朗凯威探秘磷酸铁锂电池组电压不平衡的“前世今生”

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描述

磷酸铁锂电池组

1. 电压不平衡的表现形式

磷酸铁锂电池组电压不平衡在实际使用中有多种具体表现。其中最明显的是单体电池间电压差异明显。在正常工作状态下,单体电池间的电压差应不超过 0.1V。如果超出这个范围,就可能出现电压不平衡的情况。例如,在对电池组进行监测时,会发现部分电池的电压明显高于或低于其他电池。这种电压差异可能会随着使用时间的增加而逐渐扩大。

2. 对电池性能的影响

电压不平衡会对磷酸铁锂电池的性能产生多方面不良影响。首先,对电池循环寿命有显著影响。电池充放电效率受到电压差的影响,当单体电池的电压差过大时,某些电池可能会面临过度充电或放电的情况。这两种情况都会加速电池的老化,从而显著降低其循环寿命。正常情况下,磷酸铁锂电池能够实现超过 2000 次充放电循环,但如果电压不平衡问题严重,循环寿命可能会大幅缩短。

其次,电压不平衡会影响能量利用率。在电池组中,各个单体电池的电压差会影响到整个系统的能量利用效率。当电压差增大时,部分电池可能无法正常提供能量,从而导致整体效率降低,进而影响设备的性能。

3. 安全风险

电压不平衡可能引发严重的安全隐患。当电压差过大时,可能导致一些电池单体产生异常发热。如果这种情况持续发展,甚至可能引发热失控和爆炸等危险情况。特别是在高负荷或高温环境下,这种安全风险更加突出。因此,保持电池组内部单体电池的电压平衡至关重要。例如,在一些实际案例中,由于没有及时处理电压不平衡问题,导致电池组在使用过程中发生过热甚至起火,给使用者带来了巨大的损失。

二、磷酸铁锂电池组电压不平衡原因

磷酸铁锂电池组

1. 电极反应速率差异

磷酸铁锂电池的正负极材料在反应速率上存在差异。正极反应速率较快,而负极反应速率较慢。在电池充放电过程中,这种反应速率的不同会导致电池内部正负极之间的电压不平衡。例如,当电池充电时,正极材料迅速接收电子,而负极材料的反应相对滞后,使得正负极之间的电势差逐渐增大。随着使用时间的增加,这种差异会不断累积,最终导致电池组电压不平衡。

2. 电解液浓度差异

电池内部电解液的浓度分布不均匀是造成压差的重要原因之一。电极附近的电解液浓度较高,而远离电极的区域浓度较低。这是因为在充放电过程中,离子在电解液中的迁移速度有限,无法保证电解液浓度的均匀分布。这种浓度差异会影响离子的传输速率,进而造成电极之间的电压差。例如,浓度高的区域离子传输速度快,电极反应相对活跃,电压较高;而浓度低的区域则相反,电压较低。

3. 电池内部电阻差异

电池内部的接触电阻和内部电阻等因素会导致电场分布不均匀,从而引发压差问题。内部电阻的存在使得电流在电池内部流动时会产生能量损耗,导致不同位置的电压不同。例如,电阻较大的区域电流通过时会产生较大的压降,使得该区域的电压相对较低;而电阻较小的区域电压则相对较高。这种不均匀的电场分布会随着使用时间的增加而加剧,进一步增大压差。

4. 电池老化

随着使用时间的增加,电池老化过程会对压差产生显著影响。电池内部的电解液会发生变化,如水分的挥发、电解质的分解等,这些变化会影响离子的传输速率和电极反应。同时,正极材料的结晶也会导致电池内部压力增大,进而影响电池的性能。例如,老化的电池在充放电过程中,由于电解液的变化和正极材料的结晶,会使得电池的内阻增大,电压下降速度加快,从而加剧压差问题。

5. 电池不均衡

单体电池之间的电压不均匀是压差增大的重要原因。在电池组中,由于各个单体电池的生产工艺、使用环境等因素的不同,其性能会存在一定的差异。例如,一些单体电池可能在生产过程中存在微小的缺陷,导致其容量、内阻等参数与其他电池不同。在使用过程中,这些差异会逐渐放大,使得单体电池之间的电压不均匀,进而导致整个电池组的压差增大。

三、磷酸铁锂电池组如何检测电压不平衡

磷酸铁锂电池组

1. 电压不一致检测方法

在检测磷酸铁锂电池组的电压不一致性时,可以采用以下方法。在化成后,让电池经历同样的充放电过程,然后静置足够时间,并确保在同样的环境温度下,将待评价电芯充电到相同的 SOC。此时测量其开路电压,所体现出来的电压差距,就是单体电芯的电压不一致性。有研究表明,单体电芯的开路电压符合正态分布,这意味着我们所有提高一致性的努力,只能改变参数的集中度。

2. 内阻不一致检测方法

电芯内阻是电芯功率特性的重要表征,也是电芯成组后,电芯性能参数进一步离散化的原因之一。内阻不一致可以造成温升不一致,进而引发其他参数进一步离散化。通过检测电芯内阻,可以分析其对温升及其他参数离散化的影响,从而判断电池组的一致性。例如,当内阻较大时,电流通过会产生较大的压降,导致该区域的温度升高,与其他区域形成差异。

3. 容量不一致检测方法

容量一般都会作为电芯分组的初选内容,是电芯不一致最重要的参数表现。按照目前的寿命衡量标准,可用容量和寿命紧密联系在一起。造成容量不一致的原因很多,且多数都是制造过程的不一致的结果。可以通过对电池进行充放电测试,记录不同电芯的容量变化,来检测容量不一致性。

4. 温升不一致检测方法

每只电芯内部电化学物质制造过程对发热量有影响,同时,每一只电芯在锂离子电池组中所处位置不同,造成其散热条件的差异,最终也会导致电芯温升不一致。例如,内阻较大的电芯发热量大,而处于散热不良位置的电芯温度也会较高。可以通过温度传感器监测每只电芯的温度变化,来检测温升不一致性。

四、磷酸铁锂电池组电压不平衡解决方法

磷酸铁锂电池组

1. 容量不足单体的处理

对于放电电压低的单体,可进行单独容量测试。如果容量正常,无需更换。可以使用保护板有均衡电路的方法,采取浅放勤充的策略。保护板的均衡电路虽然均衡速度较慢,但多进行几次充电放电过程,看看能否使电压达到一致。例如,在实际操作中,可以先将电池充满电,然后进行小电流放电,重复这个过程,有助于提高电池的一致性。

2. 并联处理

单元电压低的和电压高的可以进行并联处理。这种方法可以在一定程度上解决电压不平衡的问题。例如,可以按照以下步骤进行操作:首先,确定电压低和电压高的单体电池,然后将它们通过合适的连接方式进行并联。在并联过程中,要注意连接的稳定性和安全性,避免出现短路等问题。并联后,电压高的电池会向电压低的电池放电,强制实现均衡。但如果并联后仍然不能达到一致,可能是电池的内阻已经增大,需要考虑更换电池。

3. 充电器调整

合理选择充电器对于解决磷酸铁锂电池组电压不平衡问题非常重要。例如,可以使用 3.65 的充电器。在整组电池充满后,测量单体电压落后的电池,对其进行补充电,将落后的电池全部补满。待电量用完后,再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后,再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大,还是及早更换为好。此外,为了提高充电效果,可以选择原厂的专用充电器,避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时,要注意充电环境的温度,避免在过高温度下充电,以免影响电池性能。

五、磷酸铁锂电池组的维护与电压平衡

磷酸铁锂电池组

1. 安装注意事项

在安装磷酸铁锂电池组时,有以下几个重要事项需要注意。首先,安装前必须测量开路电压,开路电压差不能大于 50mV,并做好电池测试记录。这是因为如果开路电压差异过大,可能会导致电池组在使用过程中出现电压不平衡的问题。其次,由于磷酸铁锂电池组在出厂时一般是 60% 左右的荷电量,且如果安装日期距出厂日期时间较远,电池组经过长期自放电,容量会有损失。所以,安装初始时应对锂电池组进行补充电。此外,用假负载可以对电池组按 0.1C10 (A) 和 0.2C5 (A) 小时率进行容量试验,放电过程中必须严格检测电池单体电压,确保电池性能符合要求。

2. 工作环境要求

磷酸铁锂电池组的运行环境对其性能和寿命有着重要影响。室温温度不宜超过 55℃,建议环境温度保持在 0℃~55℃之间。这是因为过高的温度会加速电池老化,降低电池性能,甚至可能引发安全问题。同时,要避免阳光对电池直射,朝阳窗户应作遮阳处理,防止电池因过热而受损。此外,还应确保锂电池组之间预留足够的维护空间,以便在需要时进行检查和维护。

3. 使用注意事项

在使用磷酸铁锂电池组时,不同规格、不同型号的电池禁止在同一直流供电系统中使用,新旧程度不同的蓄电池也不应在同一直流供电系统中混用。如果具备动力及环境集中监控系统,应通过该系统与电池管理系统(BMS)实时对电池组的总电压、电流、单体模块电压、温度、容量进行监测。同时,通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能,定期进行实际测量,发现故障及时处理。

4. 经常检查项目

应经常检查磷酸铁锂电池的极柱、连接条是否松动,是否有损伤、变形或腐蚀等现象。连接处有无松动,电池壳体有无损伤、渗漏和变形,电池及连接处温升是否异常。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,检查电池组及单体模块电压是否满足要求,检测电池组间歇浮充时的充电电流是否在要求的范围内。检测电池组的充电限流值设置是否正确,俭测电池组的低压告警和高压告警设置是否正确。

5. 充电和浮充电压要求

磷酸铁锂电池组间歇式充电压一般设置为单体电池 3.60~3.76V,高压直流输出电压为 278V。每月应测量电池组电压和单体电池的端电压与电池监控显示对比,发现问题及时处理。同时,要合理选择充电器,如使用 3.65 的充电器,在整组电池充满后,测量单体电压落后的电池,对其进行补充电,将落后的电池全部补满。待电量用完后,再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后,再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大,还是及早更换为好。此外,为了提高充电效果,可以选择原厂的专用充电器,避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时,要注意充电环境的温度,避免在过高温度下充电,以免影响电池性能。

磷酸铁锂电池组

1. 电压不平衡的表现形式

磷酸铁锂电池组电压不平衡在实际使用中有多种具体表现。其中最明显的是单体电池间电压差异明显。在正常工作状态下,单体电池间的电压差应不超过 0.1V。如果超出这个范围,就可能出现电压不平衡的情况。例如,在对电池组进行监测时,会发现部分电池的电压明显高于或低于其他电池。这种电压差异可能会随着使用时间的增加而逐渐扩大。

2. 对电池性能的影响

电压不平衡会对磷酸铁锂电池的性能产生多方面不良影响。首先,对电池循环寿命有显著影响。电池充放电效率受到电压差的影响,当单体电池的电压差过大时,某些电池可能会面临过度充电或放电的情况。这两种情况都会加速电池的老化,从而显著降低其循环寿命。正常情况下,磷酸铁锂电池能够实现超过 2000 次充放电循环,但如果电压不平衡问题严重,循环寿命可能会大幅缩短。

其次,电压不平衡会影响能量利用率。在电池组中,各个单体电池的电压差会影响到整个系统的能量利用效率。当电压差增大时,部分电池可能无法正常提供能量,从而导致整体效率降低,进而影响设备的性能。

3. 安全风险

电压不平衡可能引发严重的安全隐患。当电压差过大时,可能导致一些电池单体产生异常发热。如果这种情况持续发展,甚至可能引发热失控和爆炸等危险情况。特别是在高负荷或高温环境下,这种安全风险更加突出。因此,保持电池组内部单体电池的电压平衡至关重要。例如,在一些实际案例中,由于没有及时处理电压不平衡问题,导致电池组在使用过程中发生过热甚至起火,给使用者带来了巨大的损失。

二、磷酸铁锂电池组电压不平衡原因

磷酸铁锂电池组

1. 电极反应速率差异

磷酸铁锂电池的正负极材料在反应速率上存在差异。正极反应速率较快,而负极反应速率较慢。在电池充放电过程中,这种反应速率的不同会导致电池内部正负极之间的电压不平衡。例如,当电池充电时,正极材料迅速接收电子,而负极材料的反应相对滞后,使得正负极之间的电势差逐渐增大。随着使用时间的增加,这种差异会不断累积,最终导致电池组电压不平衡。

2. 电解液浓度差异

电池内部电解液的浓度分布不均匀是造成压差的重要原因之一。电极附近的电解液浓度较高,而远离电极的区域浓度较低。这是因为在充放电过程中,离子在电解液中的迁移速度有限,无法保证电解液浓度的均匀分布。这种浓度差异会影响离子的传输速率,进而造成电极之间的电压差。例如,浓度高的区域离子传输速度快,电极反应相对活跃,电压较高;而浓度低的区域则相反,电压较低。

3. 电池内部电阻差异

电池内部的接触电阻和内部电阻等因素会导致电场分布不均匀,从而引发压差问题。内部电阻的存在使得电流在电池内部流动时会产生能量损耗,导致不同位置的电压不同。例如,电阻较大的区域电流通过时会产生较大的压降,使得该区域的电压相对较低;而电阻较小的区域电压则相对较高。这种不均匀的电场分布会随着使用时间的增加而加剧,进一步增大压差。

4. 电池老化

随着使用时间的增加,电池老化过程会对压差产生显著影响。电池内部的电解液会发生变化,如水分的挥发、电解质的分解等,这些变化会影响离子的传输速率和电极反应。同时,正极材料的结晶也会导致电池内部压力增大,进而影响电池的性能。例如,老化的电池在充放电过程中,由于电解液的变化和正极材料的结晶,会使得电池的内阻增大,电压下降速度加快,从而加剧压差问题。

5. 电池不均衡

单体电池之间的电压不均匀是压差增大的重要原因。在电池组中,由于各个单体电池的生产工艺、使用环境等因素的不同,其性能会存在一定的差异。例如,一些单体电池可能在生产过程中存在微小的缺陷,导致其容量、内阻等参数与其他电池不同。在使用过程中,这些差异会逐渐放大,使得单体电池之间的电压不均匀,进而导致整个电池组的压差增大。

三、磷酸铁锂电池组如何检测电压不平衡

磷酸铁锂电池组

1. 电压不一致检测方法

在检测磷酸铁锂电池组的电压不一致性时,可以采用以下方法。在化成后,让电池经历同样的充放电过程,然后静置足够时间,并确保在同样的环境温度下,将待评价电芯充电到相同的 SOC。此时测量其开路电压,所体现出来的电压差距,就是单体电芯的电压不一致性。有研究表明,单体电芯的开路电压符合正态分布,这意味着我们所有提高一致性的努力,只能改变参数的集中度。

2. 内阻不一致检测方法

电芯内阻是电芯功率特性的重要表征,也是电芯成组后,电芯性能参数进一步离散化的原因之一。内阻不一致可以造成温升不一致,进而引发其他参数进一步离散化。通过检测电芯内阻,可以分析其对温升及其他参数离散化的影响,从而判断电池组的一致性。例如,当内阻较大时,电流通过会产生较大的压降,导致该区域的温度升高,与其他区域形成差异。

3. 容量不一致检测方法

容量一般都会作为电芯分组的初选内容,是电芯不一致最重要的参数表现。按照目前的寿命衡量标准,可用容量和寿命紧密联系在一起。造成容量不一致的原因很多,且多数都是制造过程的不一致的结果。可以通过对电池进行充放电测试,记录不同电芯的容量变化,来检测容量不一致性。

4. 温升不一致检测方法

每只电芯内部电化学物质制造过程对发热量有影响,同时,每一只电芯在锂离子电池组中所处位置不同,造成其散热条件的差异,最终也会导致电芯温升不一致。例如,内阻较大的电芯发热量大,而处于散热不良位置的电芯温度也会较高。可以通过温度传感器监测每只电芯的温度变化,来检测温升不一致性。

四、磷酸铁锂电池组电压不平衡解决方法

磷酸铁锂电池组

1. 容量不足单体的处理

对于放电电压低的单体,可进行单独容量测试。如果容量正常,无需更换。可以使用保护板有均衡电路的方法,采取浅放勤充的策略。保护板的均衡电路虽然均衡速度较慢,但多进行几次充电放电过程,看看能否使电压达到一致。例如,在实际操作中,可以先将电池充满电,然后进行小电流放电,重复这个过程,有助于提高电池的一致性。

2. 并联处理

单元电压低的和电压高的可以进行并联处理。这种方法可以在一定程度上解决电压不平衡的问题。例如,可以按照以下步骤进行操作:首先,确定电压低和电压高的单体电池,然后将它们通过合适的连接方式进行并联。在并联过程中,要注意连接的稳定性和安全性,避免出现短路等问题。并联后,电压高的电池会向电压低的电池放电,强制实现均衡。但如果并联后仍然不能达到一致,可能是电池的内阻已经增大,需要考虑更换电池。

3. 充电器调整

合理选择充电器对于解决磷酸铁锂电池组电压不平衡问题非常重要。例如,可以使用 3.65 的充电器。在整组电池充满后,测量单体电压落后的电池,对其进行补充电,将落后的电池全部补满。待电量用完后,再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后,再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大,还是及早更换为好。此外,为了提高充电效果,可以选择原厂的专用充电器,避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时,要注意充电环境的温度,避免在过高温度下充电,以免影响电池性能。

五、磷酸铁锂电池组的维护与电压平衡

磷酸铁锂电池组

1. 安装注意事项

在安装磷酸铁锂电池组时,有以下几个重要事项需要注意。首先,安装前必须测量开路电压,开路电压差不能大于 50mV,并做好电池测试记录。这是因为如果开路电压差异过大,可能会导致电池组在使用过程中出现电压不平衡的问题。其次,由于磷酸铁锂电池组在出厂时一般是 60% 左右的荷电量,且如果安装日期距出厂日期时间较远,电池组经过长期自放电,容量会有损失。所以,安装初始时应对锂电池组进行补充电。此外,用假负载可以对电池组按 0.1C10 (A) 和 0.2C5 (A) 小时率进行容量试验,放电过程中必须严格检测电池单体电压,确保电池性能符合要求。

2. 工作环境要求

磷酸铁锂电池组的运行环境对其性能和寿命有着重要影响。室温温度不宜超过 55℃,建议环境温度保持在 0℃~55℃之间。这是因为过高的温度会加速电池老化,降低电池性能,甚至可能引发安全问题。同时,要避免阳光对电池直射,朝阳窗户应作遮阳处理,防止电池因过热而受损。此外,还应确保锂电池组之间预留足够的维护空间,以便在需要时进行检查和维护。

3. 使用注意事项

在使用磷酸铁锂电池组时,不同规格、不同型号的电池禁止在同一直流供电系统中使用,新旧程度不同的蓄电池也不应在同一直流供电系统中混用。如果具备动力及环境集中监控系统,应通过该系统与电池管理系统(BMS)实时对电池组的总电压、电流、单体模块电压、温度、容量进行监测。同时,通过电池监测装置了解电池充放电曲线及性能,定期进行实际测量,发现故障及时处理。

4. 经常检查项目

应经常检查磷酸铁锂电池的极柱、连接条是否松动,是否有损伤、变形或腐蚀等现象。连接处有无松动,电池壳体有无损伤、渗漏和变形,电池及连接处温升是否异常。根据厂家提供的技术参数和现场环境条件,检查电池组及单体模块电压是否满足要求,检测电池组间歇浮充时的充电电流是否在要求的范围内。检测电池组的充电限流值设置是否正确,俭测电池组的低压告警和高压告警设置是否正确。

5. 充电和浮充电压要求

磷酸铁锂电池组间歇式充电压一般设置为单体电池 3.60~3.76V,高压直流输出电压为 278V。每月应测量电池组电压和单体电池的端电压与电池监控显示对比,发现问题及时处理。同时,要合理选择充电器,如使用 3.65 的充电器,在整组电池充满后,测量单体电压落后的电池,对其进行补充电,将落后的电池全部补满。待电量用完后,再整组充满并补充落后的单体。如此循环几次后,再使用保护板进行均衡。如果单体差异太大,还是及早更换为好。此外,为了提高充电效果,可以选择原厂的专用充电器,避免使用劣质充电器对电池造成损害。同时,要注意充电环境的温度,避免在过高温度下充电,以免影响电池性能。

朗凯威 www.langkawipower.com

时间 2024/1½9

审核编辑 黄宇

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