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如何看待Pack内铁锂和三元混用

时间:2021-06-01 09:25来源:汽车电子设计 作者:朱玉龙
点击: 次
 
       最近有两篇文章，分别从两个角度来看三元和铁锂的混用，分别是《独家解读：蔚来「磷酸铁锂三元」电池系统专利》和《深度解读，三元磷铁又是什么新电池？》。在这两篇文章里，涉及了几个有意思的话题：
 
       1）三元和铁锂电芯混用是否有价值，是否能发挥铁锂的寿命和三元OCV的特长；
       2）如果这种同一厂家的不同种类，不同特性的电池可以组合，未来是否可以出现均一电芯规格要求，由不同的电池企业的电池混用？
 
       第一部分 铁锂和三元电池的组合使用
 
       这个使用方式出自《一种电池系统、用于其SOC估算方法以及计算机装置和介质》，其实最早是电池企业的主意，这种方法是将三元电芯和磷铁电芯，采用一颗铁锂一颗三元电芯夹心饼干的方式，在同一个电池包内实现混合编组。
图1 以原有模组的概念来看，间隔布置
 
       这两种的组合有以下的优点：
 
       1）不用考虑那么多的热传播阻隔的问题，因为铁锂电芯的耐热性和情况可以把整体的传播路径进行阻隔；
       2）三元电芯能量密度比较高，铁锂成本低，这种组合可以实现相同容量不同厚度电芯在尺寸方向上的最大利用。也就是相比单纯铁锂包来说，可以在相似的空间内提高一些能量；相比一个纯三元包，可以尽可能复用空间；
       3）由于单纯的铁锂的SOC估计存在困难，三元电池作为OCV曲线比较陡峭的类型，是可以提高BMS的估算精度的。
 
       我们能想到的主要是这三条收益。
 
       然后我们算一下困难：
 
       1）如果是同一个电池容量的铁锂和三元电芯，铁锂会明显的比三元要厚，造成的就是厚-薄-厚-薄-厚的排列。在直接设计中，不管是双排模组还是长模组，会出现以下的设计状态。直观的概念，就是CCS母线排的设计会有难度，模组在制造过程中有难度，整体的膨胀力控制有难度。当然你下定决心，这些在工艺层面都是可以做的。
图2 两种模组的形式
 
       2）如何控制一个电池的内阻，这个就是很麻烦的事情。也就是说，在需要考虑快充和大功率输出的时候，相同容量的铁锂和三元电池的内阻差异，在串联使用下会带来很大的困扰。也就是说，原来一种电芯不同温度，不同功率下的特性SOP，到两种串联在一起，等于两个组合在一起了。当然这里也可以通过匹配来尽量调和，但是这个等于在另一个层面两种不同效率的产品整合。你可以想象下，在-20°两种电芯完全就不一样了，放在一起就是看更差的那个的表现。
图3 电池的输出内容和SOP
 
       3）电池混搭的其他难点，我们之前所有的工作，一家供应商一个工厂、同批次、相似容量同参数。这种混搭其实打破了前端的努力，非常明显的制造了一种破窗效应。特别是随着快充的差异，这个很难匹配。
 
       当然在绿芯频道里面谈到了很多的电池BMS估计的问题，我把这些做一些罗列：
 
        1）由于三元和磷铁电芯OCV-SOC曲线，差异特别大，所以这里需要分个不同的计算进程来分别统计。以108串为例，也就是需要54串三元进行单独核算，54串铁锂进行单独核算，来进行电压保护设定，这对于单个采样芯片也有点差异。
 
       2）然后采用一个综合的SOC窗口使用区段，这里很有意思的想法是，将三元电池的 SOC 上限和下限映射到电池系统的 SOC 区间内，以建立一组三元电池的 SOC 的上限、下限与电池系统的 SOC 区间之间的映射关系。也就是把磷酸铁锂电芯100%点作为了电池包的满充点，三元锂电池的0%点作为了电池包的放空点。这样一来，电池包可用容量，在三元锂电池的0%和磷酸铁锂电池的100%点之间循环。
 
       在初始使用状态下，铁锂的衰减速度和三元的初期衰减速度，会让在不同温度地区，不同循环次数出现比较明显的差异。由于实际容量差异性都比较大，后续基于SOC的控制来实现整体的SOC的设计，会更难控制。尤其是，实际的自放电特性差异，会造成更大的差异。我觉得这两个方向的考虑，不同地区和车型的衰减和不同批次个体的制造差异形成的自放电差异，是不在初始的考虑中的，这可能直接导致设计目标和现实的一致性没办法去协调。
图4 电池的设定
 
       小结：我觉得，将来会出现不同供应商在同一个尺寸的条件下，电芯的混用。其实这个在我们维修电池过程中，把新旧电池放在一起，按照旧电池的特性统一来处理是相似的。这个复杂的控制，可能在BMS往计算平台方向走，对电池的特性精确到个体，然后有非常强的调节能力的时候可能效果比较好。但是混用收益其实有点鸡肋，我想创新是好的。但是推动创新到实际最主要的东西是系统层面的收益，也就是好处足够大的时候，很多事情是好谈的。但是目前来看收益和困难不成比例。
 
(责任编辑：子蕊)
文章标签： 电池 磷酸铁锂 Pack 三元电池
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