用性能会逐渐降低;在低温循环老化条件下,由于负极析锂,电池的热稳定性会急剧下降,析出的锂金属在低温下与电解液发生反应,致使电池自产热速率剧增,从而对电池安全性造成严重危害。
综上,动力电池系统的一致性和安全性之间通常不会直接发生关联,而是通过电池寿命的加速衰减间接联系在一起,动力电池系统的安全性也会随着电池寿命的逐渐老化而变差。因此,研究电池一致性与的安全性的耦合关系,首先需要弄明白电池一致性与电池寿命之间的关联关系。动力电池系统的RUL或可用容量与单体电池之间的一致性水平有很大关系,在实际车辆应用过程中,主要体现在以下方面:
1.温度差异
不同车型电动汽车对动力电池系统的电池包布置和安装位置的要求各不相同。单体电池所处的热环境会存在一定的固有差异,比如某些单体电池或模块可能更靠近电机等热源,而另一些电池可能处于通风更好的位置;另外,同一位置区域的单体电池由于热源位置和通风条件的差异,也会存在一定的单体温差,进而影响动力电池系统的整体工作性能和使用寿命。
2.充放电倍率差异
通常情况下,每一种电池都有其对应的最佳充放电倍率,电池的容量若不相同,其最佳充放电电流自然也就不同。串联电池组中电流相同,由于电池的不一致性,有的单体电池在其最佳充放电电流工作,而有的电池可能达不到或超过了其最佳充放电电流,造成工作过程中的充放电倍率差异;充放电倍率的不同会造成单体间的能量消耗和产热速率差异,加速电池寿命衰减的同时也容易引发电池热失控。
3.放电深度差异
如果电池容量存在差异,在电动汽车行驶相同里程后的放电深度也会存在不同。这时在大多数单体电池仍然属于浅放电的情况下,低容量的单体电池已经进入深放电阶段;当其他单体电池开始深放电时,低容量单体电池已经处于过放电状态,并且没有剩余电量可以放出,便成为电路中的负载,加速电池的能量损耗和老化。
4.可用容量差异
如果电池的可用容量存在差异,在充电过程中,低容量单体电池必将提前充满,为了充满其他单体电池,这些低容量电池必将发生过充电;在充电后期充电电压持续升高,过充电发生时甚至超出最高COV,过充电将严重影响充电过程和电池使用寿命,极易引发过充电安全隐患如热失控的发生。
通常情况下,动力电池系统的不一致性在其生产阶段就已经产生了,因此动力电池系统的一致性是相对的,不一致性是绝对存在的。在实际应用过程中,我们需要做的是采取有效措施减缓这种不一致性扩大的趋势或速度。为了提高动力电池系统的一致性,延缓电池组寿命衰减速度,根据大量的动力电池系统应用经验和试验研究,可总结如下几项措施:
1.分选
电池分选的目的是把参数邻近的单体电池选择出来。因为理论上不同批次的单体电池不应该被放在一起使用,即便是相同批次,也需要通过选择把参数集中的单体电池放在同一个电池包里。电池分选的办法主要分为静态分选、动态分选及动静结合三大类。静态分选是通过引进统计算法,设定选择标准,针对电芯的开路电压、内阻、容量等特征参数进行选择;动态分选是基于电池在充放电进程中体现出来的特性,或者通过对比自身充电与放电曲线之间的联系进行选择;动静结合分选一般是指利用静态选择的初步分组进行进一步的动态选择,从而提高电池分选的准确性,但是成本也会相应上升。
2.均衡
为了应对单体电池的不一致性问题,BMS通常都会集成电池均衡的功能。例如,当某些单体率先到达充电COV而其他单体明显滞后时,BMS会启动充电均衡功能,一般是通过接入电阻放掉高电压单体部分电量或者将能量转移到低压单体的形式;当充电截止条件被免除,充电进程在重新开始时会使动力电池系统充入更多电量。
3.热处理
针对动力电池系统的内阻不一致引起单体发生热量不同的问题,引入热处理系统可以有效调节整个电池系统的温差,使之维持在一个安全阈值范围里;发热量较多的单体电池温升可能依然偏高,但不会与其他单体拉开很大距离,单体间的劣化水平也不会出现明显的差距。
4.使用维护
在动力电池系统实际使用过程中的使用维护是保持单体电池一致性最直接有效的措施,例如:保证电池良好的使用环境,尽量保证环境温度场均匀、减小电池振动、避免水和尘土对极柱的污染等;避免电池过充电和深度放电;使用过程中定期对动力电池系统,尤其是容量偏低的单体电池进行小电流维护性充电,促进电池自身的均衡和性能恢复;检测单体电池参数,尤其是动、静态情况下(车辆充电或行驶过程)的电压分布情况,对出现极端异常参数的单体及时进行调整或更换。