1.5 單體間一致性與改進措施

鋰離子電池單體電壓通常僅為3～4V，容量有限，所以在新能源汽車、電動工具等大功率系統中，需要將幾十節、上百節的鋰離子電池串聯、并聯成組使用。由于工藝制備的局限性，即使是同批次生產出的單體電池，也會存在電壓、容量、內阻及自放電率的差異。鋰電芯的正負極活性物質分別為鈷酸鋰和石墨，其中，正負電極的作用主要是參與化學反應并起導電作用，通過電子的得失產生電流并提供電能，其性能的好壞及是否失效將直接關系到鋰離子電池組的功能實現效果。考慮到機載設備的體積和重量均受到限制，在每只鋰電芯中，將多片正、負極片各自并聯，以達到提高容量的目的。鋰離子電池組利用復雜的串并聯組合結構，突破了單體電壓和容量的限制，使其得到廣泛應用。但在生產制造和使用過程中，單體間不可避免地存在著差異，造成電池組內部存在單體間不一致等問題。

1.5.1 一致性差異來源

鋰離子電池制造工藝復雜、工序繁多，包括配料、涂布、輥壓、卷繞、組裝、注液、化成和分容等。制造過程的各個工序都影響著電池的性能，各工序的誤差累積是造成單體電池性能差異的主要原因。在存儲過程中，單體電池的自放電率不同也是導致電池組容量不匹配的重要原因。自放電的影響因素較多，包括正負極與電解液反應、制作過程中摻入雜質造成的電池微短路等。電池不一致性的產生是由很多原因引起的，從電池不一致產生的階段，可以分為生產過程中的不一致和使用過程中的不一致。下面對這兩個過程中不一致的產生進行詳細的介紹。

（1）生產過程中不一致的產生 鋰離子電池的生產過程包括很多復雜的工序，主要生產流程如圖1-5所示。

現在電池的生產過程從配料到出廠要經過十幾道工序，在這些復雜的工序過程中，很難保證材料和工藝的一致性，這會導致即使是同一批次生產的電池也不能保證它們的參數完全一致，這種不一致性是不可避免的，稱為初始差異。雖然電池在每個生產環節產生的差異是很微小的，但是經過不斷的累加，這種不一致性會不斷被放大，在使用過程中這種現象也會更加突出。

（2）使用過程中不一致的產生 由于動力電池在生產過程中的初始差異的存在，電池在使用過程中會遇到許多復雜的工作狀態和工作環境，內部和外界對電池的影響會加劇單體之間的不一致。電池在使用過程中，老化程度會不斷增大，同時會出現總容量減少、內阻增大和壽命縮短等現象，使用次數越多、越頻繁，這種變化的差異會越來越明顯。實驗表明，溫度的急劇變化、充放電倍率的頻繁改變、使用次數的增加，電池各項參數的變化是十分明顯的，經過長時間、多次的使用，電池間的不一致性會更加明顯，這在電池組的使用中是重點考慮和解決的問題。

針對電池組的不一致性問題，除了在電池的生產過程中通過改進工藝水平入手外，還必須在使用過程中采取相應的均衡措施，設計適當的均衡電路，結合恰當的均衡策略解決電池的不一致性問題。確保電池組安全高效的運行，是鋰離子電池等高性能電池被廣泛應用的關鍵，也是鋰離子電池組和用電設備得以發展的橋梁。因此，電池均衡控制技術在鋰離子電池組的安全高效應用中是必不可少的。

1.5.2 一致性差異體現

單體電池的性能差異主要體現在初始狀態和存儲過程變化兩個方面。初始狀態包括容量、電壓、內阻等，電池容量的不一致性會導致短板效應。在正常放電過程中，容量低的電池放電完成后，其他電池電量還未放完，電池組不能發揮出剩余性能；若是繼續放電會造成容量低的電池過放電，影響該電池壽命，從而使電池組過早失效。在充電過程中，容量小的電池先充滿電，若要保證其他電池也充滿電，會導致容量小的電池過充電，在電極表面長出鋰枝晶，將會刺穿隔膜，導致電池短路甚至爆炸。

電池組是由單體電池串并聯組合而成的，在串聯電路中，電流相同，充電時，內阻大的電池充電電壓也較大，因此會導致內阻大的電池提前充滿電；放電時，內阻大的電池產生的熱量多，電池溫度升高會引起安全隱患。在并聯電路中，電壓相同，不同內阻通過的電流不同，因此充放電電流不同、倍率不同，充放電的速度也不相同。電壓不同時，并聯電路中的電池趨于電壓一致，因此會造成電壓高的電池給電壓低的電池充電，該過程會損失電池組的能量，導致向外輸出能量降低。在使用過程中，一般采用恒流充放電，但隨著容量逐步衰減，在電流不變的情況下，實際電流倍率變大，從而導致電池性能進一步惡化。

1.5.3 一致性差異的改善方法

電池組中單體電池差異是絕對存在的，但是我們可以減小差異，緩解電池不一致問題。目前，不一致問題的改善方法主要分為三種：

（1）優化制造工藝，提高制造過程水平

1）原材料改進。原材料的性能對電池性能和一致性具有重要影響，例如正負極材料的配比、粒徑、孔隙率等。選擇純度高、易加工、性能好的電極材料，可有效改善制作水平，提高電池一致性。采用高溫固相燒結法合成高壓實NCM523正極材料，再摻入Sr元素，結果顯示，摻雜后的材料一次顆粒和晶胞體積變大，壓實密度比未摻雜樣品提高7.2%，體積能量密度提高8%，循環100次后的容量保持率為94.2%。采用涂碳鋁箔作為正極集流體可以降低電荷轉移電阻，提高Li⁺的擴散速率，從而提升電池的性能。涂碳鋁箔的電荷轉移電阻比光鋁箔低65%以上，擴散速率是光鋁箔的3倍，功率密度漲幅大于35%。因而，研究使用具有優異性質的原材料，可以改善電池的性能和一致性。

2）過程優化。鋰離子電池制造過程復雜，每道工序的誤差累積成最終電池性能差異。因此過程控制十分重要，對每個過程進行優化，可提高產品一致性。鋰離子電池漿料是否分散均勻，直接影響電池品質。目前電池廠商廣泛采用行星攪拌機或螺旋式混合攪拌機，這種分散方式仍然存在混合不徹底、工作效率低等問題。為提高鋰離子電池漿料的分散效果，可根據鋰離子電池漿料特性采用超剪切分散機理。

注液是鋰離子電池制作過程的重要工序，注液量直接關系到電池容量和安全性能。注液太多，電池易滲漏；注液太少，會降低容量，甚至有可能引起電池局部過充電而導致爆炸。因此，保證注液精度十分重要。針對注液機的注液精度低問題，采用真空注液、優化機械結構和軟件系統，實現自動注液工藝，不僅減少了人工浪費、改善了環境污染，還能夠保證注液精度，減少電解液浪費，提高了電池質量。另外，采用自動化程度高及精度高的生產線，不僅可以提高勞動效率、改善工人勞動環境，還可以節約材料、降低能耗，并且還可以大大降低生產過程中由于人為接觸造成的污染和因人為操作的隨機性導致的電池不一致，從而提升產品品質。

（2）電池分選 無論是改進生產設備還是提高生產制備工藝，都會大大增加生產成本且需要長時間實現。基于現有條件，采用合適的分選方法是提高電池組一致性的有效方法。電池分選技術是為了減小電池組中單體電池的不一致性，提高電池組的容量使用率和循環壽命，而采用的按照一定原則選取性能相近的電池成組使用的方法。評價單體鋰離子電池初始性能一致性的方法有單參數分選法、多參數分選法和動態特性分選法。

1）單參數分選法。單體電池的分選參數有容量、電壓、內阻和自放電特性。容量是電池性能的一個重要參數，根據單體電池的容量分布情況進行一致性評價，操作簡單、易于實現，但是在實際使用過程中，容量受工作狀態和外界環境影響，因此，不能保證按照指定條件篩選出的容量一致的電池在實際充放電過程中的容量一致性。電壓分選法分為開路電壓分選和工作電壓分選。工作電壓分選相對開路電壓分選，多考慮了電池工作時的電壓，但同樣沒有考慮電池放電時間、容量等參數的影響。鋰離子電池的內阻包括歐姆內阻和電化學反應引起的極化內阻。內阻可直接測量，但由于內阻差異較小，測量設備的精度和準確性會影響電池分選質量。自放電率是鋰離子電池的一項重要性能指標，在原材料和制作過程基本相同的情況下，極少數單體電池表現出較大的自放電率，可能是由雜質、毛刺刺穿隔膜引起微短路等原因引起的。在長期存放或使用過程中，自放電率大的電池性能惡化較一般電池嚴重。因此通過自放電分選可提前剔除問題電池，保證配組電池的一致性。單參數分選法簡單方便，但單一的參數不能全面反映電池性能，因此分選效果較差。

2）多參數分選法。即選取多個特征參數對電池進行分選的方法。多參數分選可多方面縮小電池的不一致性，分選效果較好，是目前動力電池分選方法中較為準確的方法。

3）動態特性分選法。動態特性分選法是指對電池的充放電曲線特征進行分選的方法。相比容量、電壓、內阻等靜態特征，充放電曲線可動態表征電池特性，從而更全面地反映電池特性。但是，該方法耗時長、數據量大，且單一倍率下的一致性不適用于新能源汽車復雜的工況。盡管目前電池分選技術仍存在缺陷，但基于現有制造工藝水平，對縮小電池差異、延長電池組壽命，具有重要的意義。然而，分選技術只能減小單體電池間初始狀態的差異，在電池組使用過程中，不同的溫度、倍率、自放電率等都會導致電池組一致性變差。

常用的鋰離子電池一致性篩查方法還包括電壓配組法、容量配組法、內阻匹配法，它們各有優劣。例如，電壓配組法操作簡單，但未考慮荷載變化；容量配組法需按特定的充放電條件進行，花費時間長、測試成本高；內阻匹配法雖可快速完成測量，但由于無法去除極化內阻的影響，而導致精度不高。

（3）BMS調節 提高制造水平和采用分選技術，都可在電池組使用前減小電池間差異。在電池組使用過程中遇到的不一致性問題，可以通過BMS對電池組狀態進行控制，以抑制電池性能差異的放大。BMS可以準確估測SOC，進行動態監測，實時采集電池的端電壓、溫度、充放電電流，防止電池發生過充電或過放電現象，并對電池組進行均衡管理，使單體電池狀態趨于一致，從而能在使用過程中改善電池組的一致性問題，提高其整體性能，并延長其使用壽命。其中，最有前景的是用DC/DC轉換器均衡模塊中的電池電量，電量高的電池將額外電量傳遞給低電量電池，根據模塊中電池能量的分布情況采用不同的均衡技術。