[电池系统]

防热失控的电池组形式

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张卍|  楼主 | 2022-1-21 11:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 张卍 于 2022-1-21 11:27 编辑

另类的电池组组装方式
-----------尤其适合换电模式,以及电池组的梯次利用

我们知道,目前的新能源汽车的电池组是有多个电芯组成的,一般先并联后串联。如特斯拉的model s电池包采用的是三元电芯(每串3.6v),也就是说,其总串数为345/3.6≈96(串)。换句话说,其电池包里面一共采集了96个电芯电压,实际电池组内部电芯数量有几千颗,随着大单体电芯使用的增多,并联的数量也在减少,出现并联几颗的,但是由于并联电压电压相等,无论并联多少颗,目前很难单独检测出每一颗电芯的电压和状态,参见**http://m.cbea.com/xyrd/202001/179393.html。
问题来了,热失控都是从单颗不良电芯开始,并进一步蔓延到周围电芯的,而单颗不良电芯也是逐步劣化的,劣化的电芯会因热失控临界温度降低变得更危险,如果能检测到每一个电芯的状态,就能防范于未然,那么若干颗并联在一起的电芯有一颗严重劣化,容量接近0了,怎样检测出来?若干颗并联在一起的电芯有一颗自放电不断增加越来越危险,怎样检测出来并进行维护处理或警告?目前没有好的办法,测量每一颗电芯的电流显然成本不可接受。
这里想谈谈一种另类的电池组组装方式,优点是可以检测出每一颗电芯的状态,并能将劣化较快、不健康的电芯从电池组中剔除,从而可以达到对电池组“治未病”的效果,大幅减少热失控起火事故。


组装方式如下图:
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.jpg

图中是8并8串的电池组,由BMS管理,左边是负载,这个电池组的关键点是电芯不是直接并联,而是先串联2节,再并联形成电池组,充电时策略是BMS确保每一节电芯的电压不超过4.2伏,放电时策略是BMS确保每两节串联不超过6.5伏,这种策略保证了无论电芯之间差距有多大,最低电压>6.5-4.2=2.3v,不会产生严重过放。
优点如下:
1.  可记录每一节电芯的状态,特别适合电池组的梯次利用
因为电芯组装时都是先串联2节,因而每一节电芯的电压都是独立的,因此BMS可以简单的测试出每一节电芯的电压,结合充放电状态、电流,可以推算出电芯的各种参数,如果能记录在BMS中,将为电池组的梯次利用提供第一手资料,甚至可以不做测试,直接按照BMS的资料将电池组衰退至80%的电池组投入二次使用。
2.  可以隔断不良电芯,大幅延长电池组的使用寿命
比如发现电芯2的内阻过大,只需将电芯2与电芯6之间的电连接切断,电芯2与电芯6就成为单极与电池组电连接的单颗电芯,实际上隔断了不良电芯2,6与电池组的电连接,不良电芯2,6成为空挂电芯,因此电池组是可维护的,特别适合有维护条件的的换电站。
实际上,内阻大、自放电大、容量下降的电芯都可以简单识别,方法就是测电压与串联的另一个电芯比较,因此本方法“治未病”的效果还是很显著的,能大大减少热失控的发生。
3.  放电不受不良电芯影响,比如电芯2容量下降报废,我们放电时策略是BMS保证电芯2与电芯6两端的电压不低于6.5伏,显然电芯2的电压不会低于6.5-4.2=2.3伏,而其他健康电芯可以放电完毕至6.5/2=3.75v,而且由于电芯2是报废电芯,可不考虑2.3伏对其寿命的伤害。
4.  特别适合换电站模式使用。上面讲述了电池组可维护,将不断劣化的电芯去除,一般来讲,任何一个系统都是早期故障多,晚期故障多,中期相对稳定,也就是说一个电池组经过一个短暂使用后去除劣化较快的电芯后,将会进入稳定期,这意味着我们可以使用次一等的电芯,并经早期使用再经维护,使得进入稳定期的电池组的稳定性不输使用优质电芯的电池组,电池组生产成本会降低。维护工作一般来讲最好有专业人士在换电站操作,所以特别适合换电站模式,将降低换电站周转电池组的生产成本。
现有技术的汽车电池组都是一锤子买卖,组装好的电池组在整个n年使用周期中不能有一颗电芯损坏短路,哪怕仅有一颗电芯损坏短路,轻则电池组报废,重则热失控起火,因此目前汽车电池组对电芯的质量要求很苛刻,现有模式下电池组成本较高。
5.特别适合储能站使用。一般来讲储能站的容量远大于汽车,正常都是库房里面搭建电池塔、电池架,容量大意味着一旦有电芯损坏,由于并联电芯较多往往后果严重,从目前实例来看,储能站一旦热失控,后果不是起火而是爆炸!此时“治未病”的需求显得格外迫切,巧合的是储能站一般空间较大,可以留下维护电池组的操作空间,非常适合使用本专利维护、切断单个电芯,从而增加储能站的安全性。

缺点是:
1.   检测线较多,bms负担较重,如果像特斯拉电池组那样几千节电芯,BMS可能难以承担,但是国内使用大单体电芯的电池组越来越多了,电芯数量大为减少,另一方面BMS功能也越来越强了,无线BMS也见到宣传,BMS将来应该能够承担。即使BMS承担不了每颗电芯,也可以分步走,比如原来12并,先改成6并2组,BMS进步了再4并3组,最终12颗全部单独检测,原则就是把BMS检测能力用足,只要并联电芯数量减少,安全性都在提高。
2.   因充电策略是BMS确保每一节电芯的电压不超过4.2伏,所以当电芯之间出现不均衡,需要进行均衡的电芯数量多,均衡电路比较庞大、复杂,所以特别适合换电模式,因为换电站可以配置有复杂均衡电路的充电装置,如果自己家庭充电,可能需要定期(一个月至半年)去充电站均衡充电。当然换电站如有维护功能,可在均衡的同时进行电池组维护,去除不良电芯,提高电池组的稳定性、安全性。

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