浅析锂动力电池电芯/模组的一致性

摘要：本文在简介了锂动力电池的一致性的基础上，重点论述了锂动力电池电芯在其生命周期内的主要特性参数的一致性，分析造成锂动力电池电芯及模组参数不一致的原因。

关键词：电芯 、模组、一致性

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锂动力电池电芯/模组的一致性

锂动力电池电芯的一致性是指锂动力电池电芯初期容量、内阻、电极的电气特性、电气连接、温度特性、衰变速度等性能指标的一致性。以上参数的不一致，将直接影响运行中的锂动力电池模组输出电参数的差异。

锂动力电池模组的一致性是指由同一规格型号的锂动力电池电芯组成锂动力电池模组后，其电压、荷电量、容量、衰退率、内阻及其随时间变化率、寿命、温度影响、自放电率及其随时间变化率的一致性。

锂动力电池目前在新能源汽车、智能电网等领域的应用在逐年增加，由于同一类型、规格的锂动力电池模组内的各单体电芯在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别，在构成锂动力电池模组并安装在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到锂动力电池电芯的原有水平。

一致性影响电池性能和寿命

锂动力电池电芯参数的不一致性，是影响锂动力电池模组性能发挥和使用寿命的关键因素，虽然热管理水平的提升，在某种程度上保证了锂动力电池模组的安全运行，但锂动力电池电芯和模组参数的一致性水平，仍是影响锂动力电池使用寿命的重要因素。

锂动力电池电芯在使用中多为串并联方式，由于锂动力电池电芯从原材料到生产出成品，锂动力电池电芯要经历许多工艺过程。由于影响产品性能的因素很多，尤其是一些难以控制的偶然性因素的存在，因而批量生产的锂动力电池电芯的性能不可能做到完全一致。实践表明，锂动力电池电芯性能的一致性对锂动力电池模组的使用寿命影响很大，因而锂动力电池模组对锂动力电池电芯的一致性提出了越来越高的要求。

锂动力电池电芯在工厂生产、检验合格出厂，其各单体电芯之间是存在一定性能差异。锂动力电池电芯初始的不一致性随着锂动力电池电芯在使用过程中连续的充放电循环，将导致锂动力电池电芯状态（SOC、电压等）产生更大的差异。锂动力电池模组的使用环境对于各锂动力电池电芯也不尽相同，这就导致了锂动力电池电芯的不一致性在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些锂动力电池电芯性能加速衰减，并最终引发锂动力电池模组过早失效。

1）锂动力电池电芯并联情况。放电能力低的1#锂动力电池电芯与其他正常的2#、3#、4#锂动力电池电芯并联构成一个锂动力电池模组，在锂动力电池模组放电时，每个锂动力电池电芯都需要提供相同的电流，若需要锂动力电池模组放电20A。平均每个锂动力电池电芯放电5A。

由于1#锂动力电池电芯放电能力低，最大只能放出2A电流，则正常的2#、3#、4#锂动力电池电芯需要放出6A。正常的2#、3#、4#锂动力电池电芯在长期超负荷的情况下，其老化速率将加快，最终使锂动力电池模组整体的最大放电能力无法达到设计最大能力。

2）锂动力电池电芯串联情况。若锂动力电池模组是由一只容量为C的锂动力电池电芯和一只容量只有0.9C的锂动力电池电芯串联构成，反应到SOC与开路电压的曲线上，同一SOC对应的开路电压，0.9C的锂动力电池电芯端电压偏高。由于串联的关系，两只锂动力电池电芯通过同样大小的电流，整个锂动力电池模组在充电时，0.9C的锂动力电池电芯最先到达充电截止电压，导致锂动力电池模组停止充电，致使容量为C的锂电锂电池单体电芯没有充满电。

在放电时，容量为0.9C的锂动力电池电芯先放光全部可用能量，致使锂动力电池模组停止放电。这样，0.9C的锂动力电池电芯始终处于满充满放状态，而容量为C的锂动力电池电芯却一直使用部分容量和处于未充满电状态，最终导致锂动力电池模组整体的最大放电能力无法达到设计最大能力。

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锂动力电池电芯一致性

锂动力电池电芯的一致性是锂动力电池的一个重要特征参数，但是一个相对概念。同一锂动力电池模组内的多个锂动力电池电芯的每一个特征参数，最好全部处在一个较小的范围内，即标准的要求范围内，可称为锂动力电池电芯的一致性好。锂动力电池电芯在其生命周期内主要的一致性特性参数有：

1）容量一致性。按照目前锂动力电池电芯的寿命衡量标准，锂动力电池电芯可用容量和寿命紧密联系在一起。锂动力电池电芯容量作为锂动力电池电芯分组初选的重要参数，是锂动力电池电芯不一致最重要的参数之一。造成锂动力电池电芯容量不一致的原因很多，并且多数都是制造过程的原因。由锂动力电池电芯组成的锂动力电池模组，其容量符合“木桶原理”，即最差的那只锂动力电池电芯的容量决定整个锂动力电池模组的充放电能力及寿命。

动力电池同样遵循“木桶原理”

2）电压一致性。锂动力电池电芯在化成后，经历同样的充放电过程，并静置足够时间，在同样的环境温度下，当锂动力电池电芯充电到相同SOC，测量其开路电压，此时体现出来的电压差，就是锂动力电池电芯的电压不一致性。

在锂动力电池充放电过程中，电压值是该锂动力电池热力学和动力学状态的综合反映，既受锂动力电池生产过程中各工序工艺条件的影响，又受锂动力电池充放电过程中电流、温度、时间和使用过程中偶然因素的影响，因而锂动力电池模组内各个锂动力电池电芯的电压值不可能完全一样。锂动力电池电芯的开路电压符合正态分布，就是说，所有提高一致性的努力，只能改变参数的集中度。

3）内阻一致性。锂动力电池电芯的内阻是其功率特性的重要表征，也是锂动力电池电芯成组后电芯性能参数进一步离散化的原因之一。锂动力电池电芯的内阻不一致可以造成温升不一致，是引发其他参数进一步离散化的原因。不同内阻的锂动力电池电芯，在流过相同的电流时，内阻大的锂动力电池电芯发热量相对比较多。锂动力电池电芯温升高，造成锂动力电池电芯的劣化速度加快，导致内阻进一步升高，形成一负反馈，使高内阻的锂动力电池电芯加速劣化。

4）寿命一致性，锂动力电池电芯寿命一致性的另外一层含义是锂动力电池失效时间一致，有研究表明，并不一定是容量最小的锂动力电池电芯或者工作条件最恶略的锂动力电池电芯最先达到寿命的终点。每只锂动力电池电芯从出厂开始，其抗衰老的能力是存在差异。锂动力电池模组的寿命是由寿命最短的那只锂动力电池电芯决定的，在锂动力电池模组中，容量小的锂动力电池电芯每次都是满充满放，导致最先到达寿命的终点，对于锂动力电池模组，一只锂动力电池电芯寿命终结，锂动力电池模组也就跟着寿终正寝。

5）温度特性一致性。锂动力电池电芯除了直接影响发热的内阻因素外，其内部电化学物质制造过程中形成的不一致，对发热量也会产生影响。每只锂动力电池电芯在锂动力电池模组中所处位置不同，造成其散热条件的差异，最终也会导致锂动力电池电芯温升不一致。

锂动力电池模组内的温度分布对其性能与循环寿命是有影响的，平均温度越低，温度不均匀程度越高，锂动力电池模组内的锂动力电池电芯放电深度的不一致性越高。平均温度越高，温度不均匀程度越高，锂动力电池模组的循环寿命越短。值得注意的是，不均匀的温度分布会导致并联支路间电流分配不均，从而恶化锂动力电池电芯老化速率的一致性。

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导致锂动力电池电芯及模组参数不一致的因素

（1）导致锂动力电池电芯参数不一致的因素

锂动力电池电芯参数不一致是一个不断累积的过程，时间越长各锂动力电池电芯之间参数产生的差异越大。其原因是在锂动力电池模组的使用过程中受到使用环境因素的影响，致使锂动力电池电芯参数的不一致被逐渐放大，从而导致某些锂动力电池电芯性能加速衰减，最终导致锂动力电池模组寿命终结。影响锂动力电池电芯参数不一致的因素有：

1）锂动力电池电芯在制造过程中，由于制造工艺生产水平、材料精度、纯度的不稳定性，导致最终产品性能参数的不一致。使用不同批次的正极、负极和电解液生产的锂动力电池电芯，一般是不能混用的。即使在分选过程中锂动力电池电芯的参数非常一致，也不能保证在未来使用一段时间以后锂动力电池电芯的状态，因而当前的处理方式是避免采用不同批次的正极、负极和电解液生产的锂动力电池电芯混合使用。

一致性受生产工序等多方影响

2）锂动力电池电芯生产工艺比较复杂，在整个生产过程中，每一工序的一致性都非常重要，但最难保障一致性的是涂布工艺过程，涂层厚度和均匀性以及材料活性都不是机械手段易于严密把控的，是造成锂动力电池电芯差异的主要工序。在制造工序中产生的差异，只能在分选工序中尽力弥补。在锂动力电池电芯生产过程中，即使严格控制配料、活浆、涂布、裁剪、辊压等工艺过程，只是缩小批量产品之间的标准差,但不能消除不一致性。

（2）导致锂动力电池电模组参数不一致的因素

锂动力电池电芯主要的结构包括正极，正极集流体，负极，负极集流体，隔膜和电解液。锂动力电池电芯的性能表现的不一致，根源最终都可以挖掘到这些组成部件上来。锂动力电池电芯的不一致性必然会传导到锂动力电池模组上，锂动力电池电芯分选的重要性会在成型后的锂动力电池模组上体现出来。

单体锂动力电池电芯经过焊接、夹持，串并联，连接在一起构成锂动力电池模组。在此生产过程中的工艺不一致，必然会导致锂动力电池模组与模组之间的不一致，最直观的表征就是锂动力电池模组的内阻不一致。

1）在锂动力电池模组成组过程中，焊接工艺不一致极容易造成焊接电阻的差异。锂动力电池电芯内阻的数量级是几或十几毫欧，在焊接工艺中产生焊接电阻的轻微不一致，对锂动力电池模组来说，都是不可接受的。

2）用于锂动力电池模组内部、模组之间连接的铜排或者高压导线，其自身尺寸、连接方式和表面处理也会对锂动力电池模组的一致性造成影响，主要体现在锂动力电池模组内阻上。

3）采用不同连接方式（螺钉连接、压接还是焊接，）的锂动力电池模组，在使用中对锂动力电池模组一致性的影响也是不同的。除了考虑加工的工艺性，还要考虑连接电阻的影响。采用焊接的连接点，如果表面处理没有做好，出现了氧化腐蚀，其电阻自然会增大。而没有锈蚀的焊点，电阻会与有锈蚀的焊点不同。

（3）导致锂动力电池电模组投入使用影响参数不一致的因素

在锂动力电池模组投入使用后，锂动力电池模组中各个单体锂动力电池电芯参数受电解液密度、温度和通风条件、自放电程度及充放电过程等差别的影响。因锂动力电池电芯在锂动力电池模组内的位置不尽相同，被包裹在锂动力电池模组中心的锂动力电池单体电芯与身处锂动力电池模组最外层的单体锂动力电池电芯，散热条件差异很大。在达到热平衡之前，不同单体锂动力电池电芯的温度条件都是不同的。

1）若锂动力电池包安装在不同的位置，因其环境温度不同对锂动力电池模组一致性的影响也不同。由于距离外部环境、距离热源条件不同，都会导致锂动力电池包内不同位置锂动力电池模组温度条件的差异。

2）锂动力电池电芯相对于集流铜排的位置不同，将会造成彼此间散热条件的不同，致使锂动力电池电芯热环境温度的不一致性。

在锂动力电池模组工作过程中，温度的不一致会对锂动力电池电芯参数的一致性产生显著的影响。不同的热环境叠加在一起，导致锂动力电池电芯的工作环境温度存在差异。长期工作在高温环境的锂动力电池电芯将逐步劣化，劣化致使锂动力电池电芯的内阻将上升，锂动力电池电芯内阻的上升使锂动力电池电芯温度进一步升高，使锂动力电池电芯进入恶性循环。