Несоответствие характеристик элементов формируется в процессе производства и усиливается в процессе эксплуатации. В одном и том же аккумуляторном блоке более слабые элементы последовательно ослабевают и быстрее выходят из строя. Разброс параметров между отдельными элементами увеличивается по мере старения.
Литий-ионные батареи, уже прочно занявшие доминирующее положение в индустрии питания электромобилей, отличаются длительным сроком службы, высокой плотностью энергии и значительным потенциалом для совершенствования. Безопасность может быть повышена, а плотность энергии может продолжать расти. Ожидается, что в обозримом будущем (около 2020 года) они сравняются по дальности хода и экономичности с бензиновыми автомобилями, вступив в первую стадию зрелости электромобилей. Однако у литиевых батарей есть и свои проблемы.
1, Почему большинство литиевых батарей маленькие?
Литиевые батареи, которые мы видим, - цилиндрические элементы, ячейки в чехлах, квадратные элементы - в целом компактны и не имеют той громоздкости, которая присуща традиционным свинцово-кислотным батареям. Почему так?
При высокой плотности энергии литиевые батареи часто не рассчитаны на большую емкость. Плотность энергии свинцово-кислотных батарей составляет около 40 Вт-ч/кг, в то время как литиевые батареи превысили 150 Вт-ч/кг. Увеличение плотности энергии повышает требования к безопасности.
Во-первых, литиевая батарея с чрезмерно высокой энергией может привести к тепловому разгону в случае аварии, вызывая быструю и опасную внутреннюю реакцию из-за неспособности быстро рассеять избыточную энергию. Особенно когда технологии безопасности и возможности контроля не до конца разработаны, емкость каждой батареи должна быть ограничена.
Во-вторых, как только энергия, заключенная в корпусе литиевой батареи, высвобождается в результате аварии, пожарные и средства пожаротушения не могут эффективно вмешаться. Они могут только изолировать место происшествия и позволить батарее реагировать, пока ее энергия не иссякнет.
Конечно, литиевые батареи имеют множество мер безопасности. В качестве примера можно привести цилиндрические элементы:
Предохранительные клапаны автоматически сбрасывают давление, когда внутренние реакции и газообразование превышают нормальные пределы и давление достигает заданного значения. Когда предохранительный клапан открывается, батарея становится полностью неэффективной.
Терморезисторы, установленные в некоторых элементах, при определенной температуре резко увеличивают сопротивление из-за перегрева, снижая ток и предотвращая дальнейшее повышение температуры.
Предохранители, оснащенные функцией защиты от перегрузки по току, отключают цепи при возникновении опасности перегрузки по току, предотвращая катастрофические аварии.
2, Проблемы согласованности литиевых батарей
Из-за невозможности создания больших отдельных элементов литиевые батареи часто состоят из множества небольших элементов, работающих вместе. Однако это порождает проблему: постоянство.
В нашем повседневном опыте два сухих элемента, соединенных вместе, могут питать фонарик, независимо от их консистенции. Однако в крупномасштабных приложениях с литиевыми батареями все не так просто.
Несоответствие параметров литиевых батарей в основном относится к изменению емкости, внутреннего сопротивления и напряжения разомкнутой цепи. Совместное использование элементов с несоответствующими параметрами может привести к следующим проблемам:
（1），Потеря емкости: При последовательном соединении элементов с разной емкостью емкость всей аккумуляторной батареи определяется элементом с наименьшей емкостью. Для предотвращения перезарядки и разрядки система управления аккумулятором останавливает разрядку блока, когда напряжение самого слабого элемента достигает напряжения отключения во время разрядки или когда напряжение самого высокого элемента достигает напряжения отключения во время зарядки. В результате мелкие элементы всегда полностью заряжаются и разряжаются, а крупные используются лишь частично, что приводит к неполному использованию емкости блока.
（2），Сокращение срока службы: Срок службы аккумуляторного блока определяется самым коротким сроком службы элементов, который, скорее всего, будет у элемента с наименьшей емкостью. Меньшие ячейки, которые каждый раз полностью заряжаются и разряжаются, подвергаются большему стрессу и с большей вероятностью достигнут конца срока службы первыми, что приведет к преждевременному выходу из строя всего блока.
（3）、Увеличенное внутреннее сопротивление: Элементы с разным внутренним сопротивлением рассеивают разное количество тепла при одинаковом токе. Высокое внутреннее сопротивление приводит к повышению температуры, ускоряя деградацию. Взаимосвязь между внутренним сопротивлением и температурой образует отрицательную обратную связь, ускоряя деградацию элементов с более высоким внутренним сопротивлением.
Эти три параметра не являются полностью независимыми. Ячейки с более высоким внутренним сопротивлением также имеют тенденцию к большей деградации емкости. В настоящее время инженеры решают проблему несоответствия ячеек в основном в трех аспектах: сортировка ячеек, терморегулирование после группировки и функция баланса, когда небольшое количество ячеек демонстрирует несоответствие.
3, Как устранить несоответствия
Несоответствие характеристик элементов формируется в процессе производства и усиливается в процессе эксплуатации. В одном и том же аккумуляторном блоке более слабые элементы последовательно ослабевают и быстрее выходят из строя. Разброс параметров между отдельными элементами увеличивается по мере старения. В настоящее время инженеры решают проблему несоответствия элементов в основном в трех аспектах: сортировка элементов, терморегулирование после группировки и функция баланса, когда небольшое количество элементов демонстрирует несоответствие.
(1), Сортировка
Элементы из разных партий в идеале не должны использоваться вместе. Даже клетки из одной партии необходимо сортировать, чтобы сгруппировать клетки с относительно схожими параметрами в один батарейный блок. Цель сортировки - отобрать клетки со схожими параметрами. Методы сортировки изучались в течение многих лет и в основном делятся на две категории: статическая сортировка и динамическая сортировка.
Статическая сортировка предполагает отбор клеток по таким характеристикам, как напряжение разомкнутой цепи, внутреннее сопротивление и емкость, с использованием статистических алгоритмов для задания критериев сортировки и разделения клеток одной партии на несколько групп.
Динамическая сортировка предполагает отбор клеток на основе их характеристик в процессе заряда и разряда. В одних методах используется зарядка постоянным током и постоянным напряжением, в других - импульсные циклы разряда-заряда или сравнение кривых заряда и разряда.
Сочетание динамической и статической сортировки предполагает первоначальную группировку клеток с помощью статической сортировки, а затем использование динамической сортировки для дальнейшего уточнения групп. Такой подход позволяет получить больше групп с более высокой точностью, но при этом увеличивает затраты.
Это иллюстрирует важность крупномасштабного производства в индустрии литиевых батарей. Массовое производство позволяет производителям проводить более тщательную сортировку, в результате чего батареи получаются с более стабильными характеристиками. Если объемы производства слишком малы и требуется слишком много групп, даже самые лучшие методы окажутся неэффективными.
(2), Терморегулирование
Для решения проблемы, когда элементы с разным внутренним сопротивлением выделяют разное количество тепла, используется система терморегулирования, которая регулирует разницу температур во всем аккумуляторном блоке, удерживая ее в небольшом диапазоне. Элементы, выделяющие больше тепла, по-прежнему нагреваются сильнее, но разница температур между элементами сводится к минимуму, предотвращая значительные различия в уровнях деградации.
(3), Балансировка
В тех случаях, когда отдельные элементы достигают напряжения отключения зарядки раньше других, снижая эффективную емкость блока, системы управления аккумуляторами (BMS) включают функции балансировки. Когда один элемент достигает напряжения отключения раньше других, что свидетельствует о полном заряде, а другие отстают, BMS активирует функцию балансировки заряда. Это может включать разрядку перезаряженного элемента или передачу энергии на элементы с более низким напряжением, что позволяет продолжить процесс зарядки и увеличить количество энергии, запасенной в аккумуляторе.
До сих пор несогласованность элементов остается важной областью исследований в промышленности. Несмотря на высокую энергетическую плотность литиевых батарей, несогласованность может значительно снизить емкость и производительность аккумуляторных блоков.
EN 
ES 
FR 
DE 
RU 
ZH