鋰動力電池電芯參數(shù)的不一致性，是影響鋰動力電池模組性能發(fā)揮和使用壽命的關(guān)鍵因素，雖然熱管理水平的提升，在某種程度上保證了鋰動力電池模組的安全運(yùn)行，但鋰動力電池電芯和模組參數(shù)的一致性水平，仍是影響鋰動力電池使用壽命的重要因素。

摘要：本文在簡介了鋰動力電池的一致性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了鋰動力電池電芯在其生命周期內(nèi)的主要特性參數(shù)的一致性，分析造成鋰動力電池電芯及模組參數(shù)不一致的原因。

關(guān)鍵詞：電芯、模組、一致性

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鋰動力電池電芯/模組的一致性

鋰動力電池電芯的一致性是指鋰動力電池電芯初期容量、內(nèi)阻、電極的電氣特性、電氣連接、溫度特性、衰變速度等性能指標(biāo)的一致性。以上參數(shù)的不一致，將直接影響運(yùn)行中的鋰動力電池模組輸出電參數(shù)的差異。

鋰動力電池模組的一致性是指由同一規(guī)格型號的鋰動力電池電芯組成鋰動力電池模組后，其電壓、荷電量、容量、衰退率、內(nèi)阻及其隨時(shí)間變化率、壽命、溫度影響、自放電率及其隨時(shí)間變化率的一致性。

鋰動力電池目前在新能源汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用在逐年增加，由于同一類型、規(guī)格的鋰動力電池模組內(nèi)的各單體電芯在電壓、內(nèi)阻、容量等方面的參數(shù)值存在差別，在構(gòu)成鋰動力電池模組并安裝在電動汽車上使用時(shí)，性能指標(biāo)往往達(dá)不到鋰動力電池電芯的原有水平。

一致性影響電池性能和壽命

鋰動力電池電芯參數(shù)的不一致性，是影響鋰動力電池模組性能發(fā)揮和使用壽命的關(guān)鍵因素，雖然熱管理水平的提升，在某種程度上保證了鋰動力電池模組的安全運(yùn)行，但鋰動力電池電芯和模組參數(shù)的一致性水平，仍是影響鋰動力電池使用壽命的重要因素。

鋰動力電池電芯在使用中多為串并聯(lián)方式，由于鋰動力電池電芯從原材料到生產(chǎn)出成品，鋰動力電池電芯要經(jīng)歷許多工藝過程。由于影響產(chǎn)品性能的因素很多，尤其是一些難以控制的偶然性因素的存在，因而批量生產(chǎn)的鋰動力電池電芯的性能不可能做到完全一致。實(shí)踐表明，鋰動力電池電芯性能的一致性對鋰動力電池模組的使用壽命影響很大，因而鋰動力電池模組對鋰動力電池電芯的一致性提出了越來越高的要求。

鋰動力電池電芯在工廠生產(chǎn)、檢驗(yàn)合格出廠，其各單體電芯之間是存在一定性能差異。鋰動力電池電芯初始的不一致性隨著鋰動力電池電芯在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)，將導(dǎo)致鋰動力電池電芯狀態(tài)（SOC、電壓等）產(chǎn)生更大的差異。鋰動力電池模組的使用環(huán)境對于各鋰動力電池電芯也不盡相同，這就導(dǎo)致了鋰動力電池電芯的不一致性在使用過程中逐步放大，從而在某些情況下使某些鋰動力電池電芯性能加速衰減，并最終引發(fā)鋰動力電池模組過早失效。

1）鋰動力電池電芯并聯(lián)情況。放電能力低的1#鋰動力電池電芯與其他正常的2#、3#、4#鋰動力電池電芯并聯(lián)構(gòu)成一個鋰動力電池模組，在鋰動力電池模組放電時(shí)，每個鋰動力電池電芯都需要提供相同的電流，若需要鋰動力電池模組放電20A。平均每個鋰動力電池電芯放電5A。

由于1#鋰動力電池電芯放電能力低，最大只能放出2A電流，則正常的2#、3#、4#鋰動力電池電芯需要放出6A。正常的2#、3#、4#鋰動力電池電芯在長期超負(fù)荷的情況下，其老化速率將加快，最終使鋰動力電池模組整體的最大放電能力無法達(dá)到設(shè)計(jì)最大能力。

2）鋰動力電池電芯串聯(lián)情況。若鋰動力電池模組是由一只容量為C的鋰動力電池電芯和一只容量只有0.9C的鋰動力電池電芯串聯(lián)構(gòu)成，反應(yīng)到SOC與開路電壓的曲線上，同一SOC對應(yīng)的開路電壓，0.9C的鋰動力電池電芯端電壓偏高。由于串聯(lián)的關(guān)系，兩只鋰動力電池電芯通過同樣大小的電流，整個鋰動力電池模組在充電時(shí)，0.9C的鋰動力電池電芯最先到達(dá)充電截止電壓，導(dǎo)致鋰動力電池模組停止充電，致使容量為C的鋰電鋰電池單體電芯沒有充滿電。

在放電時(shí)，容量為0.9C的鋰動力電池電芯先放光全部可用能量，致使鋰動力電池模組停止放電。這樣，0.9C的鋰動力電池電芯始終處于滿充滿放狀態(tài)，而容量為C的鋰動力電池電芯卻一直使用部分容量和處于未充滿電狀態(tài)，最終導(dǎo)致鋰動力電池模組整體的最大放電能力無法達(dá)到設(shè)計(jì)最大能力。

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鋰動力電池電芯一致性

鋰動力電池電芯的一致性是鋰動力電池的一個重要特征參數(shù)，但是一個相對概念。同一鋰動力電池模組內(nèi)的多個鋰動力電池電芯的每一個特征參數(shù)，最好全部處在一個較小的范圍內(nèi)，即標(biāo)準(zhǔn)的要求范圍內(nèi)，可稱為鋰動力電池電芯的一致性好。鋰動力電池電芯在其生命周期內(nèi)主要的一致性特性參數(shù)有：

1）容量一致性。按照目前鋰動力電池電芯的壽命衡量標(biāo)準(zhǔn)，鋰動力電池電芯可用容量和壽命緊密聯(lián)系在一起。鋰動力電池電芯容量作為鋰動力電池電芯分組初選的重要參數(shù)，是鋰動力電池電芯不一致最重要的參數(shù)之一。造成鋰動力電池電芯容量不一致的原因很多，并且多數(shù)都是制造過程的原因。由鋰動力電池電芯組成的鋰動力電池模組，其容量符合“木桶原理”，即最差的那只鋰動力電池電芯的容量決定整個鋰動力電池模組的充放電能力及壽命。

動力電池同樣遵循“木桶原理”

2）電壓一致性。鋰動力電池電芯在化成后，經(jīng)歷同樣的充放電過程，并靜置足夠時(shí)間，在同樣的環(huán)境溫度下，當(dāng)鋰動力電池電芯充電到相同SOC，測量其開路電壓，此時(shí)體現(xiàn)出來的電壓差，就是鋰動力電池電芯的電壓不一致性。

在鋰動力電池充放電過程中，電壓值是該鋰動力電池?zé)崃W(xué)和動力學(xué)狀態(tài)的綜合反映，既受鋰動力電池生產(chǎn)過程中各工序工藝條件的影響，又受鋰動力電池充放電過程中電流、溫度、時(shí)間和使用過程中偶然因素的影響，因而鋰動力電池模組內(nèi)各個鋰動力電池電芯的電壓值不可能完全一樣。鋰動力電池電芯的開路電壓符合正態(tài)分布，就是說，所有提高一致性的努力，只能改變參數(shù)的集中度。

3）內(nèi)阻一致性。鋰動力電池電芯的內(nèi)阻是其功率特性的重要表征，也是鋰動力電池電芯成組后電芯性能參數(shù)進(jìn)一步離散化的原因之一。鋰動力電池電芯的內(nèi)阻不一致可以造成溫升不一致，是引發(fā)其他參數(shù)進(jìn)一步離散化的原因。不同內(nèi)阻的鋰動力電池電芯，在流過相同的電流時(shí)，內(nèi)阻大的鋰動力電池電芯發(fā)熱量相對比較多。鋰動力電池電芯溫升高，造成鋰動力電池電芯的劣化速度加快，導(dǎo)致內(nèi)阻進(jìn)一步升高，形成一負(fù)反饋，使高內(nèi)阻的鋰動力電池電芯加速劣化。

4）壽命一致性，鋰動力電池電芯壽命一致性的另外一層含義是鋰動力電池失效時(shí)間一致，有研究表明，并不一定是容量最小的鋰動力電池電芯或者工作條件最惡略的鋰動力電池電芯最先達(dá)到壽命的終點(diǎn)。每只鋰動力電池電芯從出廠開始，其抗衰老的能力是存在差異。鋰動力電池模組的壽命是由壽命最短的那只鋰動力電池電芯決定的，在鋰動力電池模組中，容量小的鋰動力電池電芯每次都是滿充滿放，導(dǎo)致最先到達(dá)壽命的終點(diǎn)，對于鋰動力電池模組，一只鋰動力電池電芯壽命終結(jié)，鋰動力電池模組也就跟著壽終正寢。

5）溫度特性一致性。鋰動力電池電芯除了直接影響發(fā)熱的內(nèi)阻因素外，其內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)制造過程中形成的不一致，對發(fā)熱量也會產(chǎn)生影響。每只鋰動力電池電芯在鋰動力電池模組中所處位置不同，造成其散熱條件的差異，最終也會導(dǎo)致鋰動力電池電芯溫升不一致。

鋰動力電池模組內(nèi)的溫度分布對其性能與循環(huán)壽命是有影響的，平均溫度越低，溫度不均勻程度越高，鋰動力電池模組內(nèi)的鋰動力電池電芯放電深度的不一致性越高。平均溫度越高，溫度不均勻程度越高，鋰動力電池模組的循環(huán)壽命越短。值得注意的是，不均勻的溫度分布會導(dǎo)致并聯(lián)支路間電流分配不均，從而惡化鋰動力電池電芯老化速率的一致性。

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導(dǎo)致鋰動力電池電芯及模組參數(shù)不一致的因素

（1）導(dǎo)致鋰動力電池電芯參數(shù)不一致的因素

鋰動力電池電芯參數(shù)不一致是一個不斷累積的過程，時(shí)間越長各鋰動力電池電芯之間參數(shù)產(chǎn)生的差異越大。其原因是在鋰動力電池模組的使用過程中受到使用環(huán)境因素的影響，致使鋰動力電池電芯參數(shù)的不一致被逐漸放大，從而導(dǎo)致某些鋰動力電池電芯性能加速衰減，最終導(dǎo)致鋰動力電池模組壽命終結(jié)。影響鋰動力電池電芯參數(shù)不一致的因素有：

1）鋰動力電池電芯在制造過程中，由于制造工藝生產(chǎn)水平、材料精度、純度的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能參數(shù)的不一致。使用不同批次的正極、負(fù)極和電解液生產(chǎn)的鋰動力電池電芯，一般是不能混用的。即使在分選過程中鋰動力電池電芯的參數(shù)非常一致，也不能保證在未來使用一段時(shí)間以后鋰動力電池電芯的狀態(tài)，因而當(dāng)前的處理方式是避免采用不同批次的正極、負(fù)極和電解液生產(chǎn)的鋰動力電池電芯混合使用。

一致性受生產(chǎn)工序等多方影響

2）鋰動力電池電芯生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，在整個生產(chǎn)過程中，每一工序的一致性都非常重要，但最難保障一致性的是涂布工藝過程，涂層厚度和均勻性以及材料活性都不是機(jī)械手段易于嚴(yán)密把控的，是造成鋰動力電池電芯差異的主要工序。在制造工序中產(chǎn)生的差異，只能在分選工序中盡力彌補(bǔ)。在鋰動力電池電芯生產(chǎn)過程中，即使嚴(yán)格控制配料、活漿、涂布、裁剪、輥壓等工藝過程，只是縮小批量產(chǎn)品之間的標(biāo)準(zhǔn)差,但不能消除不一致性。

（2）導(dǎo)致鋰動力電池電模組參數(shù)不一致的因素

鋰動力電池電芯主要的結(jié)構(gòu)包括正極，正極集流體，負(fù)極，負(fù)極集流體，隔膜和電解液。鋰動力電池電芯的性能表現(xiàn)的不一致，根源最終都可以挖掘到這些組成部件上來。鋰動力電池電芯的不一致性必然會傳導(dǎo)到鋰動力電池模組上，鋰動力電池電芯分選的重要性會在成型后的鋰動力電池模組上體現(xiàn)出來。

單體鋰動力電池電芯經(jīng)過焊接、夾持，串并聯(lián)，連接在一起構(gòu)成鋰動力電池模組。在此生產(chǎn)過程中的工藝不一致，必然會導(dǎo)致鋰動力電池模組與模組之間的不一致，最直觀的表征就是鋰動力電池模組的內(nèi)阻不一致。

1）在鋰動力電池模組成組過程中，焊接工藝不一致極容易造成焊接電阻的差異。鋰動力電池電芯內(nèi)阻的數(shù)量級是幾或十幾毫歐，在焊接工藝中產(chǎn)生焊接電阻的輕微不一致，對鋰動力電池模組來說，都是不可接受的。

2）用于鋰動力電池模組內(nèi)部、模組之間連接的銅排或者高壓導(dǎo)線，其自身尺寸、連接方式和表面處理也會對鋰動力電池模組的一致性造成影響，主要體現(xiàn)在鋰動力電池模組內(nèi)阻上。

3）采用不同連接方式（螺釘連接、壓接還是焊接，）的鋰動力電池模組，在使用中對鋰動力電池模組一致性的影響也是不同的。除了考慮加工的工藝性，還要考慮連接電阻的影響。采用焊接的連接點(diǎn)，如果表面處理沒有做好，出現(xiàn)了氧化腐蝕，其電阻自然會增大。而沒有銹蝕的焊點(diǎn)，電阻會與有銹蝕的焊點(diǎn)不同。

（3）導(dǎo)致鋰動力電池電模組投入使用影響參數(shù)不一致的因素

在鋰動力電池模組投入使用后，鋰動力電池模組中各個單體鋰動力電池電芯參數(shù)受電解液密度、溫度和通風(fēng)條件、自放電程度及充放電過程等差別的影響。因鋰動力電池電芯在鋰動力電池模組內(nèi)的位置不盡相同，被包裹在鋰動力電池模組中心的鋰動力電池單體電芯與身處鋰動力電池模組最外層的單體鋰動力電池電芯，散熱條件差異很大。在達(dá)到熱平衡之前，不同單體鋰動力電池電芯的溫度條件都是不同的。

1）若鋰動力電池包安裝在不同的位置，因其環(huán)境溫度不同對鋰動力電池模組一致性的影響也不同。由于距離外部環(huán)境、距離熱源條件不同，都會導(dǎo)致鋰動力電池包內(nèi)不同位置鋰動力電池模組溫度條件的差異。

2）鋰動力電池電芯相對于集流銅排的位置不同，將會造成彼此間散熱條件的不同，致使鋰動力電池電芯熱環(huán)境溫度的不一致性。

在鋰動力電池模組工作過程中，溫度的不一致會對鋰動力電池電芯參數(shù)的一致性產(chǎn)生顯著的影響。不同的熱環(huán)境疊加在一起，導(dǎo)致鋰動力電池電芯的工作環(huán)境溫度存在差異。長期工作在高溫環(huán)境的鋰動力電池電芯將逐步劣化，劣化致使鋰動力電池電芯的內(nèi)阻將上升，鋰動力電池電芯內(nèi)阻的上升使鋰動力電池電芯溫度進(jìn)一步升高，使鋰動力電池電芯進(jìn)入惡性循環(huán)。