影響動力電池一致性的因素分析以及6大解決措施

編者按

鋰離子電池一致性是指：用于成組的單體電池的初期性能指標的一致，包括：容量、阻抗、電極的電氣特性、電氣連接、溫度特性、衰變速度等。以上因數(shù)的不一致，將直接影響運行中輸出電參數(shù)的差異。

鋰離子電池目前在新能源汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域中大規(guī)模應用情況在逐年增加，但目前電池參數(shù)的不一致性是影響電池組使用壽命的關(guān)鍵因素，雖然熱管理水平的提升在某種程度上保證了電池組的安全運行，但對于提升電池的一致性水平仍然是大規(guī)模使用鋰電池的重要技術(shù)影響因素。

通過對一個10串10并電池組的模擬，闡明了電池組內(nèi)的溫度分布對其性能與循環(huán)壽命的影響。平均溫度越低，溫度不均勻程度越高，電池組內(nèi)單電池放電深度的不一致性越高；平均溫度越高，溫度不均勻程度越高，電池組循環(huán)壽命越短。值得注意的是，不均勻的溫度分布會導致并聯(lián)支路間電流分配不均，從而惡化單電池老化速率的一致性。

鋰離子電池一致性是指：用于成組的單體電池的初期性能指標的一致，包括：容量、阻抗、電極的電氣特性、電氣連接、溫度特性、衰變速度等。以上因數(shù)的不一致，將直接影響運行中輸出電參數(shù)的差異。

鋰離子電池組的不一致性或電池組的離散現(xiàn)象就是指同一規(guī)格型號的單體蓄電池組成電池組后, 其電壓、荷電量、容量、衰退率、內(nèi)阻及其隨時間變化率、壽命、溫度影響、自放電率及其隨時間變化率。

單體電池在制造出來后，本身存在一定性能差異。初始的不一致度隨著電池在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)而累計，導致各單體電池狀態(tài)（SOC、電壓等）產(chǎn)生更大的差異；電池組內(nèi)的使用環(huán)境對于各單體電池也不盡相同。這就導致了單體電池的不一致度在使用過程中逐步放大，從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。

不一致性原因從時間順序劃分，電池組中單體電池的不一致性主要體現(xiàn)在兩方面：制造過程中工藝上的問題和材質(zhì)的不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率、連條、隔板等存在很微小的差別，從而產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性；裝車使用時，電池組中各個電池的電解液密度、溫度和通風條件、自放電程度及充放電過程等差別的影響。

同一批次出廠的同一型號電池的容量、內(nèi)阻和自放電的差異性原因分析針對這些不一致產(chǎn)生的原因，是否可以通過某些措施完全消除電池組內(nèi)的不一致：很多人認為電池不一致是生產(chǎn)工藝的問題，也有人認為是配組過程的問題，通過SPC等過程控制措施就可以完全消除電池的不一致。

但是實踐證明，即使嚴格控制配料、活漿、涂布、裁剪、輥壓等工藝過程，只是縮小批量產(chǎn)品之間的標準差,而不能消除不一致性。若影響某一隨機變量的隨機因素很多，且其中每個因素的影響獨自都不能起決定性作用，這些因素的影響又可疊加，則該隨機變量服從正態(tài)分布，特性的參數(shù)有標準差σ和均值μ。

電池充放電過程的電壓值是該電池熱力學和動力學狀態(tài)的綜合反映，既受電池生產(chǎn)過程中各工序工藝條件的影響，又受電池充放電過程中電流、溫度、時間和使用過程中偶然因素的影響因而電池組內(nèi)各個電池的電壓值不可能完全一樣。

改進舉措

1、生產(chǎn)過程措施，電池企業(yè)控制好各種原材料的一致性；漿料的流變性監(jiān)測，不長時間擱置漿料，保證漿料在涂布時流變性是相同的；涂布參數(shù)監(jiān)控，尤其是磷酸鐵鋰漿料，由于磷酸鐵鋰顆粒較細，漿料的加工性能差，在涂布時應注意減慢涂布機走速；漿料黏度的合理檢測；對極片的外觀檢查；剔除有瑕疵的極片；極片稱重；注液前后電池質(zhì)量差比較；化成溫度；濕度控制；制定各種原材料的標準，嚴格按照標準對原材料進行檢驗、儲存；生產(chǎn)工藝的一致性調(diào)控；對生產(chǎn)工藝的一致性進行精細調(diào)控；工藝過程進行嚴格的統(tǒng)計過程控制（SPC）；確保每個工藝在規(guī)定的公差范圍內(nèi)；確保過程能力指數(shù)，使其遵循正常的生產(chǎn)參數(shù)分布規(guī)律。

2、配組過程的措施，保證電池組采用統(tǒng)一規(guī)格、型號的電池，保證電池出廠質(zhì)量尤其是初始電壓的一致性，篩選條件：電壓；內(nèi)阻；電池化成數(shù)據(jù)；一致性評價方法有很多，目前最常使用的是極差系數(shù)法、標準差系數(shù)法和閾值法。結(jié)合聚類分析，利用設(shè)定時間間隔內(nèi)由各個檢測點構(gòu)成電池充放電曲線的形狀、距離、面積來進行科學分類，從而判定電池的一致性。

在容量或電壓閾值的基礎(chǔ)上，對充放電曲線形狀，曲線間的距離，曲線圍取面積等進行計算，選取能體現(xiàn)曲線一致的參數(shù)進行判定。選配充放電過程中曲線較接近，相對距離較小，曲線圍取的面積較小，組間差異較小的電芯進行配組，從而實現(xiàn)最優(yōu)的一致配組。

3、電池均衡管理，從電池管理系統(tǒng)角度，在電池組使用過程中檢測單電池參數(shù)，尤其是電動汽車停駛或行駛過程中電壓分布情況，掌握電池組中單電池不一致性發(fā)展規(guī)律，對極端參數(shù)電池進行及時調(diào)整或更換，以保證電池組參數(shù)不一致性不隨使用時間而增大。避免電池過充電，盡量防止電池深放電。

保證電池組良好的使用環(huán)境，盡量保證恒溫，減小振動，保證水、塵土等污染電池極柱。同時從能量的管理和策略上，引入實用性電池組能量管理和均衡系統(tǒng)，制定合理的電池均衡策略，主動干預和降低電池的不一致性。

4、電池熱管理電池使用過程中，內(nèi)阻、電池布置方式等因素的差異，會在充放電過程出現(xiàn)自身溫度和環(huán)境溫度的差異，這樣會直接導致其輸出性能的差異。電池熱管理作用是將電池組的工作溫度保持在電池最優(yōu)的工作溫度范圍之內(nèi)。保證電池之間溫度條件的一致，從而確保電池使用參數(shù)的一致性。（電池在不同溫度狀態(tài)的壽命不同，溫度每升高10℃其退化速度就增加一倍）

5、控制策略在能量管理方面，輸出功率允許的情況下，盡量減小電池放電深度。鋰離子電池在深度放電條件下的一致性變差，電池組的壽命也會減少。盡量防止電池深放電的同時，避免電池的過充電。系統(tǒng)內(nèi)具備了均衡電路后可以防止個別電池的過充電，適當降低充電終止電壓，可延長電池組的循環(huán)壽命。

6、其他使用過程日常維護過程中，對測量中容量偏低電池進行單獨維護性充電，使其性能恢復。間隔一定時間對電池組進行小電流維護性充電，促進電池組自身的均衡和性能恢復。使用環(huán)境方面，保證電池組良好的使用環(huán)境一致，減小振動，避免水、塵土等污染電池極柱。此項內(nèi)容，一般很難運用在車上，要用的也需要電池系統(tǒng)和整車控制器來實現(xiàn)。

結(jié)論：提高蓄電池的一致性是一個系統(tǒng)工程，需要電池的設(shè)計、生產(chǎn)、質(zhì)量控制、應用、維護等多方面共同考慮。