陰育新，張博文，張俊英

(天津力神新能源科技有限公司，天津 300392)

1 引言

新能源汽車是全球汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級的重要方向，近年來電動汽車產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程在國內(nèi)外加速推進(jìn)，與電動汽車相關(guān)的技術(shù)逐步成熟，可靠性也逐步提升，動力鋰離子電池作為電動汽車的動力裝置，其所能提供的能量和使用壽命受到人們的日益關(guān)注。但是無論哪一種電池，其單體的能量、功率等性能參數(shù)都不能滿足電動汽車使用要求，為了滿足系統(tǒng)電壓和整車?yán)m(xù)駛里程的要求，需要通過上百節(jié)電池單體串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組。電池成組并不是簡單地將電池串并聯(lián)在一起，電池單體間存在明顯的不一致性，會導(dǎo)致電池組在使用過程中存在“短板效應(yīng)”，這種現(xiàn)象會抑制電池性能的發(fā)揮，降低電池組的能量效率，不僅如此，電池組中的易老化單體在與其他正常單體的成組使用過程中，也將會更容易產(chǎn)生過充過放現(xiàn)象，加速其老化程度，從而進(jìn)一步加劇整組電池的不一致性，形成惡性循環(huán)，久而久之使電池組壽命大受影響，因此行業(yè)內(nèi)提出對電池容量進(jìn)行分檔使用要求[1-3]。

三元電池早期的分檔方法為化成放電容量分檔，即化成階段將電池充滿電后再放電到截止電壓，對放電容量進(jìn)行容量分檔。由于三元電池放電容量與電池溫度相關(guān)性較強(qiáng)，溫度的差異會導(dǎo)致化成放電容量與實際容量存在較大差異，導(dǎo)致化成放電容量分檔不準(zhǔn)確，存在模組配組容量差異大問題。鑒于此，相關(guān)公司對三元電池化成流程進(jìn)行優(yōu)化，目前主要采用電壓分檔，即化成時不進(jìn)行滿放電(放到截止電壓)，而是采用放出固定容量后，再充入一定容量，按照充電后電壓表征的容量，并結(jié)合客戶容差、壓差需求，對電池進(jìn)行容量和電壓分檔[4]。該方法雖然能夠準(zhǔn)確的對電池容量進(jìn)行分檔，但實際化成后電池電壓分布較大(15～20 mV)，當(dāng)按照3 mV壓差進(jìn)行分檔、滿足1%容差要求時，電池分檔檔次增至5—7個，給電芯生產(chǎn)和模組配組管理帶來較大麻煩。因此，尋找既能兼顧容差和壓差要求，又能減少分檔檔次的電池容量分檔方法，是提升生產(chǎn)效率、提高電池配組率的有效途徑。

本文利用三元鋰離子電池電壓與SOC存在對應(yīng)關(guān)系的原理，提出按照特定SOC充電容量推算出的電池總?cè)萘?，對電池進(jìn)行容量分檔。該方法在滿足電池系統(tǒng)配組要求的前提條件下，可以明顯減少分檔檔次、提高分檔效率。

2 實驗部分

2.1 試劑

正極：NCM622三元材料、導(dǎo)電劑、PVDF；負(fù)極：石墨、導(dǎo)電劑、SBR、CMC。

隔膜：PE基膜、陶瓷(Al2O3)涂層；電解液EC/EMC/LiPF6(1.1 M)。

方形鋁殼三元鋰離子電池(51 Ah,26.5 mm×148 mm×101 mm,寬×長×高)源于天津力神電池自動產(chǎn)線。

2.2 儀器與設(shè)備

2.2.1 SOC-OCV曲線測試、容量標(biāo)定設(shè)備

Arbin電池測試設(shè)備，5 V 100 A

2.2.2 化成設(shè)備

17SYC0006化成系統(tǒng)，5 V 80 A

2.3 測試

2.3.1 SOC-OCV曲線測試

(1)電池在25±2 ℃條件下進(jìn)行3次標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)：以1/3 I1恒流充電至4.2 V，然后恒壓充電至電流小于等于1/20 I1，靜置60 min，以1 I1放電至2.8 V，靜置60 min。

(2)記錄(1)最后一次容量為調(diào)整SOC的標(biāo)準(zhǔn)容量。

(3)測試電池100% SOC OCV。

(4)按照1/20 I1電流通過放電調(diào)節(jié)到下一個SOC(一般以5% SOC間隔)。

(5)測試調(diào)整SOC后開路電壓。

(6)重復(fù)步驟4和5直至完成目標(biāo)0% SOC的OCV測試。

2.3.2 化成充放電流程

(1)充滿電流程：以1/3 I1恒流充電至4.2 V，然后恒壓充電至電流小于等于1/20 I1，靜置10 min。

(2)定容放電流程：以1/2 I1電流放電51 Ah，靜置30 min。

(3)SOC調(diào)整充電流程：以1/2 I1恒流充電至設(shè)定電壓，然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1，靜置10 min。

(4)SOC調(diào)整放電流程：以1/10 I1、或1/5 I1恒流放電至設(shè)定電壓，靜置5 min。

3 結(jié)果與討論

3.1 化成流程設(shè)計目標(biāo)及方案

該型號動力電池在分檔配組要求：同系統(tǒng)電池容差不大于1%、壓差不大于5 mV；化成流程設(shè)計方案：按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再通過SOC調(diào)整充電流程將電池充到同一電壓(SOC狀態(tài))。這樣電池出貨壓差滿足客戶要求，分檔只需考慮容差即可。

若電池容量為X，最后一步充電容量為Y，則化成結(jié)束的荷電狀態(tài)(SOC)為：

SOC=(X-51+Y)/X

(1)

電池容量X與最后一步充電容量Y及SOC呈如下函數(shù)關(guān)系：

X=(51-Y)/(1-SOC)

(2)

由(2)式可以看出，電池容量X與最后一步充電容量Y呈負(fù)相關(guān)性，Y可從化成數(shù)據(jù)中獲取到，只需要確定電池SOC，既可通過Y值將電池容量X值計算出來。由于放電過程為定容放電，放電過程不受環(huán)境溫度影響，而第一步充流程為1/3 C恒流至4.2 V、然后恒壓充電至電流小于等于1/20 I1，溫度影響可忽略，所以此分容方案通過Y及SOC值計算出的容量X可忽略溫度的影響。

3.2 SOC與電壓(OCV)的關(guān)系

該型號電池分檔SOC為15%～20% SOC，圖1為電池SOC與電壓(OCV)關(guān)系的曲線，根據(jù)曲線可將電池電壓與SOC狀態(tài)擬合如下的函數(shù)關(guān)系：

圖1 SOC-OCV曲線Fig.1 SOC-OCV curve.

B=(A-3519.1)×0.001 3+0.15

(3)

其中：A為電池電壓，B為SOC狀態(tài)，由此公式SOC曲線獲得，15% SOC狀態(tài)為3 519.1 mV。

電池化成后的荷電狀態(tài)(SOC)為：

SOC=(X-51+Y)/X

(4)

以上聯(lián)立方程(3)(1)可得：

X=(51-Y)/[0.85-(A-3519.1)×0.001 3]

(5)

X為電池實際容量，Y為最后一步充電容量，A為電池分檔電壓，Y與A均為已知數(shù)值，則可準(zhǔn)確計算出電池實際容量。

3.3 最后一步充電流程對電壓一致性的影響

3.3.1 充電截止對電壓一致性的影響

取待化成電池800只，按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1。完成化成后電池靜置8天，測試電池分檔時電壓，如圖2所示，電壓散差在7 mV。如果要滿足分檔壓差小于5 mV，需要按照電壓對電池再分兩個檔。圖3對分檔電壓與最后一步溫度相關(guān)性進(jìn)行分析，由圖3可知，分檔電壓與化成最后一步溫度呈正相關(guān)性。這是由于在實際化成過程中，經(jīng)過放電步驟后(51 Ah定容放電)，化成柜各個點(diǎn)位溫度存在差異，造成最后一步充電時電池分檔的穩(wěn)態(tài)電壓存在一定差異。為了消除溫度對最后一步充電電壓的影響，需要對最后一步充電流程進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 分檔電壓分布Fig.2 Sorting voltage distribution.

圖3 分檔電壓與化成溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between sorting voltage and formation temperature.

電池常溫穩(wěn)態(tài)電壓V0=V+KT-IR，V為化成截止電壓，T為化成溫度，I為充電電流，R為電池直流內(nèi)阻。當(dāng)以充電截止時，隨著化成溫度升高，電池直流內(nèi)阻降低，IR減小，而因溫度導(dǎo)致的電壓偏離常溫電壓值KT，隨著化成溫度升高而升高。即隨著化成溫度升高，V0也會逐漸升高。因此當(dāng)化成以充電截止時，分檔電壓與化成時電池溫度呈正相關(guān)性。如果將化成最后一步改為放電截止，電池常溫穩(wěn)態(tài)電壓V0=V+KT+IR，隨著化成溫度升高，KT值增大，IR值減小，則可通過實驗找到合適的值，使V0與溫度失去相關(guān)性。

3.3.2放電截止條件對電壓一致性的影響

取待化成電池6托盤，每2托盤一組，在常溫下分成三組進(jìn)行實驗。第一組按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1；第二組按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1、最后以1/10I1放電至3 530 mV截止；第三組按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1、最后以1/5 I1放電至3 520 mV截止。當(dāng)最后一步增加放電流程時，分檔電壓與化成最后一步溫度的相關(guān)性由正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)(圖4)，與前述推算結(jié)果一致，并且可以看出第二組相關(guān)性系數(shù)與0較接近且較為穩(wěn)定，因此選用方案二進(jìn)行批量實驗。圖5為1 400只批量實驗結(jié)果，分檔時電池壓差在4 mV以內(nèi)，可以滿足5 mV壓差的出貨要求。

圖4 不同化成流程分檔電壓與溫度的相關(guān)性Fig.4 Correlation between sorting voltage and temperature with different formation process.

圖5 分檔電壓分布Fig.5 Sorting voltage distribution.

3.4計算容量分檔方法實際應(yīng)用

3.4.1 電池計算容量與實際容量一致性

按照3.3.2中第二組方案化成，并抽取不同充電容量電池進(jìn)行25 ℃、1 C容量測試，計算及標(biāo)定容量如表1所示。圖6對比了兩者的關(guān)系，可以看出，計算容量與實際容量呈線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.970 1，表明用計算容量可以代替電池實際容量進(jìn)行分檔。

表1 實際標(biāo)定容量與計算容量列表Table 1 List of actual capacity and calculated capacity.

圖6 實際容量與計算容量關(guān)系Fig.6 Relationship between actual capacity and calculated capacity.

3.4.2 計算容量分檔批量驗證

按照上述方法對生產(chǎn)量產(chǎn)電池進(jìn)行化成，然后按照計算容量進(jìn)行分檔，分檔時要求每容量檔次電池計算容差小于500 mAh。對量產(chǎn)的92批次電池進(jìn)行逐批容量抽樣測試，這里每批次電池數(shù)量1萬只，每批抽樣3只。容差抽樣結(jié)果如圖7所示，所有批次容差均小于510 mAh，滿足容差小于1%要求。

圖7 生產(chǎn)電池逐批抽樣容差分布Fig.7 Capacity difference distribution of batch sampling.

4 結(jié)論

三元鋰離子電池采用充滿電、定容放電、恒流恒壓充放電至目標(biāo)SOC的方式對電池進(jìn)行化成，然后按照計算容量分檔，一方面利用充放電消除溫度對極化的影響，保證壓差一致性(不大于5 mV)，另一方面結(jié)合電壓與SOC關(guān)系、電池容量與化成最后一步充電容量及SOC關(guān)系，推導(dǎo)出電池容量的計算方法。按照此方法，可將所有電池壓差控制在不大于5 mV、同檔次電池容差控制不大于1%。此方法在保證容差相對準(zhǔn)確性的同時，簡化工藝，減少分檔檔次的數(shù)量，提升生產(chǎn)過程能力。采用該工藝已批量出貨500萬電池，滿足系統(tǒng)成組對電池一致性的要求。