串聯(lián)電池組的固有問題

發(fā)布時間:2023-08-25
當串聯(lián)電池組中電池單元數(shù)量增加到數(shù)十至上百個時,串聯(lián)電池組的一個問題變得突出起來,這就是電池單元平衡問題。
雖然鋰離子蓄電池為工業(yè)化大量生產(chǎn)的產(chǎn)品,但是,在現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境下,所有的電池單元不可能都具有相同的質(zhì)量。比如,在制造過程中,電池單元的電極卷繞時的張力的變化,就會影響電池單元的劣化速度。另一方面,也不能要求在使用時,所有的電池組的使用環(huán)境完全相同。在使用過程中,離熱源近的電池單元劣化較快,反之離熱源遠的電池單元劣化較慢。
由此而產(chǎn)生的問題是,電池組中的各單元隨著使用時間的變化其劣化速度不同,導致電池單元的容量出現(xiàn)偏差。
電池組的總體性能也遵循著“木桶原則(短板原則)”,即木桶的容量取決于構(gòu)成木桶的所有木板中最短的那一塊,電池組的容量也取決于容量最小的那個電池單元。蓄電池在充電過程中,一旦電池單元中的某一個達到了充滿電的狀態(tài)之后,充電器就會停止充電。電池組的放電過程也是這樣:當某個電池單元放電結(jié)束,則整個電池組也會停止放電。其結(jié)果,就是整個電池組充電容量下降,無法充分發(fā)揮電池的能力。
我們以一個由3只電池單元組成的電池組為例:假如其中一只電池單元的劣化較快。當這個電池組放電時,劣化較快的電池單元將會比其它兩只電池單元先結(jié)束放電。如繼續(xù)放電,該電池單元則處于過度放電狀態(tài)。鋰離子蓄電池在處于過度放電狀態(tài)時,會產(chǎn)生冒煙和著火的可能性。為防止事故的發(fā)生,這時只能停止放電,也就是說,剩余的兩只電池單元中殘留的電能無法使用。
反之,當該電池組開始充電時,劣化較慢的兩只電池單元先充滿電;而劣化較快的電池單元這時并沒有充滿電。此時,如果以劣化較快的電池單元為準繼續(xù)充電,則已充滿電的兩只劣化較慢的電池單元處于過度充電狀態(tài)。過度充電同樣會導致電池的燃燒、爆炸危險的發(fā)生。同樣,為防止事故的發(fā)生,該電池組在劣化較快的電池單元沒有充滿電的狀態(tài)下,就會結(jié)束充電。
研究表明,對于鋰離子蓄電池來說,電池充滿電時其正極的材料組成是脫鋰態(tài)的鈷酸鋰(li0.5coo2),負極是嵌鋰碳(lic6)。鈷酸鋰在高溫下會發(fā)生分解反應釋放氧氣,而嵌鋰碳的化學反應活性基本上與金屬鋰相近。所以如果發(fā)生燃燒,那基本上就相當于金屬鋰在富氧環(huán)境中燃燒一樣了!這是一件很可怕的事情。
綜上所述,當電池單元的劣化狀態(tài)出現(xiàn)偏差時,充電時和放電時都無法發(fā)揮電池組的最大能力,甚至引起事故。從小的地方說,經(jīng)??吹绞謾C在充電時發(fā)生爆炸事故的新聞;從大的地方講,被稱為“夢想客機”的波音787在出廠投入航線不長時間就不斷出現(xiàn)故障,而其中有些故障有可能就是因為飛機使用的鋰離子蓄電池的電池單元平衡出了問題。據(jù)2015年5月初的報道,因波音787可能在電力供應方面存在缺陷,美國聯(lián)邦航空局下達一項臨時指令,要求航空運營商對波音787客機進行“反復性的維護任務”。具體原因目前還不清楚,但從波音787鋰離子蓄電池出問題的歷史看,恐怕這次也是出自電池身上。
所以,通過電池監(jiān)視ic隨時監(jiān)視串聯(lián)電池組中各電池單元的工作狀態(tài)就成為必要。
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