如何看待Pack內(nèi)鐵鋰和三元混用
時間:2021-06-01 09:25來源:汽車電子設(shè)計 作者:朱玉龍
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最近有兩篇文章，分別從兩個角度來看三元和鐵鋰的混用，分別是《獨(dú)家解讀：蔚來「磷酸鐵鋰三元」電池系統(tǒng)專利》和《深度解讀，三元磷鐵又是什么新電池？》。在這兩篇文章里，涉及了幾個有意思的話題：
1）三元和鐵鋰電芯混用是否有價值，是否能發(fā)揮鐵鋰的壽命和三元OCV的特長；
2）如果這種同一廠家的不同種類，不同特性的電池可以組合，未來是否可以出現(xiàn)均一電芯規(guī)格要求，由不同的電池企業(yè)的電池混用？
第一部分 鐵鋰和三元電池的組合使用
這個使用方式出自《一種電池系統(tǒng)、用于其SOC估算方法以及計算機(jī)裝置和介質(zhì)》，其實最早是電池企業(yè)的主意，這種方法是將三元電芯和磷鐵電芯，采用一顆鐵鋰一顆三元電芯夾心餅干的方式，在同一個電池包內(nèi)實現(xiàn)混合編組。
圖1 以原有模組的概念來看，間隔布置
這兩種的組合有以下的優(yōu)點(diǎn)：
1）不用考慮那么多的熱傳播阻隔的問題，因為鐵鋰電芯的耐熱性和情況可以把整體的傳播路徑進(jìn)行阻隔；
2）三元電芯能量密度比較高，鐵鋰成本低，這種組合可以實現(xiàn)相同容量不同厚度電芯在尺寸方向上的最大利用。也就是相比單純鐵鋰包來說，可以在相似的空間內(nèi)提高一些能量；相比一個純?nèi)梢员M可能復(fù)用空間；
3）由于單純的鐵鋰的SOC估計存在困難，三元電池作為OCV曲線比較陡峭的類型，是可以提高BMS的估算精度的。
我們能想到的主要是這三條收益。
然后我們算一下困難：
1）如果是同一個電池容量的鐵鋰和三元電芯，鐵鋰會明顯的比三元要厚，造成的就是厚-薄-厚-薄-厚的排列。在直接設(shè)計中，不管是雙排模組還是長模組，會出現(xiàn)以下的設(shè)計狀態(tài)。直觀的概念，就是CCS母線排的設(shè)計會有難度，模組在制造過程中有難度，整體的膨脹力控制有難度。當(dāng)然你下定決心，這些在工藝層面都是可以做的。
圖2 兩種模組的形式
2）如何控制一個電池的內(nèi)阻，這個就是很麻煩的事情。也就是說，在需要考慮快充和大功率輸出的時候，相同容量的鐵鋰和三元電池的內(nèi)阻差異，在串聯(lián)使用下會帶來很大的困擾。也就是說，原來一種電芯不同溫度，不同功率下的特性SOP，到兩種串聯(lián)在一起，等于兩個組合在一起了。當(dāng)然這里也可以通過匹配來盡量調(diào)和，但是這個等于在另一個層面兩種不同效率的產(chǎn)品整合。你可以想象下，在-20°兩種電芯完全就不一樣了，放在一起就是看更差的那個的表現(xiàn)。
圖3 電池的輸出內(nèi)容和SOP
3）電池混搭的其他難點(diǎn)，我們之前所有的工作，一家供應(yīng)商一個工廠、同批次、相似容量同參數(shù)。這種混搭其實打破了前端的努力，非常明顯的制造了一種破窗效應(yīng)。特別是隨著快充的差異，這個很難匹配。
當(dāng)然在綠芯頻道里面談到了很多的電池BMS估計的問題，我把這些做一些羅列：
1）由于三元和磷鐵電芯OCV-SOC曲線，差異特別大，所以這里需要分個不同的計算進(jìn)程來分別統(tǒng)計。以108串為例，也就是需要54串三元進(jìn)行單獨(dú)核算，54串鐵鋰進(jìn)行單獨(dú)核算，來進(jìn)行電壓保護(hù)設(shè)定，這對于單個采樣芯片也有點(diǎn)差異。
2）然后采用一個綜合的SOC窗口使用區(qū)段，這里很有意思的想法是，將三元電池的 SOC 上限和下限映射到電池系統(tǒng)的 SOC 區(qū)間內(nèi)，以建立一組三元電池的 SOC 的上限、下限與電池系統(tǒng)的 SOC 區(qū)間之間的映射關(guān)系。也就是把磷酸鐵鋰電芯100%點(diǎn)作為了電池包的滿充點(diǎn)，三元鋰電池的0%點(diǎn)作為了電池包的放空點(diǎn)。這樣一來，電池包可用容量，在三元鋰電池的0%和磷酸鐵鋰電池的100%點(diǎn)之間循環(huán)。
在初始使用狀態(tài)下，鐵鋰的衰減速度和三元的初期衰減速度，會讓在不同溫度地區(qū)，不同循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)比較明顯的差異。由于實際容量差異性都比較大，后續(xù)基于SOC的控制來實現(xiàn)整體的SOC的設(shè)計，會更難控制。尤其是，實際的自放電特性差異，會造成更大的差異。我覺得這兩個方向的考慮，不同地區(qū)和車型的衰減和不同批次個體的制造差異形成的自放電差異，是不在初始的考慮中的，這可能直接導(dǎo)致設(shè)計目標(biāo)和現(xiàn)實的一致性沒辦法去協(xié)調(diào)。
圖4 電池的設(shè)定
小結(jié)：我覺得，將來會出現(xiàn)不同供應(yīng)商在同一個尺寸的條件下，電芯的混用。其實這個在我們維修電池過程中，把新舊電池放在一起，按照舊電池的特性統(tǒng)一來處理是相似的。這個復(fù)雜的控制，可能在BMS往計算平臺方向走，對電池的特性精確到個體，然后有非常強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力的時候可能效果比較好。但是混用收益其實有點(diǎn)雞肋，我想創(chuàng)新是好的。但是推動創(chuàng)新到實際最主要的東西是系統(tǒng)層面的收益，也就是好處足夠大的時候，很多事情是好談的。但是目前來看收益和困難不成比例。
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