鋰離子電池一致性問題

鋰離子電池不能做成一大只，只好把眾多小電芯組織起來，大家勁往一處使，精誠合作，也能帶著電動汽車飛起。這時候，就要面對一個問題，一致性。

為何要一致

我們?nèi)粘５南嚓P(guān)經(jīng)驗(yàn)是，兩節(jié)干電池，正負(fù)極連接起來，手電筒就能發(fā)光，有誰管它一致不一致的事情。而鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，情形卻并非如此簡單。

鋰離子電池參數(shù)的不一致重要是指容量、內(nèi)阻、開路電壓的不一致。不一致的電芯串并在一起使用，會出現(xiàn)如下問題。

1）容量損失，電芯單體組成電池組，容量符合木桶原理，最差的那顆電芯的容量決定整個電池組的能力。

為了防止電池過充過放，電池管理系統(tǒng)的邏輯如此設(shè)置：放電時，當(dāng)最低的單體電壓達(dá)到放電截止電壓時，整個電池組停止放電；充電時，當(dāng)最高單體電壓觸及充電截止電壓時，停止充電。

拿兩只電池串聯(lián)舉例。一只電池容量C，另外一只容量只有0.9C。串聯(lián)關(guān)系，兩只電池通過同樣大小的電流。

充電時，容量小的電池必然先充滿，達(dá)到充電截止條件，系統(tǒng)不再繼續(xù)充電。放電時，容量小的電池也必然先放光全部可用能量，系統(tǒng)即刻停止放電。

這樣，容量小的電芯始終在滿充滿放，容量大的電芯卻一直使用部分容量。整個電池組的容量總有一部分處于閑置狀態(tài)

2）壽命損失，類似的，電池組的壽命，由壽命最短的那顆電芯決定。很大可能性，壽命最短的電芯，就是那顆容量小的電芯。小容量電芯，每次都是滿充滿放，出力過猛，很大可能最先到達(dá)壽命的重點(diǎn)。一直電芯壽命終結(jié)，一組焊接在一起的電芯，也就跟著壽終正寢。

3）內(nèi)阻增大，不同的內(nèi)阻，流過相同的電流，內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱量相比較較多。電池溫度過高，造成劣化速度加快，內(nèi)阻又會進(jìn)一步升高。內(nèi)阻和溫升，形成一對負(fù)反饋，使高內(nèi)阻電芯加速劣化。

上面三個參數(shù)，并不完全獨(dú)立，老化程度深的電芯內(nèi)阻比較大，容量衰減也更多。分開說明，只是想表述清楚它們各自的影響方向。

3、如何應(yīng)對不一致性

電芯性能的不一致，都是在生產(chǎn)過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內(nèi)的電芯，弱者恒弱，且加速變?nèi)酢误w電芯之間參數(shù)的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。

當(dāng)前，工程師應(yīng)對單體電芯不一致，重要從三個方面考慮。單體電池分選，成組后熱管理，出現(xiàn)少量不一致時電池管理系統(tǒng)供應(yīng)均衡功能。

3.1分選

不同批次的電芯，理論上不放在一起使用。即使相同批次的電芯，也要經(jīng)過篩選，把參數(shù)相對集中的電芯放在一個電池組里，同一個電池包里。

分選的目的，是把參數(shù)相近的電芯選擇出來。分選方法，被研究了很多年，重要分靜態(tài)分選和動態(tài)分選兩大類。

靜態(tài)分選，針對電芯的開路電壓，內(nèi)阻，容量等特性參數(shù)進(jìn)行篩選，選取目標(biāo)參數(shù)，引入統(tǒng)計(jì)算法，設(shè)定篩選標(biāo)準(zhǔn)，最后將同一批次的電芯區(qū)分成若干組。

動態(tài)篩選，是針對電芯在充放電過程中表現(xiàn)出來的特性進(jìn)行篩選，有的選擇恒流恒壓充電過程，有的選取脈沖沖擊充放電過程，有的比較自身的充電和放電曲線之間的關(guān)系。

動靜結(jié)合分選，用靜態(tài)篩選做初步分組，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動態(tài)篩選，這樣劃分出來的組別更多，篩選準(zhǔn)確性更高，但成本也會相應(yīng)上升。

這里就小小體現(xiàn)了一把動力鋰離子電池生產(chǎn)規(guī)模的重要性。大規(guī)模出貨，使得廠家可以進(jìn)行更精細(xì)的分選，得到性能更接近的電池組。假如產(chǎn)量太小，分組過多，一個批次都無法裝備一個電池包，再好的方法也無法施展了。

3.2熱管理

針對內(nèi)阻不一致電芯，出現(xiàn)熱量不相同問題。熱管理系統(tǒng)的加入，可以調(diào)節(jié)整個電池組的溫差，使之保持在一個較小的范圍里。生成熱量較多的電芯，依然溫升偏高，但不會與其他電芯拉開差距，劣化水平就不會出現(xiàn)明顯的差距。

3.3均衡

電芯單體的不一致，某些電芯端電壓，總是超前于其他電芯，最先到達(dá)控制閾值，導(dǎo)致整個系統(tǒng)容量變小。為了解決這個問題，電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)了均衡功能。

某一顆電芯率先到達(dá)充電截止電壓，而其余眾電芯電壓明顯滯后，BMS起動充電均衡功能，或者接入電阻，放掉高電壓電芯的部分電量，或者把能量轉(zhuǎn)移走，放到低電壓電芯上去。這樣，充電截止條件被解除，充電過程重新開始，電池包充入更多電量。

直到現(xiàn)在，電芯的不一致性，仍然是行業(yè)內(nèi)研究的重要領(lǐng)域。電芯能量密度再高，遇到不一致性來攪局，電池包能力也會大打折扣。