容量差对电动工具用锂离子电池组性能的影响

孙万成，张建忠，杨清欣，张慕蓉，王兴威

(1.江苏苏美达五金工具有限公司，江苏南京210032；2.江苏海四达电源股份有限公司，江苏启东226200)

在电动工具用锂离子电池组的应用中，各单体电池的性能总会存在差异[1]。随着循环的进行，容量偏低的锂离子电池的性能会越来越差，成为串联电池组容量快速下降的主要原因[2]。单体电池在设计制造过程中，总会存在差异。即使通过严格的筛选，这种差异随着循环的进行逐步显著[1]。目前电动工具用锂离子电池组通常要求组内容量差在20 mAh以内。

本文通过对电池组不同容量差异的10C放电循环进行测试比较，对电池组容量差与其循环寿命、放电平台的关系进行分析。

1 实验

采用ISR18650PC-1300电池(江苏海四达电源股份有限公司制造)组合成4串电池组，HT-V20C10D20-8动力电池自动检测装置(广州擎天制造)测试电池组性能，HIOKI8421-51数据记录仪(日本制造)记录相关数据。

1.1 电池组的容量差的选择

选择 4串电池组 A、B、C、D容量差分别为 20、30、50、80 mAh同组电池的容量3支高，1支低的电池组作为测试用的电池组。E、F容量差和D一样都为80 mAh，其中E为2支容量高2支容量低、F为1支容量高3支容量低。分别进行比较测试如表1。

表1 样品电池组单体电池容量 mAh

1.2 测试条件及方法

在(23±3)℃的条件下，电池组在不带保护板的情况下，用1.3 A恒流充电到16.8 V，在16.8 V条件下恒压充电，截止电流为50 mA，搁置10 min，13 A恒流放电到11 V，搁置30 min，循环300次。分别在第1次、100次、300次检测每支电池的充、放电数据。

2 结果与讨论

2.1 对放电平台的影响

以单支电池容量偏低为例，分别选取容量差为20、30、50、80 mAh的电池组A、B、C、D(容量差见表1)电池组测试10C放电，结果见图1。

从电池组放电曲线看，容量差在80 mAh以内对电池组首次放电平台几乎没有影响，但在300次以后略有差异，D组的放电平台略低于其他三组电池，D组电池的容量在300次以后低于其他三组电池。

以80 mAh为例，分别选用1、2、3支电池容量偏低的D、E、F(容量差见表1)电池组测试10C放电，结果见图2。

图2 D、E、F电池组10 C放电曲线

从放电曲线可以看出，电池组在初次10C放电时，D、E、F的中值电压几乎一样，300次以后D组电池的平台低于其他2组电池。

2.2 不同容量差的电池组在不同循环阶段同组电池中单体电池的放电状态

经过比较不同容量差的电池组在10C放电循环测试时，观察不同阶段的单体电池的放电状态，可以观察到电池的衰减情况(见图3)。

电池组在第1次做充放电时就可以看出，由于同一组电池存在容量差异，其充放电存在差异。在同组电池中，单体电池容量最小的电池放电终止电压最低(见表2，图3)。

对于单支电池容量偏低的电池组容量差在50 mAh以上，该电池的平台低于同组内的其他电池。

图3 电池组首次10 C放电组内电池放电曲线

经过300次循环，容量差在30 mAh以内的的电池组，组内电池的10C放电时差异不大，但50 mAh以上的电池组组内电池差异变大，单支电池容量偏低的电池放电终止电压明显偏低，单支电池容量高的电池组差异不大(见表3，图4)。

2.3 容量差对循环寿命的影响

经过 10C放电循环 300次测试，A、B、C、D、E、F的容量保持分别为 92.54%、92.33%、89.26%、84.31%、88.90%、91.60%。

从图5可以看出，循环寿命A、B、F最好，D最差。单支电池容量偏低的电池组中，容量差越大对循环寿命影响越大。容量差在30 mAh以内对循环寿命影响不大，容量差为50 mAh略有影响，容量差为80 mAh影响最大。在相同的容量差电池组中，单支电池容量偏低的电池组D循环寿命最差，3支电池容量偏低的电池组F循环寿命最好。

从第300次充电曲线(图6)可以看出，D组电池中D-4电池充电电压为4.239 5 V明显偏高，放电终止电压为2.010 5 V偏低，导致该电池长时间过充过放，使整组电池衰减明显。

图4 电池组300次10 C放电组内电池放电曲线

表2 第1次10 C放电到终止电压时同组电池的最低电压值

图5 循环寿命

表3 第300次10 C放电到终止电压时同组电池的最低电压值

图6 第300次充电曲线

3 结论

综上所述，在电池组循环测试中，容量差对电池组循环有较大影响。对于4串电池组来说，单支电池容量偏低的电池组中，容量差越大对电池组寿命影响越大。30 mAh以内的容量差对电池组寿命影响不大，50 mAh容量差的电池组有一定影响，80 mAh影响最大。在相同的容量差的电池组中，低容量电池数越多，对循环寿命影响越小。

[1]吴赟，蒋新华，解晶莹.锂离子电池循环寿命快速衰减的原因[J].电池，2009，39(4)：206-207.

[2]吴国良.锂离子电池荷电贮存性能的研究[J].电池，2007，37(4)：275-277.