三元动力电池单体一致性控制及评测技术-卡耐

张海林2016.4.15三元动力电池单体一致性控制及评测技术一.单体电池一致性的概念二.单体电池一致性对成组的影响三.影响单体电池一致性的因素四.对关键参数的控制和评测技术目录电池一致性定义电池在有能量或无能量输入输出的情况下，各单体电池参数（电压、荷电状态、热参数、容量、自放电率、充放电效率、内阻等以及上述参数随时间的变化率和稳定状况）的相同程度称为电池的一致性。由于电池制造原材料、生产零部件、制作工艺、生产环境以及使用环境的差别，电池的一致性是一直存在的一个问题。电池一致性一.单体电池一致性的概念Page14容量一致性（不同温度、倍率）电阻一致性（不同温度、电流）电压一致性（不同温度、电流）尺寸一致性（软包）自放电一致性（不同温度计荷电态）单体一致性电池单体一致性单体一致性主要由参数的①静态一致性②动态一致性③趋势一致性组成一.单体电池一致性的概念成组一致性1.高容量电池还处于浅放电时，容量低的已深放电；容量高的深放电时，容量低的已无电可放，成为负载。2.容量不同的电池最适合的放电倍率有差。3.容量低的电池提前充满，继续充电过充。容量1.对于串联：放电过程中，串联中电流相同内阻大的电池，电压降大，能量损耗大，产生的热量大，热量大电池的温升增高，长期下来内阻进一步变大，电池恶性循环。2.对于并联，影响分流的大小。电流大的电池，电压会提前到达限制电压，影响整体系统容量发挥。电压一致性主要影响并联电池组中电池的互充电，当一节电池电压过低时，并联中的其它电池给该节电池充电，损耗整个电池组的能量。随着电池组不与外电路连接时间的增大，自放电大的电池容量损失大，电压下降变大，增大了电池组中电池的不一致，将促进产生容量不一致，电压不一致和内阻不一致。甚至可能产生过放电或安全隐患。单电芯一致性对成组的影响电压内阻自放电二.单体电池一致性对成组的影响溶剂的纯度材料的粒径分布，杂质含量材料的稳定性-物质的纯度-界面的均匀性-壳体材料的缺陷-电解液杂质含量-电解液稳定性-最适宜使用的时间周期溶剂的稳定性-隔膜参数分布均匀性-静电、杂质的吸附-容易吸水的陶瓷涂层活性物质其它溶剂隔膜电解液材料体系原材料对一致性的影响原材料的控制•供应商的管控体系•电池厂的检验体系三.影响单体电池一致性的因素•标准法规•材料选型•电芯设计•技术路线•工艺路线电芯设计电极工程组立工程化成工程配组工程设计&生产环节对一致性的影响•电芯水平•配组标准•设备水平•温度控制•环境控制•设备水平•作业工艺•湿度控制•温度控制•异物控制•设备水平•作业工艺•湿度控制•温度控制•异物控制•设备水平•作业工艺•湿度控制•温度控制•异物控制三.影响单体电池一致性的因素浆料的一致性•浆料的分散效果（粘度、固含量、细度等）•浆料的稳定状况（时间窗口下的稳定性）电极的一致性组装化成流程的一致性•涂工质量分布均匀性（面密度、厚度等）•点、线、面缺陷的分布（影响容量及安全）•组装流程的一致性（如隔膜张力、电解液分布等）•化成流程的一致性（电流、电压、温度一致性）示例1：对容量一致性的影响三.影响单体电池一致性的因素三.影响单体电池一致性的因素示例2：电极水分含量对一致性的影响05010015020025030004008001200160020002400Charge:CC/CV1C/4.2V/2.5hDischage:CC1C3VCut-offTestedatroomtemperatureABCCapacity/mAhCycle040080012001600200024002.42.62.83.03.23.43.63.8Charge:CC/CV1C/4.2V/2.5hDischage:CC1C2.5VCut-offABCVoltage/VCapacity/mAh0102030405060020406080100120ABCTemperature/0CTime/min四.对关键参数的控制和评测技术原材料管控设计的管控工艺的管控配组参数管控单体电池分选制度电池管理系统维护数据模型维护方法维护制度风险管理数据模型分选方法分选制度配组制度数据模型均衡管理寿命管理风险管理电池组一致性的控制路径原材料管控•需要客户公司和关键原材料供应商之间建立起一种伙伴关系。•双反共同改进质量、费用和周期时间。•结合相关的国标，行标制定本公司的来料检验基准。•检验基准需双方互认，并实现标准化。•检验设备的能力和精度满足要求。•精良的检验人员。•检验环境•质量管理的八项原则：以顾客为中心、领导的作用、全员参与、过程方法、系统管理、持续改进、以事实为基础、以及互利的供方关系。•合作伙伴•检验基准•检验能力•质量方法四.对关键参数的控制和评测技术•除主辅料到厂检验外，材料的存贮、领用、使用也需要注意：•标准化的存储条件（温湿度和时间要求）•批次领料的严格区分及可追溯性电池设计的管控四.对关键参数的控制和评测技术电池一致性与电池的安全特性密切相关，在一定条件下，拓宽电池的安全窗口。CENAT的电池技术对应1浆料加工技术2硬碳应用技术3层叠设计技术4动态配组技术项目硬炭软炭石墨构造炭化温度1000-1500℃1000-2000℃2500-3000℃层间隔0.37-0.38nm0.34-0.35nm0.33-0.34nm膨胀性小中大耐久性高中中Li嵌脱易中难提升滥用下（过充，过放，大电流等）安全性示例：硬碳的应用四.对关键参数的控制和评测技术电池工艺的管控Β射线监控涂工增重量的原理图四.对关键参数的控制和评测技术四.对关键参数的控制和评测技术关键指标管控-直流内阻锂离子电池内部表现为非线性特性，其等效模型主要由阳极内阻、阴极内阻、阳极电容、阴极电容、欧姆内阻和一个理想等效电压源组成。为了便于工程计算，该模型可以等效为极化内阻、欧姆内阻、分布电容和理想电压源。其中极化内阻和分布电容反映的是锂离子电池动态特性。欧姆内阻则是反映电池静态性能。通过对这些数据的掌握，便可较为精确地估算出SOC和SOH等参数。电池一致性评估的重点是①不同SOC以及不同温度下的直流内阻测评。②电芯温度分布曲线（可间接估出）。美国FreedomCAR日本JEVSD713“863”电动汽车专项直流内阻测试方法时间持续10S放电电流5C或更高充电为放电的75%具体电流根据电池特性决定直流内阻的测量-方法测试原理是通过对电池或电池组施加较大的电流，持续较短时间，在电池内部还没有达到安全极化的情况下，根据施加电流前后电压变化及电流计算的阻值。首先建立0-100%SOC电流-电压特性曲线，分别以1C2C，5C，10C对设定SOC下的电池进行充放电，充电时间为10S时间持续5S放电电流9C充电为放电的3C数据应用性较高四.对关键参数的控制和评测技术直流内阻的测试-SOC影响充电测试放电测试从测试数据看，电池在20-80%SOC下电池的直流内阻数据变化较为平稳。*数据来源徐辉等，电动自行车用LiFePO4/C锂离子电池直流内阻测试研究，电动自行车2012（7）四.对关键参数的控制和评测技术直流内阻的测试-温度影响充电测试放电测试从测试数据看，电池在低温情况下下电池的直流内阻数据急剧增加。*数据来源林春景等，不同温度下磷酸铁锂电池内阻特性实验研究，电源技术，2015（1）四.对关键参数的控制和评测技术四.对关键参数的控制和评测技术温场不一致，一致性很好的单体电池也会变得不一致。除了直流内阻评测外，电池系统一致性设计和评测还包括：①单体电池温度分布特性②极耳温度分布特性③接触点及连接热分布特性④模组效率损耗考虑到电芯各特性受温度影响非常大，因此需对Pack各部分的温度是可控和均匀分布的。总结：单体动力电池一致性的工作核心为直流内阻，自放电和温场数据库的建立，为Pack设计提供充足的数据资源。动力锂离子电池配组方法四.对关键参数的控制和评测技术结论央视纪录片《复活的军团》里面提到的一个细节，统一中国的秦军所用弓箭武器，具有高度的一致性。