動力鋰離子電池配組方案綜述

導讀：本文分析了鋰離子電池不一致性的表現及成因，總結了提高鋰離子電池一致性的方法，並對現有的配組方案進行了綜述。

作為電動汽車的動力電源使用時，由於高功率、大容量的要求，單體鋰離子電池並不能滿足要求，所以需要對鋰離子電池進行串、並聯組合使用。

然而，單體電池之間的不一致性常常造成電池組在循環過程中出現容量衰減過快、壽命較短等問題。選擇性能儘可能一致的電池用來成組，對鋰離子電池在動力電池中的推廣應用具有重要意義。

本文分析了鋰離子電池不一致性的表現及成因，總結了提高鋰離子電池一致性的方法，並對現有的配組方案進行了綜述。

一、不一致性分析

1.1 不一致性的定義

鋰離子電池組的不一致性就是指同一規格型號的單體電池組成電池組後，其電壓、容量、內阻、壽命、溫度影響、自放電率等參數存在一定的差別。

單體電池在製造出來後，初始性能本身存在一定差異。隨著電池的使用，這些性能差異不斷累積，同時由於各單體電池在電池組內的使用環境不完全相同，也導致了單體電池的不一致性逐步放大，從而加速電池性能衰減，並最終引發電池組過早失效。

1.2 不一致性的表現

鋰離子電池不一致性主要表現在兩個方面：電池單體性能參數(電池容量、內阻和自放電率等)的差異和電池荷電狀態(SOC)的差異。

戴海峰等研究發現，電池單體之間容量的差異分布接近威爾分布，而內阻的離散程度較容量更為顯著，且同批次電池的內阻一般滿足正態分布的規律，自放電率也呈現近似正態分布。SOC表徵著電池的荷電狀態，是電池剩餘容量與額定容量的比值，解競等認為由於電池的不一致性，電池的容量衰減速率不同，導致電池間的最大可用容量存在差異。容量小的電池的SOC變化速率比容量大的電池快，充放電時更快達到截止電壓。

1.3 不一致性的成因

鋰離子電池出現不一致性問題的原因很多，主要是在製造過程和使用過程中產生的。製造過程的每個環節例如配料時漿料的均勻度、塗布時面密度及表面張力的控制等都會造成單體電池性能的差異。

羅雨等研究了鋰離子電池生產製造工藝對電池一致性的影響，重點研究了水性粘結劑體系的鋰離子電池生產製片工藝對電池一致性的影響。在電池的使用過程中，謝皎等認為連接方式和結構件/器件、使用工況和環境都會給電池組一致性帶來影響。因為每個連接點所消耗的能量不一致，每個元器件或結構件的性能以及老化速率等也都不一致，因此對電池的影響也不一致。另外，由於電池中每個單體電池所處位置不同，溫度不同，性能衰減也不同，這些都會使單體電池的不一致得到放大。

二、提高電池一致性的方法

2.1 生產過程的控制

生產過程的控制主要從原材料和生產工藝兩方面進行。原材料方面儘量選取同一批次 的原材料，保證原材料顆粒大小、性能的一致性。生產工藝上要對整個生產過程進行嚴格的調控，例如保證漿料攪拌均勻、不長時間放置，控制塗布機的走速保證塗布的厚度、均勻度，極片外觀檢查、稱重分檔，控制注液量及化成、分容、儲存條件等。

羅雨通過對鋰離子電池製備工藝技術的研究，確定了對鋰離子電池一致性有重大影響的關鍵工藝，主要包括配料攪拌、塗布、輥壓、卷繞/疊片、注液和化成，並對各關鍵工藝參數與電池性能的關係做了深入研究分析。

2.2 配組過程的控制

配組過程的控制主要是指對電池進行分選，電池組採用統一規格、型號的電池，並且要對電池的電壓、容量、內阻等進行測定，保證電池初始性能的一致性。

許海濤等通過研究，發現在電池組配組時，單體電池的電壓差異是影響電池組充放電末期各單體電池的一致性重要因素，而單體電池的內阻差異則造成了電池組充放電過程中各單體電池的電壓平臺出現較大差別。王琳霞等通過對鋰離子串並聯組合電池中單體電芯的不一致性研究，分析並聯電池組中的主要影響因素DCR對電池組造成的影響程度和串聯電池組的主要影響因素容量對電池組造成的影響程度，為組合電池包提供必要的依據。陳萍等通過放電倍率對電池配組一致性的影響研究發現隨著放電倍率的增大，電池的不一致性得到了放大，達到剔除不良電池的效果。

2.3 使用和維護過程的控制

對電池進行實時監控。配組時對電池進行一致性篩選，可保證在電池組使用初期的一致性。在使用過程中對電池進行實時監控，可實時觀察到使用過程中的一致性問題，但由於當一致性差時，監測電路會切斷充放電電路，因而性能會降低。必須找到二者之間的平衡點。也可以通過實時監控對極端參數電池進行及時調整或者更換，保證電池組的不一致性不會隨時間而擴大。

引入均衡管理系統。採用適當的均衡策略和均衡電路對電池進行智能管理。目前常見的均衡策略包括基於外電壓的均衡策略、基於SOC的均衡策略和基於容量的均衡策略。而均衡電路按能量消耗方式可以分為被動均衡和主動均衡。其中主動均衡能夠 實現電池間的無損能量流動，是國內外研究的熱點。主動均衡中常用的方法有電池旁路法、開關電容法、開關電感法、DC/DC變換法等。

對電池進行熱管理。對電池進行熱管理除了儘量將電池組的工作溫度保持在最優的範 圍之內，還要儘量保證電池之間溫度條件的一致，從而有效的保證各電池之間的性能一致性。採用合理的控制策略。在輸出功率允許的情況下，儘量減小電池放電深度，同時，避免電池的過充電，可延長電池組的循環壽命。加強對電池組的維護。間隔一定時間對電池組進行小電流維護性充電，還要注意清潔。

三、動力鋰離子電池配組方法

3.1 電壓配組法

電壓配組法可分為靜態電壓配組法和動態電壓配組法。靜態電壓配組法又叫做空載配組法，不帶負載，只考慮電池本身，測量被篩選單體電池在靜置數十天後滿電荷狀態貯存的自放電率以及滿電荷狀態下不同貯存期內電池的開路電壓，此方法操作最簡單，但不準確。動態電壓配組法考察帶負載時的電壓情況，但沒有考慮到負載變化等因素，因此也不準確 。

3.2 靜態容量配組法

在設定的條件下對電池進行充放電，由放電電流和放電時間來計算容量，按容量大小對電池進行配組。這種方法簡便易行，但它只能反映電池在特定條件容量相同，不能說明電池的完整工作特性，有一定的局限性。

3.3 內阻配組法

主要考慮單體電池的內阻，這種方法能夠實現快速測量，但是因為電池的內阻會隨放電過程的進行而改變，要進行內阻的準確測定有一定的難度。

3.4 多參數配組法

同時考慮容量、內阻、電壓、自放電率等多個外部條件對電池綜合評定，可以分選出一致性較好的電池組。但這種方法的前提是單參數分選時要準確，同時耗時過長。

3.5 動態特性配組法

動態特性配組法是利用電池的充放電特性曲線來分選電池進行配組。充放電曲線能夠體現電池的大部分特性，利用動態特性配組法能夠保證電池各種性能指標的一致性。動態特性配組法數據多，通常採用電腦程式配合實現。此外，這種方法電池的配組利用率降低，不利於電池組成本的降低。標準曲線或基準曲線的確定也是其實施過程中的難點。

四、結論

(1)引起電池不一致性的原因主要在電池的製造和使用兩方面。

(2)提高電池一致性的措施主要有以下三方面：從原材料和生產工藝兩方面對生產過程進行的嚴格控制；採用更科學的分選辦法，儘可能選擇初始性能一致的電池進行配組；在電池使用和維護過程中，對電池進行實時監控，引入均衡管理系統，採用合理的控制策略，對電池進行熱管理，同時還要加強對電池組的維護。

(3) 電池配組時，單參數配組法由於考慮的因素太少，不具有實際應用價值。多參數配組法和動態特性配組法相對較全面，另外電化學抗譜法等方法也取得了一定進展。

參考文獻：賈豐春等《動力鋰離子電池配組方案綜述》

（來源： 鋰電聯盟會長）