锂离子电池一致性评价研究

任志国，彭 昂，张 伟

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

锂离子电池一致性评价研究

任志国，彭 昂，张 伟

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文列出了大多数厂家采用的一致性评价指标，指出了这些指标的科学性和局限性。立足生产实际，结合锂离子充放电特性，考虑了自放电因素，提出了更能反映电芯一致性的评价指标体系。经过试验验证，采用改进后的一致性评价指标体系挑选的电芯在成组后能表现出更高的一致性。

锂离子电池 一致性 评价指标

0 引言

锂离子电池在生产过程中由于受到材料、工艺、设备、环境等因素的影响，在制成以后表现出性能差异性，这种差异性严重影响了电池组的性能发挥和循环寿命，更严重的是在后期的使用过程中可能引发电池组的安全问题[1]。为提高电池的一致性，需制定更加科学合理又便于操作的评价指标。

目前厂家电芯配对多采用电压、容量、内阻三个指标进行筛选，这三个指标测量快捷、方便，在一定程度上可提高电池的一致性，但仅靠这三个指标不能反映出电池在寿命周期和特殊使用情况下的一致性。

1 传统一致性评价法

1.1 电压

电池开路电压间接地反映了电池的某些性能，保证电池开路电压的一致，是保证性能一致的一个重要方面。方送生[2]等将电池分别在半电及满电状态下贮存，测量贮存结束后电池的开路电压，根据开路电压及变化对电池的一致性进行评价。这种方法具有操作简单便捷、测量结果精确等特点。此方法在满电态贮存比较电压变化用于测量电池的内部微短路具有实际意义，半电态贮存对类似于磷酸铁锂电池电压对半电荷电态变化不敏感的电池不具有指导性。并且单凭开路电压不能反映电池的其它性能，具有很大的局限性。

1.2 容量

容量是体现电池性能的一个重要参数，可由放电时间和电流计算容量，再根据容量及分布对一致性进行评价。这种方法具有操作简单、设备便宜、厂家易于实施等特点；但工作状态和使用环境不同，都会引起电池电压、容量特性的变化，在指定条件下的容量一致，并不能保证电池在实际充放电过程中保持一致。

1.3 内阻

电池的内阻可以快速地测量，因此被广泛用于评价电池的一致性。邱瑞珍等[3]将锂离子电池在低温环境下储存一段时间后测量内阻，根据内阻及分布对一致性进行评价。由内阻评价电池的一致性，在目前仅能作为定性参考，作为定量、精确的判据，在理论上和实现上还有许多问题没有解决：理论上尚未确定电池内阻与特性间的数学模型、函数关系和边界条件；准确测量内阻数值还有较大的难度。在生产实际中多用来作为电池是否合格的判据。

2 一致性评价方法改进

传统一致性评价方法描述了电芯静态的表观参数，不能反映电芯在使用过程中的一致性，更未考虑寿命期内的一致性。一致性评价方法既要考虑指标制定的科学性，又要兼顾生产设备可实现和操作简单可靠的实际情况。一致性应从充电性能、放电性能以及存储自放电性能三个方面考虑，同时结合实际使用状态进行考察。考察措施采取在不造成电芯性能损伤情况下的放大原则，使电芯之间的不一致性表现更加明显，有利于挑选出性能更一致的电芯，同时减小了测量精度带来的影响。

2.1 充放电特性

锂离子电池在充放电过程中涉及多个物理化学过程。从理论上来说，如果内部的各物理化学过程一致，则电池就具有较高的一致性。电芯的一致性表现在充放电曲线上就是不同电芯在相同的充放电条件下特征曲线的吻合度。

有研究者根据充放电特征曲线对电芯的一致性评价方法进行考察。单毅[4]在充放电曲线上选取特征点，以电池放出一定容量时的工作电压作为评价参数，以不同电池对应特征点之间的欧氏距离为评价指标，采用层次聚类的方法，通过统计分析软件SAS得到单体电池之间的差异程度，按照差异程度对电池的一致性进行评价。多智华[5]等从充放电电压特性曲线上提取13个采样点，作为代表波形变化趋势的特征项，在此基础上建立曲线向量模型；对特征向量矩阵进行数据标准化处理，消除量纲的影响；采用绝对值距离法，计算曲线之间的相似程度系数，实现电池一致性的评价。这些评价方法可以挑选出比较一致的电芯，但存在采样点过多、配组操作性不强、计算复杂等问题，不利于在生产实践中实现。

锂离子充电过程一般分为恒流充电和恒压充电两个过程，充电特征曲线上取点既要反映特征曲线的特征，又要尽量少。锂离子电池的充电曲线以磷酸铁锂电池为例，如图1所示：

图1 充电特征曲线

从充电特征曲线可以看出，三个特征点即可对标定出特征曲线的特征，特征点1约定了电压转折时的时间（容量），也是电流开始突变时的时间（容量）；特征点2约定了总的时间（容量）和恒压阶段的时间（容量）；特征点3约定了特征时间（容量）时的电压值。因此通过充电曲线可考察以下三个指标来标定电芯的一致性。

1) 以某一恒流值充电达到设定电压（一般为充电设置的恒压值）时的充入容量，或者达到预设的容量时的电压值。

2) 恒压阶段所需时间与总时间比值（恒压时间占比率）。

3) 充电平均电压或恒流中值电压。

以上指标均可在充放电设备上获得。其中前两个为恒流转恒压拐点前后的一致性考察，最后一个指标考察了电池在充电过程中内阻的一致

性，是欧姆内阻、极化内阻和浓差内阻的综合反映，不但对电池现状并且对循环寿命期内一致性的考察。电芯挑选时充电电流的选择可以为实际额定充电电流1.5～2倍或最大允许充电电流，使电芯间的不一致性表现更加明显，挑选出充电性能更加一致的电芯。

放电过程在实际使用过程中可能是恒流状态也可能是变流状态，甚至有不规则的大电流脉冲状态，这为成组电芯的挑选带来一定难度。通常做法是在某一恒定电流下放电，根据放电特征曲线选取能够反映曲线特征的考察点，以磷酸铁锂

电池的放电曲线为例如图2所示。

图2 放电特征曲线

从图2中可以看出根据锂离子电池放电特征曲线，在放电周期内具有一段较为平坦的平台，在放电后期随着时间推移电压下降速度加快，特征点1约定了特征时间（容量）进度时的电压值，特征点2约定了电压出现特征变化率时的时间（容量）值，特征点3约定了到达设定电压值时的时间（容量）。因此从放电特性考察电芯一致性可以参考以下指标：

1) 放电达到设定电压的容量值，或达到设定容量值时对应的电压值。

2) 放电过程的平均电压或中值电压。

放电电流的选择通常是在设备允许且不会对电芯后期性能造成明显影响的情况下选择电流尽可能大。第一个指标可根据放电特征曲线，选择一个或多个指标作为考察对象，原则是特征点的选择可以反映出曲线特征。

2.2 自放电

自放电是荷电能力和一致性维持能力的指标，在制造过程中，由于工艺控制存在不一致性因素，每支电芯在自放电方面表现也不同，在此区分正常自放电和非正常自放电概念，非正常自放电属于电芯质量范畴。在此只讨论电芯正常自放电一致性考察方法。

一般有以下三种方式测量电池的自放电率：[6]第一，直接测量电池容量损失。当电池在长时间的初始电压状态开路存储后，对电池进行放电，测量其容量损失。第二，测量恢复到原来的充电态或者保持原来充电态所需的能量。第三，测量电池电压的衰减速率。这三种方法对自放电的测量具有指导性。但自放电率用电压测量法精度要求较高，微小的温度波动会带来明显的误差，并且需要建立准确的容量-电压对应曲线，不同时间测试条件的重现很难实现，在实际操作中存在一定困难。采用容量变化来来标定自放电率虽然对温度条件也有要求，但误差相对较小，一般设备和环境条件容易满足测量需求，结果的可靠性较高。QC743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》对电池自放电率的测试也作了要求：在电池开路状态下，20±5℃时，贮存28天，期间每天测量开路电压。贮存完成后在与储存环境温度相同的温度进行1I3A的恒流放电直至3.0 V或者企业规定的电池放电终止电压。高温荷电保持力是在55± 2℃下保存7天，再回到20±5 ℃下静置5 h后，按照常温放电情况测量荷电保持力。

对于锂离子电池，李革臣[7]等采用数学建模，测量自放电所需时间缩短到12 h，为电池自放电动态一致性分选提供了依据，并且不影响电池寿命，此方法的计算较为复杂，或依赖专用测试设备的准确性和可靠性，还需进一步验证。

因此电池自放电率的测试采用满电态常温或高温贮存一定时间进行放电容量测试。通过贮存前后容量变化率标定自放电率是目前比较准确可靠的方法。根据自放电率测试数据，做出正态分布图，根据数据分布去除离散值后将自放电率划分成几个区域，作为配组的依据。

2 新指标体系验证实验

实验对象：按照传统一致性评价法和改进后一致性评价法各筛选出一组9串磷酸铁锂电池。

一致性筛选方法：

1）成组电芯挑选采用传统的电压、容量、内阻一致性评价指标挑选电芯组装成电池组。

2）成组电芯挑选采用改进后的一致性评价指标：放电容量、放电中值电压、恒流充电容量、恒压时间占比率、充电平均电压、自放电率。指标的制定采用随机样本采集，采用正态分布去除离群值，根据区间范围分割成几个区域值，一般分成2-4个区域值，根据实际情况可适当增加或减少区域数。

电芯筛选充电方法：电芯在放完电后以1C恒流充电至3.65 V，再3.65 V恒压充电，截止电流0.02C。

电芯筛选放电方法：充满电后电芯以1C恒流放电至2.0 V。

自放电率采用满电态55±2℃下保存7天，再回到20±5℃下静置5 h后，按照常温放电情况测量。

电池组充放电时机：成组后连接保护板，常温搁置均超过28天。

电池组充电方法：以0.5C恒流充电至34 V，再34 V恒压至截止电流0.03C。

电池组放电方法：以1C恒流放电至电池组欠压保护。

3 结果与讨论

两种不同的一致性评价方法筛选成组后在放电过程中各单体的电压容量曲线如图3和图4 所示。

图3 按照传统一致性指标筛选出的电池组放电时各单体电压容量-曲线

图4 按照改进后一致性指标筛选出的电池组放电时各单体电压容量-曲线

从图3可以看出，经过超过28天的常温搁置，按照传统一致性评价法筛选出的电池组在放出容量50%时，组内各单体电压开始出现明显差别，这种差距随着放电的继续变得更加明显，在其中一个电芯达到单体保护电压2.0 V时，有的单体电池的电压还在2.9 V。图4 可以看出，即使超过28天的常温搁置，按照改进后一致性评价法筛选出的电池组在放出容量90%时各单体的电压值只是出现微小差距。在整个放电周期内，组内各单体电池的电压-容量曲线吻合较好，表现出较好的一致性。

综上所述，改进后的锂离子电池一致性评价方法在生产实践中具有更好的操作性，测试结果可靠性高，并兼顾了电池组的自放电因素，对电池组使用后期的一致性提供了有力支持。但在保证电池使用后期一致性方面还有很多工作要做，比如循环寿命后期锂离子电池组内单体的一致性在成组前评价方法的建立，使用寿命周期内锂离子电池一致性的自动监控和处理方法，这些还需要进一步深入研究。

[1] 何鹏林, 乔月. 多芯锂离子电池组的一致性与安全性[J]. 电池, 2010,40(3), 161-163.

[2] 方送生, 邱恋东. 一种隐性短路锂离子电芯的筛选方法[P]. CN: 200710124414.5. 2007-11-09.

[3] 邱瑞珍, 门鹏, 丁照石等. 锂离子电池单体或电池组低温性能测评方法[P]. CN: 200810052882.7. 2008-03-07

[4] 单毅. 锂离子电池一致性研究[D]. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 2008.

[5] 多智华, 李革臣. 具有波形识别能力的电场分类器的算法研究[J]. 电源技术, 1998, 22(4): 174-178.

[6] Zimmerman A.H. Self-discharge losses in lithium-ion cells [J]. IEEE AESS Systems Magazine, February, 2004, 19-24.

[7] 李革臣, 赵旭, 杨琳, 李然. 动力电池自放电测量新技术原理与应用[J], 新材料产业, 2012, (9). 75-78.

Consistency Evaluation of Lithium Ion Battery

Ren Zhiguo, Peng Ang, Zhang Wei
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

The paper lists evaluation indexes of consistency to be adopted by most factories, and points out the scientific and limitations of these evaluation indexes. Based on actual production, taking charging and discharging properties of lithium ion battery and inflection of cell self discharge into account, an evaluation indexes system is presented, significantly reflecting cell consistency evaluation indexes. By experimental verification, the battery pack presents higher consistency which is selected by improved evaluation system of cell consistency.

lithium ion battery; consistency; evaluation indexes

TM912

A

1003-4862（2015）06-0006-04

2015-04-29

任志国（1978-），男，硕士。研究方向：锂电池组设计。