造成鋰離子電池組不一致性的原因有哪些

鋰電池技術(shù)發(fā)展一直以控制成本、提高鋰電池的能量密度和功率密度、增強使用安全性、延長使用壽命和提高成組一致性等為主軸，而這些要素的提升依然是鋰電池目前面臨的最大挑戰(zhàn)。單體電池的不一致性是電池組性能的重要影響因素，它能降低電池組的可用容量，并降低電池組的循環(huán)壽命。那么造成鋰離子電池組不一致性的原因有哪些呢?

1.單體電池之間參數(shù)差異 ? ?

單體電池之間的狀態(tài)差異主要包括單體電池初始差異和使用過程中產(chǎn)生的參數(shù)差異。電池設(shè)計、制造、存儲以及使用過程中存在多種不可控制的因素，會影響電池的一致性。提高單體電池的一致性是提升電池組性能的先決條件。單體電池參數(shù)的相互影響，當(dāng)前的參數(shù)狀態(tài)受初始狀態(tài)和時間累積作用的影響。

電池容量、電壓和自放電速率

電池容量不一致會使電池組各單體電池放電深度不一致。容量較小、性能較差的電池將提前達(dá)到滿充電狀態(tài)，造成容量大、性能好的電池不能達(dá)到滿充電狀態(tài)。電池電壓的不一致將導(dǎo)致并聯(lián)電池組中單體電池互充電，電壓較高的電池將給電壓較低的電池充電，這會加快電池性能的衰減，損耗整個電池組的能量。自放電速率大的電池容量損失大，電池自放電速率的不一致將導(dǎo)致電池荷電狀態(tài)、電壓產(chǎn)生差異，影響電池組的性能。

電池內(nèi)阻

串聯(lián)系統(tǒng)中，單體電池內(nèi)阻差異將導(dǎo)致各個電池的充電電壓不一致，內(nèi)阻大的電池提前達(dá)到電壓上限，此時其他電池可能未充滿電。內(nèi)阻大的電池能量損耗大，產(chǎn)生的熱量高，溫度差異進一步增大內(nèi)阻差異，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

并聯(lián)系統(tǒng)中，內(nèi)阻差異將導(dǎo)致各個電池電流的不一致，電流大的電池電壓變化快，使各個單體電池的充放電深度不一致，造成系統(tǒng)的實際容量值難以達(dá)到設(shè)計值。電池工作電流不同，其性能在使用過程中會產(chǎn)生差異，最終會影響整個電池組的壽命。

2.充放電工況 ? ?

充電方式影響鋰電池組的充電效率和充電狀態(tài)，過充過放都會損壞電池，多次充放電后電池組會顯露不一致性。目前，鋰離子電池充電方式有數(shù)種，但常見的有分段恒流充電方式和恒流恒壓充電方式。恒流充電是較為理想的方式，能夠進行安全、有效的滿充；恒流恒壓充電有效結(jié)合了恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點，解決了一般恒流充電方式難以精準(zhǔn)滿充的問題，避免了恒壓充電方式在充電初期電流過大對電池造成的影響，操作簡單方便。

3.溫度 ? ?

鋰電池在高溫和高放電倍率下的性能會有明顯衰減。這是因為鋰離子電池在高溫條件下和大電流使用時，會造成正極活性物質(zhì)和電解液的分解，這是放熱過程，短時間放出等熱量能導(dǎo)致電池自身溫度進一步升高，溫度升高又加速了分解現(xiàn)象，形成惡性循環(huán)，加速分解使電池性能進一步下降。所以，如果電池組熱管理不當(dāng)，會帶來不可逆性能損降。

電池組設(shè)計和使用環(huán)境差異會造成單體電池所處溫度環(huán)境不一致。由Arrhenius定律可知，電池的電化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)與度呈指數(shù)關(guān)系，不同溫度下電池電化學(xué)特性不同。溫度會對電池電化學(xué)系統(tǒng)的運行、庫侖效率、充放電能力、輸出功率、容量、可靠性以及循環(huán)壽命產(chǎn)生影響。目前，主要開展的是溫度對電池組不一致性影響定量化研究。

4.電池外電路 ? ?

連接方式

在規(guī)模儲能系統(tǒng)中，電池將以串并聯(lián)的方式組合在一起，因此在電池和模塊之間會有許多連接電路和控制元件。由于每個結(jié)構(gòu)件或元器件的性能和老化速度不同，以及每個連接點消耗的能量不一致，不同器件對電池的影響不一樣，造成電池組系統(tǒng)的不一致。并聯(lián)電路中電池衰減速度的不一致會加速系統(tǒng)的惡化。

連接片阻抗也會對電池組的不一致性產(chǎn)生影響，連接片阻值不盡相同，極柱到各單體電池支路的阻值不同，遠(yuǎn)離極柱的電池因連接片較長而阻值較大，電流則較小，連接片會使得與極柱相連的單體電池最先達(dá)到截止電壓，造成能量利用率降低，影響電池性能，而且該單體電池提前老化會導(dǎo)致與其相連的電池過充，造成安全隱患。

隨著電池循環(huán)次數(shù)增多，將造成歐姆內(nèi)阻增加，容量衰減，歐姆內(nèi)阻與連接片阻值的比率將發(fā)生變化。為保證系統(tǒng)安全性，必須考慮連接片阻值的影響。

BMS輸入電路

電池管理系統(tǒng)(BMS)是電池組正常運行的保障，但BMS輸入電路會對電池的一致性產(chǎn)生不利影響。電池電壓的監(jiān)測方法有精密電阻分壓、集成芯片采樣等，這些方法由于電阻與電路板通路的存在，無法避免采樣線外載漏電流，電池管理系統(tǒng)電壓采樣輸入阻抗將增加電池荷電狀態(tài)(SOC)的不一致性，影響電池組的性能。

5.SOC估算誤差 ? ?

SOC不一致產(chǎn)生的原因有單體電池初始標(biāo)稱容量不一致和工作中單體電池標(biāo)稱容量衰減速度不一致。對于并聯(lián)電路，單體電池的內(nèi)阻差異會造成電流分配不均，進而導(dǎo)致SOC的不一致。SOC算法包括安時積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法、放電測試法等。

安時積分法在起始荷電狀態(tài)SOC0比較準(zhǔn)確時有較好的精度，但是庫侖效率受電池荷電狀態(tài)、溫度和電流等狀態(tài)的影響較大，難以準(zhǔn)確測量，因此安時積分法很難達(dá)到荷電狀態(tài)估計的精度要求。開路電壓法在較長時間靜置之后，電池的開路電壓與 SOC 存在確定的函數(shù)關(guān)系，通過測量端電壓來獲得SOC的估計值。開路電壓法具有估算精度高的優(yōu)點，但是靜置時間長的缺點也限制了其使用范圍。

審核編輯：湯梓紅