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电池包常见异常:电测“充高放低”

       电池包是由多支电芯经过并联与串联后制成的,放电能量与压差是衡量电池包性能的重要标准。在电性能测试后,部分电池包会出现放电能量不合格的问题,而单串电芯“充高放低”是导致该问题常见的原因之一,本文结合PACK工艺,对该问题进行详细介绍。
 
       什么是“充高放低”?
 
       在电池包充放电时,为防止出现单体电芯的过充与过放,BMS会根据设定的保护电压值各串电芯进行电压保护。在充电过程中,当电池包中存在单串的电芯率先达到电压保护上限时(磷酸铁锂电芯通常为3.65V),BMS即切断电流,电池包结束充电,率先达到电压保护上限的那一串即为“充高”;同理,在放电过程中,当电池包中存在单串的电芯率先达到电压保护下限(磷酸铁锂电芯通常为2.3V),BMS亦切断电流,电池包放电结束,率先达到电压保护下限的那一串即为“放低”。
 
       因此,电测中所谓的“充高放低”实际是指该两种现象均发生在电池包内的同一串电芯。单串电芯的“充高放低”是由于该串总容量低于其他串电芯导致的。‍
 
       为何单串电池总容量低会导致“充高放低”?
 
       电压是电池荷电状态(SOC)的外在表现之一。在正常情况下,电池的OCV大小由SOC决定,即电池的SOC与OCV相关, 且SOC∝OCV。SOC越大,OCV越高(不同正极材料的电芯SOC-OCV曲线不同,磷酸铁锂电芯存在较长的电压平台,非等比例关系)。‍ 
 
       在电池的PACK过程中,为了保证电池的一致性,首先会根据电压段对电芯进行分选,同个电池包使用的电芯电压基本一致。因此,在理想状态下,各串电芯的初始SOC0可视为一致。
 
       假设各串的总容量为Q,单串电池电性能测试前的初始容量为Q0,因此,其初始SOC0=Q0/Q 。若存在单串的总容量Q’低于其它串的总容量Q,由于初始SOC0与其它串一致,因此 其初始容量Q0’低于其他串的初始容量Q0,即:Q’<Q,Q0’<Q0,SOC0’=SOC0。
 
       电池包在充电时,由于各串电池通过的电流是一致的,设为I。因此,在同样的时间内各串增加的容量也是一致的,设为I*t,此时其SOC变化如下:
 
       SOC’=(Q0’+I*t)/Q’=SOC0’+I*t/Q’
       SOC=(Q0+I*t)/Q= SOC0+I*t/Q 
 
       由于Q’<Q,因此,I*t/Q’> I*t/Q,SOC’>SOC,相对应的电压OCV’>OCV(假设极化电压基本一致,不做考虑,本文直接使用OCV表示电压),该串的电压会率先达到保护电压上限。
 
       同理,电池包在放电时,其SOC变化如下:
 
       SOC’=(Q0’+I*t)/Q’=SOC0’ - I*t/Q’  
       SOC = (Q0+I*t)/Q = SOC0 - I*t/Q 
 
       由于Q’<Q,因此,I*t/Q’> I*t/Q,SOC’<SOC,相对应的电压OCV’<OCV,该串的电压会率先降到保护电压下限。
 
       注:保证电芯初始SOC一致是模组制作的前提,通常采用将电芯放空电,再用恒流定时的充电方法保证电芯的SOC接近一致。
 
       因此,“充高放低”主要是由于单串电池总容量低导致的。在实际PACK生产中,单串电池总容量低主要存在以下原因。
 
       (1)模组存在虚焊。虚焊是指电芯与极片未焊接在一起的情况,因此在电性能测试的过程中,该支电芯完全未参与充放电。这会直接导致该串电池少一支电芯的容量,电池包出现明显的“充高放低”。
 
      (2)配组容量不足。由于电池的一致性问题与PACK制程误差,配组无法保证每串电池的总容量完全一致。因此,必然会出现总容量较低的串,在各串初始SOC差异不大的情况下,电性能测试会出现“充高放低”。
 
      (3)温度影响。温度对于电池的总容量发挥具有较大的影响,在工作温度范围0~60℃内,温度越高,总容量发挥约大。由于电池包模组各异,一般模组边缘的电池温度会始终低于模组内部的电池温度,表现为模组温差。因此,模组不同位置的电芯容量的发挥会出现一定差异,温度低的电池因容量发挥受限而出现“充高放低”问题。
 

文章标签: 充电 电池包