A inconsistência entre as baterias individuais geralmente leva a problemas como rápida deterioração da capacidade e vida útil mais curta das baterias durante os processos de ciclagem. A seleção de baterias com desempenho o mais consistente possível para agrupamento é de grande importância para a aplicação generalizada de baterias de íons de lítio em veículos elétricos.
Este artigo analisa as manifestações e causas da inconsistência nas baterias de íons de lítio, resume os métodos para melhorar sua consistência e fornece uma visão geral dos esquemas de agrupamento de baterias existentes.
- Análise de inconsistência
1.1 Definição de inconsistência
A inconsistência nas baterias de íons de lítio refere-se às diferenças em parâmetros como tensão, capacidade, resistência interna, vida útil, impacto de temperatura e taxa de autodescarga entre baterias individuais com as mesmas especificações e modelos quando são montadas em uma bateria.
Após a fabricação, as baterias individuais têm inerentemente algumas variações iniciais de desempenho. À medida que as baterias são usadas, essas diferenças de desempenho se acumulam com o tempo. Além disso, o ambiente de uso dentro da bateria não é idêntico para cada bateria individual, o que amplifica ainda mais a inconsistência entre elas. Essa inconsistência progressiva acelera a degradação do desempenho da bateria e, eventualmente, leva à falha prematura da bateria.
1.2 Manifestações de inconsistência
A inconsistência nas baterias de íons de lítio se manifesta principalmente em dois aspectos: diferenças nos parâmetros de desempenho (como capacidade, resistência interna e taxa de autodescarga) e diferenças no estado de carga (SOC) entre as células da bateria.
A pesquisa de Dai Haifeng et al. descobriu que a distribuição das diferenças de capacidade entre as células da bateria se aproxima de uma distribuição de Weibull, enquanto a dispersão da resistência interna é mais significativa do que a da capacidade. A resistência interna das baterias do mesmo lote geralmente segue uma distribuição normal, e a taxa de autodescarga também exibe uma distribuição normal aproximada. SOC representa o estado de carga da bateria e é a razão entre a capacidade restante e a capacidade nominal. Devido à inconsistência das baterias, a taxa de degradação da capacidade varia, resultando em diferenças na capacidade máxima disponível entre as baterias. As baterias com menor capacidade experimentam mudanças de SOC mais rápidas em comparação com aquelas com maior capacidade, atingindo a tensão de corte mais rapidamente durante os processos de carga e descarga.
1.3 Causas da inconsistência
Existem várias razões para a ocorrência de inconsistência nas baterias de íons de lítio, principalmente decorrentes dos processos de fabricação e uso. Cada estágio do processo de fabricação, como a uniformidade da pasta durante a mistura do material e o controle da densidade do revestimento e da tensão superficial durante o revestimento, pode resultar em variações de desempenho entre as células individuais da bateria.
A pesquisa conduzida por Luo Yu et al. examinou a influência dos processos de produção na consistência da bateria, com foco particular no impacto dos sistemas de aglutinantes à base de água na fabricação de baterias de íons de lítio. No processo de uso de baterias, Xie Jiao et al. sugerem que métodos de conexão, componentes/dispositivos estruturais, condições operacionais e fatores ambientais têm impacto na consistência da bateria. O consumo de energia em cada ponto de conexão não é consistente, e o desempenho e a taxa de envelhecimento de cada componente ou peça estrutural também são inconsistentes, levando a efeitos variados na bateria. Além disso, como cada célula de bateria individual em uma bateria ocupa uma posição diferente e experimenta temperaturas diferentes, a degradação do desempenho também difere, ampliando ainda mais a inconsistência entre as células da bateria.
2. Métodos para melhorar a consistência da bateria
2.1 Controle do processo produtivo
O controle do processo de produção envolve principalmente dois aspectos: matérias-primas e técnicas de fabricação. Em termos de matérias-primas, são feitos esforços para selecionar materiais do mesmo lote para garantir consistência no tamanho e desempenho das partículas. No processo de produção, é aplicado um controle rigoroso, incluindo garantir a mistura uniforme da pasta e evitar o armazenamento prolongado, controlar a velocidade da máquina de revestimento para garantir a espessura e uniformidade do revestimento, realizar inspeções visuais e classificação de peso das folhas de eletrodo, controlar o volume de injeção e gerenciar as condições de formação, classificação de capacidade e armazenamento.
Por meio de pesquisas sobre as técnicas de preparação de baterias de íons de lítio, Luo Yu identificou os principais processos que afetam significativamente a consistência da bateria, incluindo mistura de materiais, revestimento, calandragem, enrolamento/empilhamento, injeção e formação. Pesquisas e análises aprofundadas foram realizadas sobre a relação entre esses parâmetros-chave do processo e o desempenho da bateria.
2.2 Controlo do processo de agrupamento
O controle do processo de agrupamento de baterias envolve principalmente a classificação das baterias. A bateria usa baterias com as mesmas especificações e modelos, e a tensão, capacidade, resistência interna e outros parâmetros das baterias são medidos para garantir a consistência em seu desempenho inicial.
De acordo com a pesquisa conduzida por Xu Haitao et al., durante o processo de agrupamento de baterias, as diferenças de tensão entre baterias individuais são um fator crucial que afeta a consistência da bateria durante o carregamento e descarregamento, enquanto as diferenças na resistência interna entre baterias individuais resultam em variações significativas de tensão entre elas durante o processo de carga e descarga. Wang Linxia et al. analisaram o impacto do principal fator de influência, DCR, na bateria em baterias de íons de lítio combinadas paralelamente, bem como o impacto do principal fator de influência, capacidade, na bateria em baterias de íons de lítio combinadas em série, fornecendo as diretrizes necessárias para a combinação de baterias. Chen Ping et al. estudaram o efeito da taxa de descarga na consistência do agrupamento de baterias e descobriram que, à medida que a taxa de descarga aumenta, a inconsistência das baterias é amplificada, alcançando o efeito de eliminar baterias defeituosas.
2.3 Controle de processos de uso e manutenção
O monitoramento em tempo real das baterias é essencial. A realização de triagem de consistência durante o agrupamento de baterias garante a consistência inicial no uso da bateria. O monitoramento em tempo real das baterias durante o uso permite a observação de problemas de consistência que possam surgir. No entanto, quando a inconsistência é detectada, o circuito de monitoramento pode desconectar o circuito de carga e descarga, levando à degradação do desempenho. Portanto, deve ser encontrado um equilíbrio entre monitoramento e desempenho. Além disso, o monitoramento em tempo real permite o ajuste ou substituição oportuna de baterias com parâmetros extremos, garantindo que a inconsistência na bateria não seja amplificada com o tempo.
A implementação de um sistema de gerenciamento de balanceamento é crucial. O gerenciamento inteligente de baterias pode ser alcançado por meio de estratégias e circuitos de balanceamento apropriados. As estratégias comuns de balanceamento incluem estratégias baseadas em tensão, estado de carga (SOC) e baseadas em capacidade. Os circuitos de balanceamento podem ser categorizados em circuitos de balanceamento passivo e ativo com base em métodos de consumo de energia. O balanceamento ativo permite um fluxo de energia eficiente entre as baterias e tem sido um foco de pesquisa nacional e internacionalmente. Métodos comuns para balanceamento ativo incluem desvio, capacitor de chave, indutor de comutação e conversão CC/CC.
O gerenciamento térmico das baterias é importante. Além de manter a temperatura de trabalho da bateria dentro de uma faixa ideal, é essencial garantir condições de temperatura consistentes entre as baterias para garantir a consistência do desempenho. A adoção de estratégias de controle apropriadas é crucial. Dentro da faixa de potência de saída permitida, minimizar a profundidade de descarga e evitar sobrecarga pode prolongar o ciclo de vida da bateria. O fortalecimento da manutenção da bateria envolve o carregamento periódico de manutenção de baixa corrente e a garantia da limpeza.
3. Alimente o método de agrupamento da bateria de íons de lítio
3.1 Método de agrupamento de tensão
O método de agrupamento de tensão pode ser dividido em agrupamento de tensão estática e agrupamento de tensão dinâmica. O agrupamento de tensão estática, também conhecido como agrupamento de circuito aberto, é realizado sem carga e considera apenas a própria bateria. Ele mede a taxa de autodescarga da bateria individual selecionada após ser armazenada em um estado totalmente carregado por vários dias e a tensão de circuito aberto da bateria em diferentes períodos de armazenamento em um estado totalmente carregado. Este método é o mais simples de operar, mas não é muito preciso. O agrupamento dinâmico de tensão examina a tensão sob uma carga, mas não leva em consideração fatores como variações de carga, por isso também não é muito preciso.
3.2 Método de agrupamento de capacidade estática
Um método para agrupamento de baterias é carregar e descarregar as baterias sob condições especificadas, calcular sua capacidade com base na corrente de descarga e no tempo de descarga e agrupar as baterias de acordo com sua capacidade. Este método é simples e prático, mas só pode refletir que as baterias têm a mesma capacidade em condições específicas e não representa totalmente as características completas de funcionamento das baterias. Portanto, tem certas limitações.
3.3 Método de agrupamento de resistência interna
A principal consideração é a resistência interna de baterias individuais. Este método permite uma medição rápida. No entanto, como a resistência interna das baterias pode mudar durante o processo de descarga, determinar com precisão a resistência interna apresenta certas dificuldades.
3.4 Método de agrupamento de múltiplos parâmetros
Considerando múltiplas condições externas, como capacidade, resistência interna, tensão, taxa de autodescarga, etc., na avaliação abrangente das baterias, é possível selecionar grupos de baterias com melhor consistência. No entanto, o pré-requisito para este método é que a classificação precisa com base em parâmetros individuais exija muito tempo para ser concluída.
3.5 Método de agrupamento dinâmico de características
O método de agrupamento dinâmico de características envolve o uso das curvas características de carga e descarga das baterias para classificá-las e agrupá-las. As curvas de carga e descarga podem refletir a maioria das características da bateria. Usando o método de agrupamento dinâmico de características, a consistência de vários indicadores de desempenho das baterias pode ser garantida. Este método envolve uma grande quantidade de dados e normalmente é implementado usando programas de computador. No entanto, essa abordagem leva a uma menor utilização das baterias para agrupamento, o que não é propício para reduzir o custo da bateria. Outro desafio na implementação desse método é determinar as curvas padrão ou de referência.
4.Conclusão
(1) As causas da inconsistência da bateria residem principalmente nos aspectos de fabricação e uso das baterias.
(2) As medidas para melhorar a consistência da bateria podem ser divididas em três aspectos principais:
Controle rigoroso do processo produtivo desde matérias-primas e técnicas de fabricação.
Adoção de métodos de classificação mais científicos, selecionando baterias com desempenho inicial consistente para agrupar o máximo possível.
Monitoramento em tempo real das baterias durante o uso, implementação de um sistema de gerenciamento de balanceamento, adoção de estratégias de controle razoáveis, gerenciamento térmico das baterias e fortalecimento da manutenção da bateria.
(3) Quando se trata de agrupamento de baterias, os métodos de agrupamento de parâmetro único têm valor prático limitado devido à consideração de poucos fatores. Os métodos de agrupamento de múltiplos parâmetros e os métodos de agrupamento de características dinâmicas são relativamente abrangentes. Além disso, métodos como a espectroscopia de impedância eletroquímica também fizeram certos progressos.
