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电芯通过电流不一致性的问题研究

时间:2019-07-29 来源: 关键字:电流   电池   

最近针对动力电池多并状态下,电芯通过电流不一致性的问题做了些研究,有些蛮有意思的结论。整理出来,供大家参考。

1)电芯成组基本方案

现行的车用动力电池,在电芯组成模组时的并联方案,有几种情况:

对于较大容量的软包或者方壳电芯,在模组一级有2P、3P、4P几种状态;

对圆柱方案并联数则比较多,像特斯拉是40-50P这种量级。

为保证并联在一起时各电芯的表现一致,电芯制造企业需要尽可能保证出产电芯的一致性。然而不可避免的,批量生产中必然或多或少会存在随机的不一致性,这种不一致性应该呈现围绕着中值的正态分布(内阻、容量等),先留意,后面进一步分析中会用到这个前提。

先以一个简单的模型对这种不一致性形成的影响做个简单的定量理论分析。为方便地见,假设其中一个电芯的内阻出现偏差,则(无论直流还是交流,U=IR成立)相应的支路电流会相应反比例出现偏差(注:实际会出现多个电芯参差不齐的情况,但对于最弱的电芯计算结论相差不大)。

如下图,电芯标准内阻为r,其中一个电芯发生偏差导致各支路电芯电流出现不一致。

I0是理论均匀情况下每个电芯的电流,母线上总电流是n*I0;比如假设4P电池允许5C放电,母线电流理论上会是4*5=20C。发生偏差时,其它n-1个均匀电芯电流为Ir,一个差异电芯电流为Iv,总电流仍为n*I0=(n-1)*Ir+Iv。

 

 

做点不复杂的计算,可以得出下面两个式子:

 

 

然后根据式中的v和n两个变量,可以画出如下的图(坐标轴电芯内阻偏差v取±30%,并联数n取2到50)。

为后面叙述简明起见,在此做个定义。用并联电芯中,最大的支路电流与理想均匀情况下电流的比值,来衡量一组并联电芯电流的不均衡性,即:

Cell Parallel Current Imbalance: CPCI = Iv/I0。

 

 

从图中有几点需注意的:

同样的电芯内阻偏差,并联数越高,电流不均衡性越强;

然而随着并联数增加,不均衡并非线性增加,对增加的并联数越来越不敏感(例如Tesla Model3已经多达46P,在这个数量区间,并联数多点少点对电流不平衡的增量影响几乎可以忽略);

内阻最小的电芯承受了最高的支路电流,与内阻偏差关系总体比较线性。

以上是个非常简单的理论模型分析。实际情况,电芯的内阻散差是按正态分布规律分散的,并且在电芯下线时有筛选标准。简单来说,按照正态分布,

如果内阻下线检测标准在±σ内,环节良品率大约有68.27%

如果内阻下线检测标准在±2σ内,环节良品率大约有95.45%

如果内阻下线检测标准在±3σ内,良品率大约有99.73%

以上是正态分布的自然规律,对于电芯企业来说,提升良品率重要的是控制标准差σ的绝对值,使它尽可能小。如果标准差很大又追求高一致性,那就只能提升良品率标准,带来的是废料的增多和成本的增加。

 

换一批

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