鋰離子電池的不一致性會(huì)影響電池組的使用壽命，降低了電池成組后的性能。鋰電池成組不一致性是指單體電池的容量、電壓、內(nèi)阻、自放電速率等參數(shù)存在差異，是由電池組的組合結(jié)構(gòu)、使用工況、使用環(huán)境、電池管理不同所致。

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(qiáng)使用安全性、延長(zhǎng)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。

單體電池成組后，循環(huán)壽命會(huì)有所降低。選用較長(zhǎng)使用壽命的單體電池組合成電池組，會(huì)增加電池組循環(huán)使用次數(shù)，但為提升電池組整體性能，獲得更長(zhǎng)使用壽命，還應(yīng)重視單體電池匹配一致性，提供適宜的工作條件和采用妥當(dāng)熱管理措施，進(jìn)行及時(shí)修復(fù)與保養(yǎng)。在分析鋰離子電池組不一致性成因基礎(chǔ)上，提出電池不一致性的改進(jìn)措施和優(yōu)化方法。

一、不一致性機(jī)理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(guò)程中產(chǎn)生的參數(shù)差異。電池設(shè)計(jì)、制造、存儲(chǔ)以及使用過(guò)程中存在多種不可控制的因素，會(huì)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(shí)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(huì)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(huì)加快電池性能的衰減，損耗整個(gè)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(gè)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(shí)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(jìn)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(gè)電池電流的不一致，電流大的電池電壓變化快，使各個(gè)單體電池的充放電深度不一致，造成系統(tǒng)的實(shí)際容量值難以達(dá)到設(shè)計(jì)值。電池工作電流不同，其性能在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生差異，最終會(huì)影響整個(gè)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(guò)充過(guò)放都會(huì)損壞電池，多次充放電后電池組會(huì)顯露不一致性。目前，鋰離子電池充電方式有數(shù)種，但常見(jiàn)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(jìn)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(diǎn)，解決了一般恒流充電方式難以精準(zhǔn)滿充的問(wèn)題，避免了恒壓充電方式在充電初期電流過(guò)大對(duì)電池造成的影響，操作簡(jiǎn)單方便。

3 溫度鋰電池在高溫和高放電倍率下的性能會(huì)有明顯衰減。這是因?yàn)殇囯x子電池在高溫條件下和大電流使用時(shí)，會(huì)造成正極活性物質(zhì)和電解液的分解，這是放熱過(guò)程，短時(shí)間放出等熱量能導(dǎo)致電池自身溫度進(jìn)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(jìn)一步下降。所以，如果電池組熱管理不當(dāng)，會(huì)帶來(lái)不可逆性能損降。

電池組設(shè)計(jì)和使用環(huán)境差異會(huì)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(huì)對(duì)電池電化學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行、庫(kù)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(kāi)展的是溫度對(duì)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(chǔ)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(huì)有許多連接電路和控制元件。由于每個(gè)結(jié)構(gòu)件或元器件的性能和老化速度不同，以及每個(gè)連接點(diǎn)消耗的能量不一致，不同器件對(duì)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(huì)加速系統(tǒng)的惡化。

連接片阻抗也會(huì)對(duì)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(zhǎng)而阻值較大，電流則較小，連接片會(huì)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(huì)導(dǎo)致與其相連的電池過(guò)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(yùn)行的保障，但BMS輸入電路會(huì)對(duì)電池的一致性產(chǎn)生不利影響。電池電壓的監(jiān)測(cè)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(wú)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(duì)于并聯(lián)電路，單體電池的內(nèi)阻差異會(huì)造成電流分配不均，進(jìn)而導(dǎo)致SOC的不一致。SOC算法包括安時(shí)積分法、開(kāi)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(cè)試法等。

安時(shí)積分法在起始荷電狀態(tài)SOC0比較準(zhǔn)確時(shí)有較好的精度，但是庫(kù)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(cè)量，因此安時(shí)積分法很難達(dá)到荷電狀態(tài)估計(jì)的精度要求。開(kāi)路電壓法在較長(zhǎng)時(shí)間靜置之后，電池的開(kāi)路電壓與SOC存在確定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量端電壓來(lái)獲得SOC的估計(jì)值。開(kāi)路電壓法具有估算精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是靜置時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)也限制了其使用范圍。

二、成組不一致性優(yōu)化方法1 單體電池制造技術(shù)鋰電池材料鋰離子電池的正極材料有三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰等，負(fù)極材料有石墨、硅和鈦酸鋰等。同批次原材料對(duì)電池性能的一致性十分重要，在生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)原材料的粒徑分布、比表面積和雜質(zhì)含量等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，保證原材料的批次一致性。

鋰離子電池生產(chǎn)工藝電池的生產(chǎn)工藝由多個(gè)工序組成，每個(gè)工序過(guò)程都可能會(huì)影響電池的一致性。生產(chǎn)單體性能要一致，必須對(duì)每一個(gè)工序進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和管控，使之平行重復(fù)。根據(jù)電池的性能要求設(shè)計(jì)電池生產(chǎn)工序，分析原材料、電極和電解液等參數(shù)對(duì)電池一致性的影響，從而合理控制各個(gè)工序參數(shù)的閾值。生產(chǎn)線減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化也能提高電池的一致性。

2 分選制度為了降低初始狀態(tài)差異對(duì)電池組的不利影響，通常需要對(duì)單體電池進(jìn)行篩選，將狀態(tài)參數(shù)較為一致的電池組合在一起。電池成組方法主要有單參數(shù)配組法、多參數(shù)配組法和動(dòng)態(tài)特性曲線配組法。動(dòng)態(tài)特性曲線配組法通過(guò)比較同一倍率下不同電池間充放電曲線的差異，能夠很好地反映電池特性，分選效果理想。

3 電池組外電路電池串并聯(lián)方式電池組的連接方式影響電池一致性。目前有兩種較好的連接方式：先并聯(lián)兩個(gè)相同的電池為一個(gè)模塊，再將模塊串聯(lián)起來(lái)(PSB)；先串聯(lián)兩個(gè)不同的電池為一個(gè)模塊，再將模塊并聯(lián)起來(lái)(SPA)。

電池管理系統(tǒng)為了提高電池的性能和使用壽命需要對(duì)單體電池進(jìn)行管理和維護(hù)。電池管理系統(tǒng)是電池系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障，主要任務(wù)是保證電池組的性能，防止電池?fù)p壞，避免安全事故，使電池在適宜的區(qū)域內(nèi)工作，延長(zhǎng)壽命。BMS由傳感器、執(zhí)行器、控制器和信號(hào)線等部分組成，主要功能有：數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)、充放電控制、均衡充電、熱量管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信等。

雖然電池管理技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，但還需要繼續(xù)完善，尤其是在SOC的估算和數(shù)據(jù)采集精確度、均衡電路、電池快充等方面。由于不同類型的電池特性具有差異，適用于所有電池的BMS是目前的主要研究方向。

均衡控制為了緩解甚至消除電池組中各單體電池間的不一致性，提高電池組的性能、壽命和安全性，通過(guò)均衡電路和均衡控制策略能夠有效地改善電池組的不一致性。

均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要是對(duì)均衡電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，提高均衡效率，降低成本。根據(jù)均衡電路在均衡過(guò)程中電路是否消耗能量可以分為能耗式均衡和非能耗式均衡。能耗式均衡電路采用耗能元件消耗電池組中電壓較高的電池電量，從而實(shí)現(xiàn)單體電池一致性，電路簡(jiǎn)單，均衡速度快，效率高，但會(huì)導(dǎo)致電池組能量利用率不高；非能耗式電路利用儲(chǔ)能元件和均衡外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移，能量利用效率高，非能耗式均衡有開(kāi)關(guān)電容式、變換器式和變壓器式。

均衡控制策略：均衡控制策略主要是確定均衡模塊的工作方式。目前，工作方式有最大值均衡法、平均值比較法和模糊控制法。均衡能力的提升是電池一致性研究的重要方向。均衡技術(shù)需進(jìn)一步提高，包括：

(1)SOC作為最理想的判斷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)估測(cè)精度還需進(jìn)一步提高；(2)優(yōu)化均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提升均衡速度，縮短均衡時(shí)間；(3)均衡控制策略還需要優(yōu)化，確定最佳的均衡參數(shù)，根據(jù)均衡電路尋找合適的均衡路徑來(lái)達(dá)到快速均衡的目的。

現(xiàn)階段均衡控制策略的研究大多聚焦于均衡硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。但均衡電路參數(shù)會(huì)影響均衡效果。另外，均衡啟動(dòng)時(shí)電池荷電狀態(tài)、均衡閾值、充放電電流、均衡電流與充放電電流比值以及充放電工況切換方式也會(huì)影響均衡效果。

4 充放電策略科學(xué)、合理的充放電策略能夠提高電池能量利用效率。目前綜合性能最好的充電方法是電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電，通過(guò)BMS對(duì)電池組的環(huán)境溫度、單體電池的電壓和電流、一致性和溫升等狀態(tài)監(jiān)控，與充電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)時(shí)改變輸出電流，能夠防止電池過(guò)充和優(yōu)化充電。這種充電方式是目前的主流，可一定程度消除鋰電池組充電時(shí)一致性差、充電效率低和無(wú)法滿充等問(wèn)題。

5 電池?zé)峁芾黼姵亟M中各單體電池的產(chǎn)熱量和散熱量在空間上分布不均，會(huì)造成電池自身、電池組部分區(qū)域及所處環(huán)境的溫度不一致，如不加以控制，電池組內(nèi)部的溫差會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而加快電池性能衰降。因此，需要對(duì)電池組進(jìn)行熱管理。

熱管理系統(tǒng)通常要求結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，易于包裝，可靠，成本低，易于維護(hù)。它的功能有：使電池在最適宜的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行；減小電池間、模組內(nèi)和模組間的溫度差。熱管理分主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。系統(tǒng)中使用導(dǎo)熱介質(zhì)可以分為三類，分別是空氣、液體和相變材料。

目前，電池組熱管理研究有局限性，比如電池?zé)崮Ｐ瓦^(guò)于簡(jiǎn)化，電池單體常采用零維的生熱模型，電池各部分生熱率相同，缺少基于非均勻內(nèi)熱源對(duì)不同熱管理系統(tǒng)的性能對(duì)比。對(duì)鋰離子電池低溫特性研究及低溫?zé)峁芾砑夹g(shù)研究較少。（作者/唐賢文等）

原文標(biāo)題：鋰電池成組不一致性問(wèn)題及優(yōu)化

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