靳尉仁，龐 靜，唐 玲，丁 正

(北京有色金屬研究總院動力電池研究中心，北京 10088)

單體電池之間的性能不一致，將嚴(yán)重影響電池組的性能發(fā)揮，因此在對鋰離子動力電池進(jìn)行組合時(shí)，要求參與配組的單體電池性能盡可能一致。在鋰離子電池生產(chǎn)過程中，由于原材料的細(xì)微差別和生產(chǎn)工藝的波動，電極厚度、電極孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)及活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差異，導(dǎo)致制備的電池在容量、內(nèi)阻、電壓等性能方面存在一定的不一致性［1］。研究單體電池性能一致性的評價(jià)方法，以提高配組單體電池一致性，顯得十分重要。

本文作者介紹了目前用于評價(jià)鋰離子動力電池初始性能一致性的方法。

1 單參數(shù)評價(jià)電池一致性

1.1 電池電壓

電池開路電壓間接地反映了電池的某些性能，保證電池開路電壓的一致，是保證性能一致的一個(gè)重要方面。方送生等［2］將電池分別在半電及滿電狀態(tài)下貯存，測量貯存結(jié)束后電池的開路電壓，根據(jù)開路電壓及變化對電池的一致性進(jìn)行評價(jià)。這種方法具有操作簡單便捷、測量結(jié)果精確等特點(diǎn)，但開路電壓不能反映電池的其他性能，僅根據(jù)開路電壓評價(jià)一致性，具有很大的局限性。

李楊等［3］對磷酸鐵鋰(LiFePO4)鋰離子電池在50%荷電狀態(tài)(SOC)下以7.5 C充電10 s和以10.0 C放電10 s，采集充、放電第10 s瞬間的動態(tài)電壓，以這兩個(gè)電壓為參數(shù)評價(jià)電池的一致性。陳邦華等［4］將放電態(tài)電池串聯(lián)成電池組，對電池組以一定的電流充入不超過額定容量93%的電量，得到平臺電壓和最高電壓，以平臺電壓和最高電壓為參數(shù)，對電池的一致性進(jìn)行評價(jià)。

以動態(tài)電壓為評價(jià)電池一致性的參數(shù)，能夠較真實(shí)地反映電池在使用過程中性能的一致性，但方法不易實(shí)施，也無法消除荷電時(shí)間、荷載變化和輸出容量等因素的影響。

1.2 電池容量

容量是體現(xiàn)電池性能的一個(gè)重要參數(shù)?？捎煞烹姇r(shí)間和電流計(jì)算容量，再根據(jù)容量及分布對一致性進(jìn)行評價(jià)。

這種方法具有操作簡單、設(shè)備便宜、廠家易于實(shí)施等特點(diǎn);但工作狀態(tài)和使用環(huán)境不同，都會引起電池電壓、容量特性的變化，在指定條件下的容量一致，并不能保證電池在實(shí)際充放電過程中保持一致［5－6］。

1.3 電池內(nèi)阻

電池的內(nèi)阻可以快速地測量，因此被廣泛用于評價(jià)電池的一致性。邱瑞珍等［7］將鋰離子電池在低溫環(huán)境下儲存一段時(shí)間后測量內(nèi)阻，根據(jù)內(nèi)阻及分布對一致性進(jìn)行評價(jià)。

由內(nèi)阻評價(jià)電池的一致性，在目前僅能作為定性參考，作為定量、精確的判據(jù)，在理論上和實(shí)現(xiàn)上還有許多問題沒有解決:理論上尚未確定電池內(nèi)阻與特性間的數(shù)學(xué)模型、函數(shù)關(guān)系和邊界條件;準(zhǔn)確測量內(nèi)阻數(shù)值還有較大的難度［8］。

2 多參數(shù)評價(jià)電池一致性

電池具有多個(gè)特性參數(shù)，人們根據(jù)有關(guān)參數(shù)的取舍，提出了多種評價(jià)電池一致性的方法。

韓偉［9］提出對電池以不同的電流進(jìn)行短時(shí)間放電，記錄放電結(jié)束時(shí)刻的電壓;電池電壓為0時(shí)的電流作為短路電流。利用開路電壓Uoc和短路電流Isc，通過式(1)計(jì)算電池內(nèi)阻R;根據(jù)采集的電壓(U)、電流(I)數(shù)據(jù)，利用式(2)計(jì)算電池的最大功率Pmax;根據(jù)電池的開路電壓、短路電流、內(nèi)阻及最大功率，進(jìn)行電池一致性的評價(jià)。這種方法能夠較好地反映電池大電流工作性能，但短路測量會對電池造成一定的破壞;另外，由于電池的短路電流很大，需要測量設(shè)備具有較大的量程，限制了該方法的應(yīng)用。

楊華通等［10］提出了根據(jù)額定電流和電壓計(jì)算電池的額定功率P，分別以額定功率的80%、100%和108%恒功率放電至截止電壓，計(jì)算各電池放電時(shí)間t的標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差評價(jià)電池恒功率性能的一致性。電池以不同的倍率進(jìn)行恒流放電，在相同倍率下測得每只電池在相同電壓(不是放電截止電壓)時(shí)的放電容量，計(jì)算電池放電容量的標(biāo)準(zhǔn)差(每一個(gè)倍率具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)，以此評價(jià)電池的恒流放電性能一致性。這種方法較充分地考慮了不同使用條件下電池性能的變化，能較好地反映電池在實(shí)際應(yīng)用過程中的一致性;但未考慮電池的充電性能，具有一定的局限制，且測試時(shí)間較長，對測試設(shè)備的要求較高。

徐春明等［11］提出利用放電容量、擱置過程中電壓下降的幅度及放電結(jié)束后電壓的上升幅度，評價(jià)電池的一致性。先測試電池的0.2 C放電容量;再將電池充電至50%額定容量，并測量靜置24 h和168 h后的電壓U1和U2，計(jì)算電壓下降幅度(U1－U2);繼續(xù)將電池充滿電，保持并聯(lián)4 h以上，以確保電池電壓一致，然后將電池(電池?cái)?shù)量超過組成一個(gè)實(shí)際電池組所需的數(shù)量)串聯(lián)起來形成一個(gè)電池組，對電池組放電至其中任一電池達(dá)到截止電壓，記錄放電結(jié)束1 h后各電池的電壓值U3，以這3個(gè)參數(shù)對電池一致性進(jìn)行評價(jià)。該方法采用擱置過程中電壓變化的幅度作為評價(jià)電池一致性的一個(gè)參數(shù)，同時(shí)考慮了電池放電容量及模擬放電過程，較好地反映了電池放電性能及擱置性能的一致性;但也有明顯的不足:部分電池體系的電壓對SOC狀態(tài)不敏感，僅通過擱置過程中電壓變化不能反映電池性能變化;沒有考慮電池電壓的動態(tài)特性;測試時(shí)間冗長，測試過程繁瑣。

多參數(shù)評價(jià)方法的核心是有關(guān)參數(shù)的選取，通過選取一些較關(guān)鍵的電池性能參數(shù)，可接近于識別出電池內(nèi)部的實(shí)質(zhì)差別，是對動力電池一致性比較準(zhǔn)確的評價(jià)方法。有關(guān)參數(shù)與電池特性之間的關(guān)系，在理論上還不十分清楚，關(guān)鍵參數(shù)的選擇還缺乏理論指導(dǎo);選取的參數(shù)大多數(shù)是電池處于穩(wěn)態(tài)時(shí)的外部參數(shù)，無法反映電池充放電過程中特性變化趨勢;部分參數(shù)仍存在測量精度的問題。

3 根據(jù)動態(tài)特性評價(jià)電池一致性

3.1 基于電池內(nèi)部動態(tài)過程

鋰離子電池在充放電過程中涉及多個(gè)物理化學(xué)過程，從理論上來說，如果內(nèi)部的各物理化學(xué)過程一致，則電池就具有較高的一致性。一般認(rèn)為，正、負(fù)極活性材料中Li+的擴(kuò)散過程和電解液中Li+的傳輸過程，是影響鋰離子電池性能的主要步驟。恒流充放電一段時(shí)間后，電池內(nèi)部及活性材料顆粒中會形成Li+濃度梯度。電流突然停止，電池電壓急劇變化階段，主要是內(nèi)部歐姆內(nèi)阻引起的壓降;在隨后的過程中，電壓的緩慢變化，主要是由濃差極化和電化學(xué)極化引起的。李成亮等［12］提出:電池在恒流放電結(jié)束后電壓急劇變化階段的變化幅度為ΔU1，電壓緩慢變化階段的電壓變化幅度為ΔU2，從開始擱置至電池電壓基本保持穩(wěn)定(忽略電壓急劇上升階段所需要的時(shí)間)的弛豫時(shí)間為Δt，分別計(jì)算這3個(gè)參數(shù)相對于基準(zhǔn)電池的相對偏差，以3個(gè)相對偏差之和作為評價(jià)電池一致性的指標(biāo)。該方法所選取的參數(shù)直接針對電池內(nèi)部的微觀過程，具有明確的物理意義，同時(shí)操作上簡單易行，理論上具有一定的適用性，但選取的參數(shù)過少，不能全面反映電池的實(shí)際性能。

從電化學(xué)阻抗譜(EIS)可得到有關(guān)參比電極到工作電極之間的溶液電阻、雙層電容及極化電阻的信息，根據(jù)EIS評價(jià)鋰離子電池一致性，成為研究熱點(diǎn)之一［13］。可將電池等效為由一系列電子元件組成的等效電路，測量電池在不同角頻率下的頻率響應(yīng)函數(shù)值，通過曲線的形狀和特點(diǎn)，確定等效電路中有關(guān)元件的參數(shù)，從而得出有關(guān)過程的動力學(xué)參數(shù)或有關(guān)體系的物理參數(shù);根據(jù)等效電路中相應(yīng)電子元件的參數(shù)，對電池的一致性進(jìn)行評價(jià)［14－15］。這種基于EIS分析的方法更貼近電池的本質(zhì)。由于測量電池EIS的時(shí)間較長，無法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，作者提出了基于阻抗譜的多點(diǎn)頻譜法。該方法僅測試電池在特定頻率下的阻抗響應(yīng)，利用MATLAB軟件對選取的特定頻率進(jìn)行擬合，進(jìn)而算出等效電路中各電子元件的參數(shù)。

根據(jù)電池內(nèi)部動態(tài)過程評價(jià)一致性的方法，直接針對影響電池性能的內(nèi)部因素和過程，評價(jià)的參數(shù)體系具有明顯的物理意義，用來評價(jià)電池一致性具有科學(xué)性;但需要采用專門的測試設(shè)備，測試周期也較長，測試結(jié)果的解讀需要較高的理論知識，不利于這些方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

3.2 基于充放電特性曲線

充放電特性曲線幾乎涵蓋了電池的全部特性，如果充放電特性曲線具有較好的一致性，則電池也具有良好的一致性。根據(jù)充放電特性曲線對一致性進(jìn)行評價(jià)，充分考慮了各單體電池特性的變化規(guī)律，能更充分地反映一致性。

多智華等［16－17］從充放電電壓特性曲線上提取13個(gè)采樣點(diǎn)，作為代表波形變化趨勢的特征項(xiàng)，在此基礎(chǔ)上建立曲線向量模型;對特征向量矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱的影響;采用絕對值距離法，計(jì)算曲線之間的相似程度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)電池一致性的評價(jià)。單毅［18］在充放電曲線上選取特征點(diǎn)，以電池放出一定容量時(shí)的工作電壓作為評價(jià)參數(shù)，以不同電池對應(yīng)特征點(diǎn)之間的歐氏距離為評價(jià)指標(biāo)，采用層次聚類的方法，通過統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS得到單體電池之間的差異程度，按照差異程度對電池的一致性進(jìn)行評價(jià)。

聞濤等［19］提出:電池以2 C的電流進(jìn)行一次充放電測試，對每一只電池以相同的時(shí)間間隔采集電壓數(shù)值，將每一只電池的電壓數(shù)值按照時(shí)間順序排列，形成電池的特征向量;計(jì)算全部電池在每一個(gè)采樣時(shí)刻的電壓平均值，將電壓平均值按時(shí)間順序排列，形成標(biāo)準(zhǔn)電池的特征向量;按式(3)計(jì)算每一只單體電池與標(biāo)準(zhǔn)電池的相關(guān)系數(shù)rys:

式(3)中:yi為單體電池特征向量的第i個(gè)數(shù)值為單體電池特征向量中各點(diǎn)的平均值，si為標(biāo)準(zhǔn)電池特征向量的第i個(gè)數(shù)值，為標(biāo)準(zhǔn)電池特征向量中各點(diǎn)的平均值。根據(jù)放電容量、恒流充電容量與恒壓充電容量的比值、放電結(jié)束后電壓的上升幅度和相關(guān)系數(shù)，對電池的一致性進(jìn)行評價(jià)。

鋰離子電池在充電過程中有恒壓充電的階段，在這個(gè)階段，電壓恒定而充電電流逐漸減小，充電過程的一致性對電池組性能具有顯著的影響。韓偉等［20－21］提出對電池的充、放電電壓特性曲線和充電電流特性曲線進(jìn)行比較，選擇符合要求的電池曲線為基準(zhǔn)曲線，在基準(zhǔn)曲線上選擇對比點(diǎn)，按指定的對比點(diǎn)處的偏差范圍對電池一致性進(jìn)行評價(jià)。

特性曲線方法通過對曲線上特征點(diǎn)的選擇，計(jì)算對應(yīng)特征點(diǎn)之間的距離或相關(guān)系數(shù)，以這些距離或相關(guān)系數(shù)作為評價(jià)電池性能一致性的指標(biāo)。該方法充分考慮了單體電池特性的變化規(guī)律，結(jié)合多參數(shù)配組法一起應(yīng)用，可更充分地反映單體電池的差異，只需測試電池充放電曲線，具有測試簡便的特點(diǎn);但特性曲線方法涉及曲線識別和特征點(diǎn)取值，采集數(shù)據(jù)量大，計(jì)算過程復(fù)雜，要采用計(jì)算機(jī)程序配合實(shí)現(xiàn)。

為了減少數(shù)據(jù)采集量及計(jì)算復(fù)雜程度，楊智寧等［22］對動力鋰離子電池在模擬使用狀態(tài)下進(jìn)行多次連續(xù)充放電測試，取得容量-電壓數(shù)據(jù)，將每次循環(huán)的數(shù)據(jù)分別作微分容量曲線，并計(jì)算充電完成時(shí)恒流恒壓充電容量(C)及每條微分電量曲線上特定峰值對應(yīng)的充電容量(C1)，計(jì)算每條曲線的Cl/C值。當(dāng)相鄰兩條充電電量微分曲線的Cl/C之差等于0時(shí)，認(rèn)為該單體電池處于電化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài);進(jìn)一步確定處于電化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)的鋰離子動力電池充放電微分電量曲線各個(gè)峰位的相對位置及容量，以此對鋰離子動力電池進(jìn)行一致性評價(jià)。從電化學(xué)原理上來說，該方法選取的參數(shù)包括了電池的充放電平臺電壓、平臺容量、恒流充電容量和總?cè)萘康刃阅?，是對充放電特性曲線方法的一種簡便處理，能夠較好地反映電池性能的一致性;同時(shí)，具有測試設(shè)備簡單、測試流程簡便等特點(diǎn)。這種方法存在計(jì)算過程復(fù)雜、特征點(diǎn)數(shù)據(jù)需要人工辨別、數(shù)據(jù)采集量大等缺點(diǎn)。

根據(jù)電池的充放電特性曲線對電池一致性進(jìn)行評價(jià)，充分考慮了充放電動態(tài)特性，能夠比較全面地反映電池的綜合性能，同時(shí)具有測試設(shè)備普通、測試流程簡單等優(yōu)點(diǎn)，較適合鋰離子電池性能的一致性評價(jià)。實(shí)現(xiàn)快速高效地識別電池的充放電曲線、提取特征點(diǎn)數(shù)值，是下一步研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)合非電性能參數(shù)評價(jià)電池一致性方法

非電特性是影響鋰離子電池電化學(xué)性能的重要因素，有必要引入非電性能參數(shù)。吳鋒等［23］將電池表面涂黑后，逐只置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)置恒定溫度;以一定倍率將電池恒流充電至100%～120%SOC;用紅外熱成像儀檢測并記錄充電過程中電池的表面溫度;以充電結(jié)束時(shí)的表面最高溫度以及最高與最低溫度之差為參數(shù)，評價(jià)電池的熱一致性。

熱性能作為評價(jià)電池一致性的參數(shù)，可在一定程度上反映電池的電化學(xué)性能，將熱性能與電化學(xué)性能相結(jié)合，對電池進(jìn)行一致性評價(jià)，具有一定的科學(xué)合理性。電池的熱性能測量較困難，受環(huán)境因素的影響較大，測試設(shè)備較復(fù)雜，會對這種方法的推廣產(chǎn)生不利影響。總體而言，利用電池的非電化學(xué)性能進(jìn)行電池一致性評價(jià)，目前尚處于研究起步階段，有較多的問題需要解決。

5 結(jié)論

鋰離子動力電池一致性評價(jià)方法的關(guān)鍵依賴于所選擇的參數(shù)，應(yīng)選擇能夠反映電池綜合性能的指標(biāo)作為評價(jià)一致性的參數(shù)。單參數(shù)評價(jià)方法由于考慮的因素太少，不能反映電池的真實(shí)情況，因而不適合用于鋰離子動力電池一致性的評價(jià);多參數(shù)評價(jià)方法能一定程度反映動力電池內(nèi)部實(shí)際特征值的差異，但無法反映出動力電池充放電過程中的特性。

動態(tài)特性方法評價(jià)電池一致性，能夠比較真實(shí)地反映電池的內(nèi)部本征特性，比較適合于鋰離子動力電池一致性的評價(jià);根據(jù)充放電特性曲線評價(jià)電池一致性，充分考慮了各單體電池內(nèi)在特性的差異，結(jié)合多參數(shù)評價(jià)方法一起應(yīng)用，應(yīng)該是鋰離子動力電池一致性評價(jià)方法的主要發(fā)展方向，關(guān)鍵是快速高效地識別充放電曲線并提取特征的數(shù)值。

采用非電化學(xué)參數(shù)評價(jià)電池一致性，尚處于研究的初期階段，用于一致性評價(jià)，還有較多的問題需要解決。

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