用于鋰離子電池回收的電池監(jiān)控技術(shù)

鋰離子電池的應(yīng)用正在許多工業(yè)市場中擴(kuò)大。它們的使用使得有必要重新使用和回收電力存儲技術(shù)。Panasonic Corp.開發(fā)了一種新的電池管理解決方案，可測量電化學(xué)阻抗，使其能夠評估設(shè)備中鋰離子電池的剩余價(jià)值。

鋰離子電池在上市前需要數(shù)年的理論和實(shí)驗(yàn)研究。近年來，電池的效率，與它們的尺寸和重量相比，可以提供多少能量，已經(jīng)大大提高。研究人員在繼續(xù)提高功率密度、耐用性、成本、充電時(shí)間、安全性和回收利用方面面臨更多挑戰(zhàn)。通過電池監(jiān)控集成電路 (BMIC) 或電池監(jiān)控系統(tǒng) (BMS) 進(jìn)行電氣性能監(jiān)控是鋰離子電池應(yīng)用持續(xù)成功的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的 BMIC 測量串聯(lián)堆疊的 6 至 14 個(gè)鋰離子電池的單個(gè)電池電壓。通過使用多個(gè)BMIC，可以獲取串聯(lián)電池的電壓數(shù)據(jù)，從而確保安全使用。此外，它通過估計(jì)充電狀態(tài) (SOC) 和健康狀態(tài) (SOH) 來計(jì)算剩余自主權(quán)和可用時(shí)間。BMS 管理整個(gè)鋰電池陣列（單個(gè)電池或整個(gè)電池組），確定一個(gè)安全的工作區(qū)域，電池組在該區(qū)域內(nèi)保證最佳的技術(shù)和能源性能。

“對于一般 BMS 設(shè)計(jì)人員來說，測量精度是最重要的。二是功能安全等安全設(shè)計(jì)。尤其是對于汽車客戶而言，過去在汽車上的使用情況也很重要，”松下表示。

鋰離子電池的一個(gè)重要測量參數(shù)是電化學(xué)阻抗。鋰離子電池的電化學(xué)阻抗對溫度變化非常敏感，需要在恒溫室中進(jìn)行測量。電化學(xué)阻抗譜是評估鋰離子電池的一種無損方法，是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池重復(fù)使用的關(guān)鍵。

松下與立命館大學(xué)的 Masahiro Fukui 教授合作開發(fā)了這項(xiàng)新技術(shù)。該公司開發(fā)了一種新的IC電池測試芯片（BMIC），而立命館大學(xué)則使用具有實(shí)驗(yàn)技術(shù)的真實(shí)電池評估了性能。

新的電池管理技術(shù)可以使用交流勵磁方法測量安裝在運(yùn)行設(shè)備中的鋰離子堆疊電池模塊的電化學(xué)阻抗。這是對未來鋰離子電池可以重復(fù)使用和回收的可持續(xù)社會的答案。

交流勵磁在帶有精密放大器的電路布局中的工作方式類似；它可有利地用于傳感器信號調(diào)理電路，以消除偏移誤差，平均消除 1/f 噪聲，并消除寄生熱電偶的影響。由于對 1/f 噪聲的敏感度降低，因此可以產(chǎn)生具有低得多的激勵電流或電壓的可識別輸出信號。

電化學(xué)阻抗測量是通過 15 個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和一個(gè)具有 0.1 Hz 至 5 kHz 脈沖調(diào)制的交流勵磁電路和一個(gè)集成在 BMIC 中的 V/I 轉(zhuǎn)換電路獲得的。因此，BMIC 可以測量正在運(yùn)行的電池的電化學(xué)阻抗，而無需顯著改變設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的當(dāng)前 BMS 的配置。

“這項(xiàng)技術(shù)廣泛用于電池開發(fā)。我們認(rèn)為，剩余價(jià)值評估和壽命終止確定對于電池再利用很重要，”松下表示。

“立命館大學(xué)，”該公司繼續(xù)說，“擁有評估實(shí)際電池的技術(shù)和設(shè)備，以及分析所得結(jié)果的知識。我們是半導(dǎo)體開發(fā)部門，對電池評估知之甚少。因此，我們與立命館大學(xué)合作。此外，我們認(rèn)為 LSI 的性能可以通過與松下以外的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行評估來客觀地評估?！?

通過測量奈奎斯特圖來通過電化學(xué)阻抗譜估計(jì)狀態(tài)：這是復(fù)平面上的交流阻抗和頻率的復(fù)表示。立命館大學(xué)使用松下開發(fā)的 BMIC 和測量軟件測量了圓柱形鋰離子電池單元，確認(rèn)了新技術(shù)在 1 Hz 至 5 kHz 范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性。

鋰離子電池是未來能源流動和節(jié)約形式的關(guān)鍵技術(shù)。它們的大規(guī)模生產(chǎn)正在增加，主要是由于電動汽車的趨勢。提供高性能所需的主要挑戰(zhàn)是更大的自主性、高充電速度和降低維護(hù)成本，保證完全的生態(tài)可持續(xù)性。

Panasonic 采用的技術(shù)是基于通過電流源引入擾動。這項(xiàng)技術(shù)將在使用具有許多串聯(lián)堆疊的鋰離子電池模塊的應(yīng)用以及下一代電動汽車中得到廣泛應(yīng)用。