如何實(shí)現(xiàn)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池組電化學(xué)均衡？
2017-10-9 10:11:51??????點(diǎn)擊：
長(zhǎng)期以來充電機(jī)充電鋰離子蓄電池單體一致性差是困擾著充電機(jī)充電鋰離子蓄電池組規(guī)劃難題，這兒我們所說的一致性不僅僅是指?jìng)鹘y(tǒng)意義上的容量、電壓等參數(shù)，還包含了單體充電機(jī)充電蓄電池的容量衰降速度、內(nèi)阻衰降速度和充電機(jī)充電蓄電池組的溫度散布等要素。理想情況下，同一批次的充電機(jī)充電鋰離子蓄電池應(yīng)該具有相同的電化學(xué)功能，可是實(shí)際上因?yàn)橹圃爝M(jìn)程中的差錯(cuò)，會(huì)使鋰離子單體充電機(jī)充電蓄電池之間存在不一致性。充電機(jī)充電蓄電池組往往由數(shù)百只，乃至是數(shù)千只單體充電機(jī)充電蓄電池經(jīng)過串并聯(lián)而成，因而充電機(jī)充電蓄電池組的容量遭到單體充電機(jī)充電蓄電池的不一致性影響很大（對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組功能影響最大的不一致性要素包含庫倫功率的不一致、自放電率的不一致、內(nèi)阻添加速度的不一致等），研討顯現(xiàn)即便是單體充電機(jī)充電蓄電池循環(huán)壽數(shù)到達(dá)1000次以上，組成充電機(jī)充電蓄電池組后，充電機(jī)充電蓄電池組的壽數(shù)可能不足200次【1】。
因而關(guān)于一個(gè)由數(shù)量眾多的單體充電機(jī)充電蓄電池組成的充電機(jī)充電蓄電池組而言均衡設(shè)備是有必要的，目前上市面上常見的均衡辦法首要是憑借電子設(shè)備完結(jié)單體充電機(jī)充電蓄電池之間的電壓均衡，因而技術(shù)上也都迥然不同。近來德國斯圖加特大學(xué)的Alexander U. Schmid等人運(yùn)用Ni金屬氫化物充電機(jī)充電蓄電池（NiMH）和Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池完結(jié)了充電機(jī)充電蓄電池組的電化學(xué)均衡，為充電機(jī)充電蓄電池組的均衡供給了一個(gè)新的思路。
因?yàn)槌潆姍C(jī)充電鋰離子蓄電池作業(yè)原理的約束，其抗過充的才能很弱，在過充情況下可能發(fā)作電解液分化、析鋰等問題。NiMH充電機(jī)充電蓄電池在發(fā)作過充的情況下，電解液中的H2O會(huì)在正負(fù)極分化發(fā)作的O2和H2，而O2和H2能夠在催化劑的效果下從頭結(jié)合生成水，然后構(gòu)成一個(gè)完好的循環(huán)。在C/3-C/10的小倍率下，氣體發(fā)作的速率簡(jiǎn)直與其再結(jié)合的速率相同，因而NiMH充電機(jī)充電蓄電池的抗過充功能非常好。根據(jù)上述原理，Alexander U. Schmid將NiMH充電機(jī)充電蓄電池和相似的Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池用來對(duì)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池組進(jìn)行均衡。在運(yùn)用這種電化學(xué)均衡手法時(shí)，傳統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)和電子均衡單元都能夠省掉，有用下降了充電機(jī)充電蓄電池組辦理的雜亂程度，進(jìn)步充電機(jī)充電蓄電池組的可靠性。
Alexander U. Schmid選取了LiFePO4和Li4Ti5O12資料作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，原因是這兩種資料對(duì)過充都具有必定的耐受才能，并且在徹底脫鋰后電壓會(huì)快速上升，此刻N(yùn)iMH和Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池承當(dāng)起電流Bypass的效果，剩余的電流會(huì)流入到NiMH和Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池之中，然后防止充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)作過充。
其作業(yè)原理如下圖所示，用于均衡的NiMH充電機(jī)充電蓄電池或許Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池經(jīng)過并聯(lián)的辦法與充電機(jī)充電鋰離子蓄電池銜接在一同，當(dāng)充電機(jī)充電蓄電池組中的一組串聯(lián)低容量充電機(jī)充電蓄電池充滿電后，電壓到達(dá)閥值，此刻與之并聯(lián)的NiMH充電機(jī)充電蓄電池承當(dāng)起了分流的效果，一切的電流基本上都流過NiMH充電機(jī)充電蓄電池，不再流過充電機(jī)充電鋰離子蓄電池，然后防止了充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)作過充。在這個(gè)進(jìn)程中充電機(jī)充電鋰離子蓄電池和NiMH電壓和電流的改動(dòng)如下圖b所示，在完美匹配的情況下，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池電流如赤色曲線所示。
下表為試驗(yàn)中運(yùn)用到的充電機(jī)充電蓄電池的信息，試驗(yàn)中首要用到了LFP/石墨，LMO/LTO，LFP/LTO，Ni-Zn和NiMH充電機(jī)充電蓄電池。
下圖為試驗(yàn)中選用的幾種充電機(jī)充電蓄電池的容量-電壓曲線圖，其間2′NiZn的意思是兩個(gè)Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池串聯(lián)在一同，能夠看到兩只串聯(lián)的Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池最大電壓為3.95V（I=150mA），剛好能用于LFP/C充電機(jī)充電蓄電池上，防止其發(fā)作過充。一個(gè)Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池能夠與LFP／LTO充電機(jī)充電蓄電池并聯(lián)，防止充電機(jī)充電蓄電池發(fā)作過充，或許兩只NiMH充電機(jī)充電蓄電池串聯(lián)與LMO/LTO并聯(lián)，此刻最大電壓會(huì)到達(dá)3V以上，而LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池的最大電壓為2.8V左右，可是只需LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池電壓不超越3.2V就是可接受的，并且LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池從2.8-3.2V添加的容量?jī)H為0.65Ah，約為常溫容量的6.5%，因而對(duì)充電機(jī)充電蓄電池的功能影響不大。
下圖展現(xiàn)了LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池與兩個(gè)串聯(lián)的NiMH充電機(jī)充電蓄電池一同作業(yè)的情況，能夠看到在充電機(jī)充電蓄電池組充電的進(jìn)程中首先是LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池被充滿，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，電流開端發(fā)作改動(dòng)，流經(jīng)LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池的電流開端減小，流經(jīng)NiMH充電機(jī)充電蓄電池的電流在添加，終究流經(jīng)LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池的電流下降為0，一切的電流都流過NiMH充電機(jī)充電蓄電池，因而此刻充電機(jī)充電蓄電池組的電壓不再添加。放電進(jìn)程中兩種充電機(jī)充電蓄電池是一起開端放電，因?yàn)镹iMH充電機(jī)充電蓄電池容量較小，因而很快電流下降為0，首要由LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池完結(jié)放電。
下圖為L(zhǎng)FP/C-2NiZn充電機(jī)充電蓄電池模塊的作業(yè)情況，能夠看到，在開端充電的時(shí)分，簡(jiǎn)直一切的電流都會(huì)進(jìn)入LFP/C充電機(jī)充電蓄電池，只需80mA左右的電流經(jīng)過NiZn充電機(jī)充電蓄電池。隨后在t=1.2h，電流的流向發(fā)作了徹底的改變，電流開端首要流過NiZn充電機(jī)充電蓄電池，因而為了防止NiZn充電機(jī)充電蓄電池發(fā)作過熱，因而模塊的充電電流分成了幾步，首先是1.1A，然后是0.75A，然后是0.3A，然后是0.15A。放電進(jìn)程開端的時(shí)分NiZn充電機(jī)充電蓄電池供給了最大的電流，隨后其電流開端下降，LFP／C充電機(jī)充電蓄電池的電流開端逐漸添加。
下表是對(duì)幾種充電機(jī)充電蓄電池與NiZN、NiMH充電機(jī)充電蓄電池并聯(lián)時(shí)的效果的總結(jié)，從榜首列能夠看到幾種并聯(lián)辦法都能夠使的充電機(jī)充電蓄電池組的最大電壓小于充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的最大約束電壓，防止充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)作過充。從第二列能夠看到，除了LFP／LTO-NiZn充電機(jī)充電蓄電池不能充分運(yùn)用充電機(jī)充電鋰離子蓄電池容量外，其他的兩種并聯(lián)辦法都能夠充分的運(yùn)用充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的容量，因而也能夠完結(jié)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組的均衡（第三列）。從第四列能夠看到，遭到并聯(lián)的NiZn、NiMH充電機(jī)充電蓄電池的影響，充電機(jī)充電蓄電池組的最大放電電流要小于充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的最大電流，因而在實(shí)際運(yùn)用中需求選用高功率型的NiZn、NiMH充電機(jī)充電蓄電池，以確保充電機(jī)充電蓄電池組的功能不下降。
下圖為兩個(gè)串聯(lián)的LFP/C-2NiZn充電機(jī)充電蓄電池的充放電作業(yè)情況，兩個(gè)串聯(lián)LFP/C充電機(jī)充電蓄電池的初始容量差值為200mAh，在經(jīng)過如下一個(gè)充放電后，兩個(gè)充電機(jī)充電蓄電池組的容量差值下降為100mAh，也就是說在一個(gè)循環(huán)中兩個(gè)串聯(lián)充電機(jī)充電蓄電池組中有8%的容量完結(jié)了均衡。
Alexander U. Schmid的作業(yè)為充電機(jī)充電蓄電池組均衡供給了一個(gè)新的思路，NiMH、NiZn充電機(jī)充電蓄電池因?yàn)橐?guī)劃特色，因而在發(fā)作過充時(shí)，電解液中的水會(huì)分別在正負(fù)極發(fā)作分化，發(fā)作O2和H2，在充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)催化劑的效果下，O2會(huì)與H2結(jié)合發(fā)作水，完結(jié)一個(gè)循環(huán)，因而NiMH和NiZn具有非常好的抗過充功能，我們剛好能夠運(yùn)用這一點(diǎn)，經(jīng)過單個(gè)或許幾個(gè)串聯(lián)的NiMH、NiZn充電機(jī)充電蓄電池與充電機(jī)充電鋰離子蓄電池并聯(lián)，在充電電壓到達(dá)上限時(shí)，電流簡(jiǎn)直會(huì)悉數(shù)流過NiMH、NiZn充電機(jī)充電蓄電池，然后防止充電機(jī)充電鋰離子蓄電池過充。我們相同能夠運(yùn)用這一點(diǎn)完結(jié)對(duì)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池組的均衡，我們只需繼續(xù)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組進(jìn)行充電，就能確保一切的充電機(jī)充電蓄電池都能徹底充電，而不擔(dān)心會(huì)有的充電機(jī)充電蓄電池發(fā)作過充，然后進(jìn)步充電機(jī)充電蓄電池組內(nèi)容量的一致性，試驗(yàn)也證明一個(gè)充放電循環(huán)就能完結(jié)8%的容量均衡（LFP/C-2NiZn）。該辦法最大的優(yōu)勢(shì)在于，整個(gè)進(jìn)程中不需求對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組中的單體充電機(jī)充電蓄電池進(jìn)行電壓監(jiān)控，徹底是主動(dòng)完結(jié)的，因而極大的簡(jiǎn)化了充電機(jī)充電蓄電池組的結(jié)構(gòu)，進(jìn)步了充電機(jī)充電蓄電池組的可靠性。
因而關(guān)于一個(gè)由數(shù)量眾多的單體充電機(jī)充電蓄電池組成的充電機(jī)充電蓄電池組而言均衡設(shè)備是有必要的，目前上市面上常見的均衡辦法首要是憑借電子設(shè)備完結(jié)單體充電機(jī)充電蓄電池之間的電壓均衡，因而技術(shù)上也都迥然不同。近來德國斯圖加特大學(xué)的Alexander U. Schmid等人運(yùn)用Ni金屬氫化物充電機(jī)充電蓄電池（NiMH）和Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池完結(jié)了充電機(jī)充電蓄電池組的電化學(xué)均衡，為充電機(jī)充電蓄電池組的均衡供給了一個(gè)新的思路。
因?yàn)槌潆姍C(jī)充電鋰離子蓄電池作業(yè)原理的約束，其抗過充的才能很弱，在過充情況下可能發(fā)作電解液分化、析鋰等問題。NiMH充電機(jī)充電蓄電池在發(fā)作過充的情況下，電解液中的H2O會(huì)在正負(fù)極分化發(fā)作的O2和H2，而O2和H2能夠在催化劑的效果下從頭結(jié)合生成水，然后構(gòu)成一個(gè)完好的循環(huán)。在C/3-C/10的小倍率下，氣體發(fā)作的速率簡(jiǎn)直與其再結(jié)合的速率相同，因而NiMH充電機(jī)充電蓄電池的抗過充功能非常好。根據(jù)上述原理，Alexander U. Schmid將NiMH充電機(jī)充電蓄電池和相似的Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池用來對(duì)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池組進(jìn)行均衡。在運(yùn)用這種電化學(xué)均衡手法時(shí)，傳統(tǒng)的電壓監(jiān)測(cè)和電子均衡單元都能夠省掉，有用下降了充電機(jī)充電蓄電池組辦理的雜亂程度，進(jìn)步充電機(jī)充電蓄電池組的可靠性。
Alexander U. Schmid選取了LiFePO4和Li4Ti5O12資料作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，原因是這兩種資料對(duì)過充都具有必定的耐受才能，并且在徹底脫鋰后電壓會(huì)快速上升，此刻N(yùn)iMH和Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池承當(dāng)起電流Bypass的效果，剩余的電流會(huì)流入到NiMH和Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池之中，然后防止充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)作過充。
其作業(yè)原理如下圖所示，用于均衡的NiMH充電機(jī)充電蓄電池或許Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池經(jīng)過并聯(lián)的辦法與充電機(jī)充電鋰離子蓄電池銜接在一同，當(dāng)充電機(jī)充電蓄電池組中的一組串聯(lián)低容量充電機(jī)充電蓄電池充滿電后，電壓到達(dá)閥值，此刻與之并聯(lián)的NiMH充電機(jī)充電蓄電池承當(dāng)起了分流的效果，一切的電流基本上都流過NiMH充電機(jī)充電蓄電池，不再流過充電機(jī)充電鋰離子蓄電池，然后防止了充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)作過充。在這個(gè)進(jìn)程中充電機(jī)充電鋰離子蓄電池和NiMH電壓和電流的改動(dòng)如下圖b所示，在完美匹配的情況下，充電機(jī)充電鋰離子蓄電池電流如赤色曲線所示。
下表為試驗(yàn)中運(yùn)用到的充電機(jī)充電蓄電池的信息，試驗(yàn)中首要用到了LFP/石墨，LMO/LTO，LFP/LTO，Ni-Zn和NiMH充電機(jī)充電蓄電池。
下圖為試驗(yàn)中選用的幾種充電機(jī)充電蓄電池的容量-電壓曲線圖，其間2′NiZn的意思是兩個(gè)Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池串聯(lián)在一同，能夠看到兩只串聯(lián)的Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池最大電壓為3.95V（I=150mA），剛好能用于LFP/C充電機(jī)充電蓄電池上，防止其發(fā)作過充。一個(gè)Ni-Zn充電機(jī)充電蓄電池能夠與LFP／LTO充電機(jī)充電蓄電池并聯(lián)，防止充電機(jī)充電蓄電池發(fā)作過充，或許兩只NiMH充電機(jī)充電蓄電池串聯(lián)與LMO/LTO并聯(lián)，此刻最大電壓會(huì)到達(dá)3V以上，而LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池的最大電壓為2.8V左右，可是只需LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池電壓不超越3.2V就是可接受的，并且LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池從2.8-3.2V添加的容量?jī)H為0.65Ah，約為常溫容量的6.5%，因而對(duì)充電機(jī)充電蓄電池的功能影響不大。
下圖展現(xiàn)了LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池與兩個(gè)串聯(lián)的NiMH充電機(jī)充電蓄電池一同作業(yè)的情況，能夠看到在充電機(jī)充電蓄電池組充電的進(jìn)程中首先是LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池被充滿，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一個(gè)點(diǎn)時(shí)，電流開端發(fā)作改動(dòng)，流經(jīng)LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池的電流開端減小，流經(jīng)NiMH充電機(jī)充電蓄電池的電流在添加，終究流經(jīng)LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池的電流下降為0，一切的電流都流過NiMH充電機(jī)充電蓄電池，因而此刻充電機(jī)充電蓄電池組的電壓不再添加。放電進(jìn)程中兩種充電機(jī)充電蓄電池是一起開端放電，因?yàn)镹iMH充電機(jī)充電蓄電池容量較小，因而很快電流下降為0，首要由LMO/LTO充電機(jī)充電蓄電池完結(jié)放電。
下圖為L(zhǎng)FP/C-2NiZn充電機(jī)充電蓄電池模塊的作業(yè)情況，能夠看到，在開端充電的時(shí)分，簡(jiǎn)直一切的電流都會(huì)進(jìn)入LFP/C充電機(jī)充電蓄電池，只需80mA左右的電流經(jīng)過NiZn充電機(jī)充電蓄電池。隨后在t=1.2h，電流的流向發(fā)作了徹底的改變，電流開端首要流過NiZn充電機(jī)充電蓄電池，因而為了防止NiZn充電機(jī)充電蓄電池發(fā)作過熱，因而模塊的充電電流分成了幾步，首先是1.1A，然后是0.75A，然后是0.3A，然后是0.15A。放電進(jìn)程開端的時(shí)分NiZn充電機(jī)充電蓄電池供給了最大的電流，隨后其電流開端下降，LFP／C充電機(jī)充電蓄電池的電流開端逐漸添加。
下表是對(duì)幾種充電機(jī)充電蓄電池與NiZN、NiMH充電機(jī)充電蓄電池并聯(lián)時(shí)的效果的總結(jié)，從榜首列能夠看到幾種并聯(lián)辦法都能夠使的充電機(jī)充電蓄電池組的最大電壓小于充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的最大約束電壓，防止充電機(jī)充電鋰離子蓄電池發(fā)作過充。從第二列能夠看到，除了LFP／LTO-NiZn充電機(jī)充電蓄電池不能充分運(yùn)用充電機(jī)充電鋰離子蓄電池容量外，其他的兩種并聯(lián)辦法都能夠充分的運(yùn)用充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的容量，因而也能夠完結(jié)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組的均衡（第三列）。從第四列能夠看到，遭到并聯(lián)的NiZn、NiMH充電機(jī)充電蓄電池的影響，充電機(jī)充電蓄電池組的最大放電電流要小于充電機(jī)充電鋰離子蓄電池的最大電流，因而在實(shí)際運(yùn)用中需求選用高功率型的NiZn、NiMH充電機(jī)充電蓄電池，以確保充電機(jī)充電蓄電池組的功能不下降。
下圖為兩個(gè)串聯(lián)的LFP/C-2NiZn充電機(jī)充電蓄電池的充放電作業(yè)情況，兩個(gè)串聯(lián)LFP/C充電機(jī)充電蓄電池的初始容量差值為200mAh，在經(jīng)過如下一個(gè)充放電后，兩個(gè)充電機(jī)充電蓄電池組的容量差值下降為100mAh，也就是說在一個(gè)循環(huán)中兩個(gè)串聯(lián)充電機(jī)充電蓄電池組中有8%的容量完結(jié)了均衡。
Alexander U. Schmid的作業(yè)為充電機(jī)充電蓄電池組均衡供給了一個(gè)新的思路，NiMH、NiZn充電機(jī)充電蓄電池因?yàn)橐?guī)劃特色，因而在發(fā)作過充時(shí)，電解液中的水會(huì)分別在正負(fù)極發(fā)作分化，發(fā)作O2和H2，在充電機(jī)充電蓄電池內(nèi)催化劑的效果下，O2會(huì)與H2結(jié)合發(fā)作水，完結(jié)一個(gè)循環(huán)，因而NiMH和NiZn具有非常好的抗過充功能，我們剛好能夠運(yùn)用這一點(diǎn)，經(jīng)過單個(gè)或許幾個(gè)串聯(lián)的NiMH、NiZn充電機(jī)充電蓄電池與充電機(jī)充電鋰離子蓄電池并聯(lián)，在充電電壓到達(dá)上限時(shí)，電流簡(jiǎn)直會(huì)悉數(shù)流過NiMH、NiZn充電機(jī)充電蓄電池，然后防止充電機(jī)充電鋰離子蓄電池過充。我們相同能夠運(yùn)用這一點(diǎn)完結(jié)對(duì)充電機(jī)充電鋰離子蓄電池組的均衡，我們只需繼續(xù)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組進(jìn)行充電，就能確保一切的充電機(jī)充電蓄電池都能徹底充電，而不擔(dān)心會(huì)有的充電機(jī)充電蓄電池發(fā)作過充，然后進(jìn)步充電機(jī)充電蓄電池組內(nèi)容量的一致性，試驗(yàn)也證明一個(gè)充放電循環(huán)就能完結(jié)8%的容量均衡（LFP/C-2NiZn）。該辦法最大的優(yōu)勢(shì)在于，整個(gè)進(jìn)程中不需求對(duì)充電機(jī)充電蓄電池組中的單體充電機(jī)充電蓄電池進(jìn)行電壓監(jiān)控，徹底是主動(dòng)完結(jié)的，因而極大的簡(jiǎn)化了充電機(jī)充電蓄電池組的結(jié)構(gòu)，進(jìn)步了充電機(jī)充電蓄電池組的可靠性。
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