鋰離子電池不一致性綜述

黃燕琴　聶金泉　王敖　劉建強　李銀銀

摘 要：鋰離子電池是電動汽車的關鍵部件之一，電池組作為電動汽車的供能部分，對整車性能起到?jīng)Q定性作用。本文首先剖析了電池一致性的產(chǎn)生機理及其表現(xiàn)形式。其次，針對鋰離子電池安全性、使用壽命以及容量衰減等方面的問題，從電池不一致性評價方法和改善不一致性的措施展開分析。電池不一致性評價方法主要有單參數(shù)評價、多參數(shù)評價、動態(tài)特性評價的一致性評價方法。改善不一致性的措施主要有提高制造工藝和改進原材料水平，保證單體電池出廠時的一致性;電池成組使用前對電池進行選配，以減小單體電池初始差異;利用均衡技術減小各電池單體間的能量差異，進而提高電池組的一致性;利用電池熱管理技術降低溫度對電池一致性的影響，進而提高電池的使用壽命。最后，對改善一致性的措施進行了展望。

關鍵詞：鋰離子電池 不一致性 電動汽車

Review on Inconsistent of Lithium-ion Batteries

Huang Yanqin，Nie Jinquan，Wang Ao，Liu Jianqiang，Li Yinyin

Abstract：Lithium-ion battery is one of the key components of electric vehicle. As the energy supply part of electric vehicle， battery pack plays a decisive role in the performance of the whole vehicle. In this paper， the mechanism and manifestation of battery inconsistency are analyzed. In view of the problems of safety， service life and capacity attenuation of lithium-ion battery， the evaluation method of battery inconsistency and the measures to improve inconsistency are analyzed. The evaluation methods of battery inconsistency mainly include single parameter evaluation， multi-parameter evaluation and dynamic characteristic evaluation. The main measures to improve the inconsistency are to improve the manufacturing process and raw material level to ensure the consistency of the single cell when it leaves the factory， to reduce the initial difference of the single cell before the battery is used in groups， and to reduce the energy difference between the cells and improve the battery consistency.

Key words：lithium-ion battery， inconsistency， electric vehicles

鋰離子電池（Lithium-ion battery，LIB）具有高能量密度、循環(huán)壽命長、無記憶效應等優(yōu)點，廣泛應用于電動汽車和儲能等民用領域[1]。受限于單體電池制造技術 ，通常在組成動力電池組時需要將多個單體電池進行串聯(lián)或者并聯(lián)才能達到汽車實際性能需求，而動力電池組中各個單體電池之間會存在一些差異，稱之為一致性問題[2]。并且隨著單體電池數(shù)量的增加，使得電池一致性問題尤為突出。一致性問題引起電池使用壽命縮短、電池組性能和安全性降低等一系列問題，電池的一致性問題成為動力電池發(fā)展的制約瓶頸[3]。

單體電池的不一致性主要來源于制造或存儲過程和使用過程[4]。生產(chǎn)過程中經(jīng)常通過對制造工藝精度的控制來間接縮小不一致性，但這只能減小初始參數(shù)差異，而不能徹底消除。電池的一致性具有傳遞性和累積性，受眾多因素交互影響，使用過程中初始參數(shù)的細微差別會被無限放大?？梢詮碾姵厣a(chǎn)環(huán)節(jié)、電池分選、電池均衡、動力電池熱管理等方面聯(lián)合入手，改善這種情形。

本文作者從不一致性產(chǎn)生機理及表現(xiàn)形式、不一致性的評價方法、改善不一致性的措施等方面，對國內外電池不一致性研究進行綜述，并做了相應的展望。

1 不一致性產(chǎn)生機理及表現(xiàn)形式

1.1 不一致性產(chǎn)生原因

電池的不一致性可以根據(jù)電池處在不同狀態(tài)進行分類，在產(chǎn)生或存儲中出現(xiàn)的不一致性被稱作為靜態(tài)不一致性，而在使用過程中出現(xiàn)的不一致性則被稱為動態(tài)不一致性[5]。靜態(tài)不一致性受到生產(chǎn)裝配技術、生產(chǎn)工藝、存儲環(huán)境及存儲時的自放電程度等的影響。動態(tài)不一致性受到電池內阻、充放電工況、容量、電壓和自放電速率、溫度、電池外電路連接方式、BMS 輸入電路等多方面的影響，如圖1所示。實際中，電池組各個單體電池各方面初始性能有著不可避免的差異，這就導致了在相同的電流激勵下，各個單體的工作狀態(tài)存在的各種差異，同時引起性能差異逐漸變大，引起了串聯(lián)電池組的“惡性循環(huán)”。部分單體電池的性能變差，導致其容易充滿，存儲電量變少，從而影響整個電池組的性能，性能差的單體電池，就像木桶的短板，會直接對電池組的循環(huán)使用壽命造成嚴重的影響。

1.2 不一致性表現(xiàn)形式

電池不一致性主要體現(xiàn)在容量、SOC、自放電率、內阻、電壓等的差異。

1.2.1 容量不一致

容量指的是電池組的最大可用容量。電池容量受到溫度、放電倍率、循環(huán)次數(shù)、電池內部參數(shù)差異等因素的影響。文獻[6]的研究表明單體電池容量差異性存在正態(tài)分布的特點。文獻[7]的研究表明電池組的容量比單體電池中的最小容量更低。電池組容量由所有單體電池中當前可放電最小電量和可充電最小電量的電池決定。

1.2.2 內阻不一致

電池的內阻直接影響電池外在參數(shù)差異，電池內阻主要包括歐姆內阻和極化內阻[8]。在循環(huán)充放電過程中各單體內阻大小可反映出單體間的一致性，所有單體內阻分布越集中其一致性越好，反之越分散其一致性越差。內阻也會受到電池所處環(huán)境溫度的影響，內阻的不一致性體現(xiàn)了電池的能量損耗，也會反映到電池組的不一致性。文獻[9]對多個動力電池的阻抗測試發(fā)現(xiàn)同一廠家的單體電池存在不一致性，不同廠家的電池不一致性更明顯。文獻[10]利用橋接于鋰離子電池組內的電容電流特性檢測鋰離子電池組中各單體內阻一致性，且該方法能夠準確定位不一致單體的位置。

1.2.3 電壓不一致

電壓的不一致性主要表現(xiàn)在開路電壓不一致和工作電壓不一致[11]。電池多數(shù)情況都是處于工作狀態(tài)，電池的工作電壓的變化可以反應電池的內阻變化，工作電壓的參數(shù)差異也可以體現(xiàn)電池組內各個單體電池的劣化程度，因此工作電壓對于電池的動態(tài)一致性評價有著重要作用。文獻[12]中進行了實車驗證，發(fā)現(xiàn)鋰電池組的電壓不一致性呈現(xiàn)近似正態(tài)分布。文獻[13]對磷酸鐵鋰電池電壓一致性改善的研究表明，環(huán)境溫度控制在25～45℃為宜，以35℃附近最佳，結合分容放電后以小倍率電流續(xù)放電或微補電的方式，可以使電壓一致性顯著提升。

1.2.4 自放電率不一致

自放電指的是電池在存儲過程中，其內部能量自然損耗的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)隨著存儲時間的增加，能量流失增加，開路電壓下降。自放電率主要受到電池材料、制造工藝、儲存條件等的影響。研究表明自放電率也近似于正態(tài)分布規(guī)律。

1.2.5 SOC不一致

電池的SOC差異是多個因素耦合作用產(chǎn)生的，SOC能夠綜合描述電池的工作電壓和內阻變化[5]。充放電時，SOC是引起電池電壓、內阻等一致性差異的主要原因，SOC不同還會造成電池溫度的差異。

2 電池組不一致性評價方法

一致性評價方法關鍵是選擇出合適的能反映電池綜合性能的一致性評價參數(shù)。主要有基于電壓、容量、內阻等參數(shù)的鋰電池組一致性評價，分為單參數(shù)評價、多參數(shù)評價、動態(tài)特性評價方法[14]。

2.1 單參數(shù)評價法

單參數(shù)評價法僅選擇某一個參數(shù)來評價一致性，無法反映電池的真實狀況，主要集中在電壓、荷電狀態(tài)和容量的分析方面。

2.1.1 基于工作電壓的評價方法

利用電池工作電壓評價電池組的一致性主要通過電壓標準差以及電壓極差進行評價，計算方程為：

電壓標準差越大說明電池組的一致性越差，電壓極差越小說明個別電池的差異性越小[15]。電池的工作電壓會受到電流、溫度等的影響，使得基于工作電壓的評價方法結果不準確。

2.1.2 基于SOC的評價方法

利用電池SOC評價電池組的一致性主要通過SOC標準差和極差進行評價[14]，計算方程為：

SOC標準差越小則電池組的一致性越好，SOC極差越大則個別電池的差異越大[15]。SOC 綜合電池的各個參數(shù)，可以反映更多的電池信息。相較于單獨使用工作電壓評價的方法，利用SOC評價的方法更加合理。文獻[16]提出了將SOC和電壓作為電池組一致性評價參數(shù)的模型。針對所提出模型中存在誤差、適用性差等問題做出新的評價，文獻[17]提出一種分段SOC一致性模型，將電池的充放電情況分為三段進行評價，結果表明該一致性評價模型的評價效果更好。

2.1.3 基于容量差值的評價方法

容量差值的評價方法與SOC評價法比較相似，實際應用中，由于使用環(huán)境和工作狀態(tài)的不同會導致電池容量發(fā)生變化，使得容量在線估測比較困難，因此該方法不太適用于在線實時均衡[15]。

2.2 多參數(shù)評價法

上述一致性評價方法都是選擇其中一個參數(shù)來評價電池一致性，還可以將電壓、容量、內阻、放電倍率等參數(shù)中的兩個或者多個參數(shù)組合來評價一致性。但是多參數(shù)評價法不能反映出動力電池充放電過程中的特性。文獻[18]對電池一致性特征參數(shù)進行分析，建立了電池一致性的多參數(shù)評價函數(shù)。解決了電池均衡技術中采用單一參數(shù)評價電池一致性的問題。

2.3 動態(tài)特性評價法

動態(tài)特性方法分為電池內部動態(tài)過程評價和充放電特性曲線評價，電池內部動態(tài)過程評價一致性需采用專門的設備，測試周期長，不利于實際生產(chǎn)，相對于動態(tài)內部動態(tài)過程評價而言，依據(jù)充放電特性曲線對電池進行一致性評價能夠較全面地反映電池的綜合性能[14]。文獻[19]提出了一種基于多特征加權的鋰離子電池組在線一致性評價方法?？紤]了靜態(tài)和動態(tài)特性，選取開路電壓、歐姆內阻和極化內阻評價電池組的一致性。同時考慮到開路電壓、歐姆內阻和極化內阻對電池組一致性影響不同，利用熵權法確定了權值，提高了一致性評價的可靠性。文獻[20-21]對充放電電壓進行了描述，使得對一致性的評價參數(shù)成為動態(tài)變量。但是需要大量電池和實驗量。

3 改善不一致性的措施

電池組一致性問題受到多個因素相互影響，具有傳遞性和累積性，在構成電池組后差異仍會存在不能徹底消除。因此可以從電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、電池的分選、電池均衡、動力電池熱管理等方面改善電池組的不一致性。

3.1 電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)

生產(chǎn)過程中所使用的原材料和加工工藝同樣會對電池的一致性產(chǎn)生不小的影響。通常通過對加工過程中設備精度加工精度的控制來盡量保證單體電池的初始一致性。通過改進制造工藝和控制生產(chǎn)設備精度來縮小不同單體間的差別，可以保證單體電池在出廠時的初始一致性。但是同時需要大量的資金與技術投入，由于生產(chǎn)設備精度的限制和加工工藝的差異，使得電池之間的這種不一致性始終存在。

文獻[22-23]通過加權算術均值法綜合專家權重和因素指標權重，得到影響電池一致性的關鍵工藝為極片輥壓、真空干燥、注液壓實密度、混料均勻性等，對工程實踐具有指導意義。文獻[24-25]分析了電池制造工藝參數(shù)對電動車用鋰離子電池一致性的影響。在此基礎上，文獻[26]結合企業(yè)實際情況對鋰離子電池設計和生產(chǎn)制造時需要注意的問題進行了總結。文獻[27]利用改進電芯工藝和電池組的分選組配工藝、增加電解液的鋰鹽濃度的方法，有效提升了電池組的一致性。文獻[28-30]通過改進原材料來改善電池的性能和一致性。生產(chǎn)線減少人為因素的干擾，實現(xiàn)自動化也可以提高電池的一致性[31]。

3.2 電池的分選

電池分選的目的是減小電池單體的初始差異，盡可能降低電池的初始不一致性。電池分選方法主要包括單參數(shù)、多參數(shù)、動態(tài)特性以及電化學阻抗譜分選法、模型分選法以及多種分選法相結合的分選方法[32]。

單參數(shù)分選法指選取電池的歐姆內阻、極化內阻、充電截止電壓、容量等的某一個參數(shù)對電池進行一致性分選，將某一種參數(shù)相同或相近的電池作為一個類型，進而提高電池的一致性。多參數(shù)分選法指選取兩種及兩種以上代表性參數(shù)組合進行分選。動態(tài)特性分選法指選取電池充放電過程中的開路電壓、容量等參數(shù)作為分選變量，對電池進行分選的一種方法。模型分選法指通過建立電池內部參數(shù)的等效電路模型，通過該模型可以進一步確定電池的參數(shù)，并且對該模型下電池參數(shù)進行測試確定電池性能，以此來對電池的一致性進行評價。電池等效電路模型常用的參數(shù)有極化內阻、極化電容、開路電壓、歐姆內阻等[33]。表1對各種分選方法進行了統(tǒng)計和對比。

電池的分選只能選擇出電池成組使用前相對“一致”的電池單體，成組后的不一致性較多取決于成組后單體的工作環(huán)境和數(shù)量，因此，只通過分選是不夠的。

3.3 電池均衡

電池均衡主要是為了減小各電池單體間的能量差異，進而提高電池組的一致性。緩解電池單體SOC不一致給電池帶來的消極影響，將電池運行過程中微弱的不一致及時調整。電池均衡技術分為均衡拓撲和均衡策略[46]。其中均衡拓撲主要是有能量消耗散的被動均衡和無能量消耗的主動均衡[47]。均衡策略利用算法對電路進行控制，均衡拓撲利用元件連接形成電流通路。由于均衡策略算法復雜、難度較大，大都處于仿真階段。而對均衡拓撲的研究比較成熟，很多學者已經(jīng)對基本均衡拓撲進行了相關整理和綜述[48-49]，其中，文獻[48]總結了串聯(lián)鋰離子電池組均衡拓撲結均衡電路從拓撲原型改進和發(fā)展的過程，分別概括了基本均衡拓撲結構的工作原理及特點，闡述了不同工況下均衡拓撲結構的選擇和改進的方法。文獻[49]總結了電池均衡的方法及電池均衡方案的分類，重點闡述了電池SOC精確估算的方法。

3.3.1 主動均衡

主動均衡主要通過電感（電容）和變壓器等元件轉移單體電池間的能量來實現(xiàn)電池均衡。主動均衡方法的拓撲比較多樣，主要有電感均衡、電容均衡、并聯(lián)均衡、變壓器式均衡等[50]。優(yōu)缺點如表2所示。

目前主要的研究內容之一就是對現(xiàn)有的拓撲結構進行優(yōu)化和改進。文獻[51]設計了一種基于雙向反激變換器的鋰電池組均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括均衡電路和控制策略電路和控制策略。均衡效果較好，均衡速度快。文獻[52]設計了雙向DC/DC變換器均衡電路，采用主元分析法、蟻群算法、動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡、無跡卡爾曼濾波聯(lián)合算法估算SOC。實驗和仿真結果表明，該均衡方案誤差小、穩(wěn)定性好、效率高，同時避免了傳統(tǒng) DC/DC 變換器能量傳遞的局限性。文獻[53]提出了基于耦合繞組的鋰電池組主動均衡方案，通過對耦合繞組的選擇性充放電來實現(xiàn)單體間能量轉移，采用電壓和SOC雙變量的均衡控制策略。該方案兼顧了均衡效率、均衡速度、成本問題。針對電池組均衡管理系統(tǒng)均衡時間長的問題。文獻[54]提出了自由成組的分層均衡技術，結果表明該均衡電路可以明顯縮短均衡時間。文獻[55]提出了一種基于LC-L的串聯(lián)電池組主動均衡拓撲，均衡能量能夠在任意單體間轉移，具有結構簡單、均衡電流控制簡單和易擴展的優(yōu)點。文獻[56]提出了基于正激變換器的雙向DC/DC變換器及開關陣列的主動均衡電路拓撲和基于聚類分析的SOC均衡控制策略，在保證均衡快速性的情況下，可以提升電池組可用容量。

3.3.2 被動均衡

被動均衡是通過旁路電阻等將能量較高電池中的多余能量以熱能形式耗散。被動均衡中的電阻均衡法由于電路拓撲結構簡單而受到了廣泛的應用。電阻均衡法主要是通過設定均衡閾值，當達到條件時，開關便會閉合，將電池組中能量較高的單體電池與均衡電阻連接，形成回路，通過電阻發(fā)熱消耗多余的能量來完成電池均衡。圖3為典型的被動均衡方法。

被動平衡的電路十分簡單，成本低，但是會造成相當一部分能量的浪費，效率也較為低下。并且單純的使用被動均衡無法滿足電池系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性的要求[57-58]。文獻[59]利用CAN網(wǎng)絡結合多種均衡方式，實現(xiàn)了多模組同時快速均衡，結果表明該系統(tǒng)可以有效改善電池組的不一致性，還可以調節(jié)電池模組間的電量，使整個電池包具有更好的一致性。文獻[60]提出主動均衡與被動混合的均衡拓撲和基于模糊控制的多種變量融合的均衡策略。具有均衡的高效性、可行性和擴展性等特點。

3.4 動力電池熱管理

電池熱管理是為了降低電池溫度對電池單體間一致性造成的影響，進而提高電池的使用壽命。單體電池的產(chǎn)熱量和散熱量的不同，環(huán)境溫度的不均勻都會導致電池不一致性的產(chǎn)生。在現(xiàn)實應用中，這種溫度差異性的逐漸累積會加劇不一致性。因此合理有效的熱管理系統(tǒng)顯得尤為重要。由于單體電池的產(chǎn)熱難以管控，所以目前很多學者大都選擇對電池的散熱進行研究，主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻、熱管冷卻以及多種方式組合冷卻的方式[61]。

空氣冷卻指利用空氣和電池模組間的熱對流或利用風扇、氣泵強制空氣對流來降低電池溫度，是最早出現(xiàn)的一種冷卻方式。液體冷卻是通過將電池浸在液體中或在電池之間插入微通道、冷板來降低電池溫度。相變材料在相變時會釋放或吸收大量的熱，并且溫度不會發(fā)生太大的改變。這種相變過程的等溫性，有利于使溫度變換維持在一定的較小的范圍內。熱管冷卻是利用液體循環(huán)帶走熱端的熱量，進而降低電池組溫度。

相變材料冷卻廣泛應用于車用鋰離子電池中，通過相變材料冷卻與其他冷卻方式相結合的方式，可以提高電池散熱效率。表3對比了各種冷卻方式的優(yōu)缺點，可為電池散熱方式的選擇提供一定的參考。

電池組的熱管理一方面是指對單體電池組合方式和電池包結構進行優(yōu)化，另一方面是指設計出性能良好的電池組熱管理系統(tǒng)[73]。關于電池熱管理系統(tǒng)設計方法的文獻較多，圖4是最有代表性的一種。

4 結語

（1）電池不一致性的受眾多因素影響，不同因素相互耦合， 導致電池組內各單體電池衰減不同，影響整個電池組的性能，尤其是電池組的循環(huán)使用壽命會因此降低。

（2）一致性評價方法的關鍵在于選取能充分反應電池綜合性能的指標作為一致性評價的參數(shù)，使得所得的評價不僅能反應電池的參數(shù)一致性，也能反應電池的動態(tài)一致性。

（3）改善一致性措施的方法中生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以在產(chǎn)品設計前就考慮設計參數(shù)對產(chǎn)品一致性的影響，在制造過程中提高制造自動化水平，減少人為的干擾因素，增加同批次電池的一致性;各種分選方法都存在精確度不足、適用性差等問題，多參數(shù)、動態(tài)特性模型分選法是目前研究的趨勢;電池均衡拓撲的研究可考慮多種均衡方法互相組合，改善單一均衡的缺陷，實現(xiàn)兼具多種均衡方法優(yōu)點的復合型均衡拓撲。

基金項目：中央引導地方科技發(fā)展專項“動力電池系統(tǒng)測試與標準化創(chuàng)新平臺”（編號：2018ZYYD029）;湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目（T201815）。

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