如何看待Pack內鐵鋰和三元混用
時間:2021-06-01 09:25來源:汽車電子設計 作者:朱玉龍
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1）三元和鐵鋰電芯混用是否有價值，是否能發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，未來是否可以出現均一電芯規格要求，由不同的電池企業的電池混用？
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、用于其SOC估算方法以及計算機裝置和介質》，其實最早是電池企業的主意，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，在同一個電池包內實現混合編組。
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點：
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提高一些能量；相比一個純三元包，可以盡可能復用空間；
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。在直接設計中，不管是雙排模組還是長模組，會出現以下的設計狀態。直觀的概念，就是CCS母線排的設計會有難度，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阻差異，在串聯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，到兩種串聯在一起，等于兩個組合在一起了。當然這里也可以通過匹配來盡量調和，但是這個等于在另一個層面兩種不同效率的產品整合。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。
圖3 電池的輸出內容和SOP
3）電池混搭的其他難點，我們之前所有的工作，一家供應商一個工廠、同批次、相似容量同參數。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。特別是隨著快充的差異，這個很難匹配。
當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程來分別統計。以108串為例，也就是需要54串三元進行單獨核算，54串鐵鋰進行單獨核算，來進行電壓保護設定，這對于單個采樣芯片也有點差異。
2）然后采用一個綜合的SOC窗口使用區段，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的 SOC 區間內，以建立一組三元電池的 SOC 的上限、下限與電池系統的 SOC 區間之間的映射關系。也就是把磷酸鐵鋰電芯100%點作為了電池包的滿充點，三元鋰電池的0%點作為了電池包的放空點。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%點之間循環。
在初始使用狀態下，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，不同循環次數出現比較明顯的差異。由于實際容量差異性都比較大，后續基于SOC的控制來實現整體的SOC的設計，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，這可能直接導致設計目標和現實的一致性沒辦法去協調。
圖4 電池的設定
小結：我覺得，將來會出現不同供應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一來處理是相似的。這個復雜的控制，可能在BMS往計算平臺方向走，對電池的特性精確到個體，然后有非常強的調節能力的時候可能效果比較好。但是混用收益其實有點雞肋，我想創新是好的。但是推動創新到實際最主要的東西是系統層面的收益，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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