锂离子电池组应用中存在的问题

孙仲振，赵 云

（沁新集团（天津）新能源技术研究院有限公司，天津 300143）

锂电池相对于铅酸电池而言，因其能量密度高、占地小、循环寿命长、对环境污染小等特点，在电动自行车、通信、动力汽车、电力、数据中心等领域的需求越来越大。作为新一代主流能源，锂电池在应用中也面临着适应更高、更多要求的挑战。锂离子电池组是为了满足某一特定要求而将锂离子电池进行串联或并联。锂离子电池组能量密度高、无污染、应用广泛，但它也不是毫无缺点，跌落、碰撞、弯曲等都可能会影响锂离子电池组的安全性能和循环性能。

锂离子电池除了要解决可靠性及成本问题外，还面临着安全性、电池一致性、快充快放、低温充放电、热管理、BMS管理系统、SOC、过充过放电池均衡等问题，这些问题将成为未来锂电池组大量应用的关键考量。

1 锂电池组及其要求

1）电池组的基本组成：电芯、绝缘板和散热片、BMS 电池管理系统。电芯：电芯指单个含有正、负极的电化学电芯，电芯一般有三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池，可根据需求选择相对应的电芯。

绝缘板和散热片：绝缘板是包裹在电芯外的一层绝缘保护板，起到隔离保护的作用。如果电芯内部发生意外，可以将危害隔离在绝缘板内，以免损害到其他。散热片是给电器中的易发热电子元件散热的装置。

锂离子电池组。BMS 电池管理系统：BMS 电池管理系统是一种能够对锂离子电池组进行监控和管理的电子装置，通过对电压、电流、温度以及SOC 等参数采集、计算，进而控制电流的充放电过程，实现对电池的保护提升电池的综合性能[1]。

2）锂离子电池组应用的基本要求：电池组在应用中通过有效的BMS 管理系统对电池进行管理，以防止电池出现过充过放、短路、反充、高温等情况，如果在锂电池使用过程中发生这些情况，电池组的循环寿命会大幅度缩短，严重情况甚至会发生燃烧、爆炸等安全事故。

3）做一组电池组的基本要求

（1）要用好电芯，电芯是储存电量和输出电量的基本单元，也是电池组的核心部件。

（2）要有好的锂离子电池保护板，保护板是锂离子电池组的核心部件，一块好的保护板能有效保护锂离子电池组中的每一串电芯不过冲和过放电，还可以使每一串电池尽量充电到满，而不会出现有的已经充满而有的电池却还差很多的现象。

（3）要有较好的焊接功底，焊接质量也直接影响着电池组的安全性和使用循环寿命。

（4）线路要合理，要根据电路中实际电流来选择合适粗细的线，保障线路焊接质量，防止在电池组使用过程中出现线路过载发热着火等现象。

（5）良好的填充及散热途径，电池组需要稳固，尽量减少跌落、碰撞、弯曲、震动等外部作用力，部分空间需要良好的填充；另外电池在充放电过程中，产生大量的热量，良好的散热途径，减小电池的温升也能提高电池组的安全性和循环性能。

2 电池组应用中存在的主要问题

2.1 安全性

自从锂离子电池组应用以来，安全性问题就一直困惑着消费者。从手机、笔记本，到现在的电动汽车，安全事故不断发生。随着新能源汽车的广泛应用，我国的众多新能源汽车厂家、美国的特斯拉、通用和菲斯克的电动汽车均有自燃或起火事故发生。

在锂电池组的应用中，人们对安全问题越来越重视。锂电池的电极材料更加活泼，电极之间的电荷反应速率加快，这也是锂电池性能比镍氢、镍镉等电池优越的主要原因之一。但是其可控性也会随之变低，发生意外的风险就会提升。

锂电池组的整体电压以及输出电流都相对较大，所以内部电路发生一些故障后，很可能导致很严重的后果，所以锂电池组的安全工作一定要做到位，对内部电路起到保护作用的电池保护板也是必不可少的。但是有些锂电池组是不能加上锂电池保护板的，例如应用在启动电源的电池组，启动电源工作时电池内部会出现电流过大的情况，保证启动电源的工作状态下，如果对电流进行保护，内部电路就等于处于一个停止工作的状态，一些用到电能的设备就会停止工作。宁可启动电源锂电池组被损坏，也不能对电流进行保护，因此锂电池组的自身安全问题还是有待提高的。

2.2 成本偏高

动力电池组成本是综合成本，主要由锂电电芯、BMS、结构件、电池箱体、辅料、制造费用等成本组成。锂电池电芯占电池组总成本的80%左右，Pack 成本占整个电池组成本约20%。单单从电池Pack 成本来说，乘用车电池Pack 的成本约为0.25元/Wh，客车大致为0.23元/Wh，乘用车大于客车，客车大于物流车，三元电池Pack 大于磷酸铁锂电池Pack。如果电芯按照1 042元/kWh 来计算，Pack 的成本208～250/kWh，合计约1 300元/kWh。这个数字接近目前主流电池组Pack 后的成本价格。

目前市场上锂电池价格是的3倍左右，但是投入相同的成本并结合两种电池的使用寿命，锂电池使用周期要长，综合性价比高。锂离子电池未来降低成本的主要途径：①提升对电芯厂的议价能力；②结构设计方案的革新；③材料的优化组合；④提升自动化效率。

2.3 电池一致性

首次，电芯的性能不一致主要是因为电芯生产过程中造成的，在循环过程中不断加大性能差异。组装在同一个电池组的电芯，性能差的本身基础不好，并且在不断充放电过程中会越来越弱。不同电芯之间参数的离散随着电池组循环次数的增加而加大了之间的差距。目前人们都是通过单体电池分选、成组后热管理、电池管理系统提供均衡功能等三个方面来应对单体电芯不一致的情况。

分选的电芯是在一定充放电条件下把参数相近的电芯选出来，一旦充放电条件发生变化后，这些筛选的电芯因开路电压、内阻、容量等本身特性有差异又会表现出不一致的性能。实际充放电的条件是随着应用不断在变化的，与分选的条件相差甚远，精心挑选的电芯在实际使用中难免也会表现出性能不一致的情况，电池组在应用过程中仍然面临电芯性能不一致的问题。后期的成组后热管理及电池管理系统的均衡功能只能在一定程度上对电池组电芯性能一致性有所帮助，但是不能根本解决不同单体电芯在充放电条件变化的情况下不一致的问题。目前锂离子电池组的应用过程中，因为电芯性能在循环工程中表现出的不一致问题，使得高能量密度电池组整体性能大打折扣，当前人们仍然把研究如何解决电芯性能不一致性问题作为锂电池的重要研究领域。

2.4 快速充电放电

目前锂离子电池应用于动力汽车快速充放电仍然是一个大问题。从电芯上来说，正极材料、电解液、负极材料搭配体系、极片工艺、电芯结构设计等因素影响锂离子电池的倍率性能。基于嵌入式反应机理，锂离子在正极活性物质（橄榄石结构一维离子通道，层状结构二维通道和尖晶石结构三维通道）和负极活性物质（层状结构）中的扩散系数比水系二次电池的速率常数低好几个数量级。锂电池在大倍率条件下充电，正极活性物质的晶格极容易破坏，负极石墨层也可能受到严重损害，这都将加速电池容量的衰减、循环寿命减少[2]。锂电池会因高倍率下快充快放引发其循环寿命大幅衰减。

电池组的快充快放情况比较复杂，不同单体电池在充电过程中充电电压和充电电流并不相同，因此电池组要比单体电池充电时间长很多。电池组的放电过程中，电池放电容量与放电时间的关系不是线性的，而是电池容量随放电时间增加而不断加速下降，因此将电池组的电量快充到50%～80%，并不能向人们想象的那样能满足实际电池容量使用的要求。而锂电池长时间高倍率下充电放电，会破坏正负极活性物质的结构，会引起负极析锂，尤其锂电池快充会使电池的使用寿命和性能严重恶化，甚至会带来安全隐患。

锂离子电池快速充放电实质上是锂离子能够快速在正负极材料间脱嵌，电池的材料性能、制造工艺设计、充放电方式都会影响其在大倍率下的充放电性能。正负极活性材料的电导率、锂离子扩散系数、电解液的电导率等因素决定了锂电体系的本征载流子传导与输运行为。正极材料在大倍率充电下晶格容易受到破坏，负极石墨片层同样容易受到损害，这些因素都将加速容量的衰减，从而严重影响动力电池使用寿命[2]。锂电的负极表面有一层SEI 膜，倍率性能很大程度上受到锂离子在SEI 膜中扩散的控制，由于有机电解液中粉末电极的极化相对水系要严重得多，在高倍率或者低温条件下负极表面容易析锂而带来严重的安全隐患[2]。

2.5 低温充放电性能

环境因素对锂电池的充放电性能影响很大，其中温度对电池使用影响最大。极片与电解液固液相界面之间的化学反应与环境温度有很大的关系，低温环境中电解液黏度比常温降低，导电性能下降，电极的反应速率降低，活性物质的活性也会降低。环境温度降低同样会使电解液的浓度差变大，电池出现极化，碳负极因为扩散速率变慢而导致有析锂现象。

锂离子电池随着温度的降低充电和放电性能均明显降低。当温度降至-30℃时，锂离子电池的恒流充电容量仅为总充电容量的15%左右，恒压充电时间增加，很大程度上延长了充电时间[3]；在这种低温环境中电池的放电容量为室温放电容量的74%～87%，放电性能变差，放电电压平台明显降低，放电容量也显著减少[4]。低温特性和电池的结构设计、制备工艺和正负极活性物质、添加剂（黏结剂、导电剂）、电解液等主要原材料有关。正负极活性物与电解液匹配体系的不同，锂电池循环过程中表现的低温性能也不相同。

2.6 热管理

锂离子电池在使用过程中会产生热量从而使电池的温度升高。电池组中电芯所在不同位置散热能力各不相同，造成温度分布不均又会导致电池组内的电池性能不一致。电池在充放电过程中产生的热主要来源于以下4个方面：电池反应热、电池反应存在极化产生的热、电池副反应产生的热（例如电解液分解、界面反应等）、电阻产生的焦耳热。

实验数据显示，能量型锂离子电池在绝热的条件下1C 充电45min 后，电芯内部的温升都超过了10℃，甚至超过15℃。对满电电芯的实验显示，在绝热的条件下，用外源对电芯加热到50℃，电芯内部就开始有副反应，电池温度开始升高，虽然上升较慢，但最后结果是电池燃烧失效。

锂电池热特性是影响电池安全、寿命和使用安全的重要因素。锂离子电池在充放电过程中，伴随着能量的交换和转移，电池组自身也产生热效应，这种热效应如果没有进行合理的控制，容易造成产热不均、温度分配不均、电池间温差较大等问题。长此以往，必然会导致部分电池系统的充放电性能、容量和使用寿命等下降，从而影响电力驱动系统的性能，严重时甚至会引发热失控危害人的生命安全[5]。

热管理系统的加入针对内阻不一致电芯，产生热量不相同问题，可以调节整个电池组的温差，使之保持在一个较小的范围里，生成热量较多的电芯，依然温升偏高，但不会与其他电芯拉开差距，劣化水平就不会出现明显的差距[6]。

2.7 现阶段BMS存在的问题

BMS 指电池管理系统（Battery Management System），是对电池进行管理的系统，BMS 主要就是为了智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充和过放，延长电池的使用寿命，监控电池的状态[7]。BMS 是电动汽车电池管理系统是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带[8]。BMS 实时采集、处理、存储电池组运行过程中的重要信息，与外部设备如整车控制器交换信息，解决锂电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题[9]。BMS 包括单体控制（CCU）、安全控制（SCU）、温度控制（TCU）、电池控制（BCU）四个单元组成。

BMS 是一套管理、控制、使用电池组的系统，主要目的是为了对电池组中的电池进行安全性和利用率管理。

2.7.1 BMS行业状况

目前欧美西方国家总计只有10多家BMS 生产企业，而国内的BMS 生产企业却已达100多家，形成了国内市场集中度不高、竞争激烈、内耗严重、资源浪费大、技术优势不明显等的趋势，呈现“多而不强”局面，因此国内BMS 厂家的能力参差不齐。

我国BMS 领域的现状不容乐观，存在缺乏技术参数、标准或滞后于国际标准，BMS 产品缺乏权威机构认系列证等问题，导致国内BMS 产品在品质、执行标准上参差不齐。很多企业的单体电芯、小模组测试符合安全和性能、寿命等技术指标，组成大电池组后其安全、寿命、低温、充放电等方面性难以保证，测试结果也相差甚远。

总体来说，与三电技术相比，国内的BMS 技术还不够成熟。虽然近年来相关技术水平已经有很大提高，很多方面都已经进入实际应用阶段，但在数据的可靠性、SOC 的估算精度和安全管理等方面仍有待提高[10]。

2.7.2 关于剩余电量SOC的估算

SOC 是锂离子电池在一定的放电倍率条件下，电池剩余电量与其额定容量之间的比值。BMS 通过SOC 估算可以在电池性能的均匀性、电池的过充过放、分配电池组能量、预测剩余动力等方面对电池进行管理。

SOC 的估算主要方法：放电实验法、安时计量法、开路电压法、线性模型法、内阻法、卡尔曼滤波法、神经网络法[11]。

常用的SOC 估算是安时积分法，也叫库仑计数法或者电流积分法。电池充放电时，通过累积充进和放出的电量来估算SOC。安时积分法只记录了充进/放出电池电量，而不能体现电池充放电过程中内部状态的变化。同时因电流测量不精确，需要定期进行校准，才能消除SOC 误差积累造成的影响。神经网络法是通过模拟电池动态特性来估计电池荷电状态，适用于各种电池，缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大[12]。

SOC 误差来源于3个方面：①电流采样精度、间隔造成的误差；②电池容量因温度变化、电池老化、充放电倍率、不同电池自放电等原因造成的误差；③初始SOC 估算困难，最终SOC 过程取舍误差。影响电池SOC 的因素主要有：温度、充放电倍率、自放电、充放电次数、电池老化等，并且电池SOC 是精度要求高、非线性的估计问题，实时在线估算有很大的困难[13]。

2.7.3 关于电池的均衡

电池组充放电理想状态：电池组充电时能够使每一节电池都充满又不出现过充状态；电池组放电时能够使每一节电池放完而又不出现过放的状态。电池组使用中的均衡目的：电池组充电时不出现被均衡电池有放电情况，放电时不出现被均衡电池有充电情况，不会损害被均衡的电池，从而有利于增加电池组的使用容量和使用寿命。电芯单体的不一致，某些电芯端电压，总是超前于其他电芯，最先到达控制阈值，导致整个系统容量变小。为了解决这个问题，电池管理系统BMS 设计了均衡功能。

主动均衡：主动均衡是以电量转移的方式进行均衡，效率高，损失小。不同厂家的方法不同，均衡电流也从1 ～10A不等。当前主动均衡技术仍然不成熟，在实际使用的过程中容易引起锂电池过放而加速锂电池循环性能衰减。目前很多主动均衡需要依托昂贵的芯片、变压器等相关元件来实现变压，存在的缺点就是技术不成熟、相对体积较大、成本高。

被动均衡是将高容量电池多出的电量采用电阻放热的方式进行释放，达到电池组均衡的目的。充电过程中，锂电池一般有一个充电上限保护电压值，当某一串电池达到此电压值后，锂电池保护板会切断充电回路，停止充电[14]。如果充电时的电压超过这个数值出现“过充”现象，就有可能引发锂电池发生燃烧或爆炸。其优点是电路简单、可靠、成本较低，而缺点为是以最低电池残余量为基准进行均衡，无法增加残量少的电池的容量，及均衡电量100%以热量形式被浪费，电池效率也较低[14]。主动均衡充电时将多余的电量转移到高容量的电芯，放电时将多余电量转移至低容量电芯中，可提高使用效率，但是成本更高，电路复杂可靠性低。目前国内主流BMS 厂商采用被动均衡居多，未来电芯一致性提高，对被动均衡的需求可能会降低。

被动均衡电流无法完全按照实际需求去做，因为通过电阻消耗的能量转化成热量，对电池管理系统以及电池包都会产生不良影响；主动均衡需要配置相应电路和储能器件，体积大、成本上升，造成主动均衡不容易在市场上推广应用。电池包的每个充电放电过程，都伴随着一部分电池局部的附加充放过程，无形中增加了电池的循环次数，对于本身需要充放电才能实现均衡的电芯，额外的工作量造成其超越一般电芯的老化，进而造成与其他电芯更大的性能差距，这些还没有相关研究做出过明确的判断。

系统均衡，首先能保障系统更安全；其次是促进可充放电容量增加。在深充深放的EV 应用中，更能体现其优势。随着新能源发展的深入，还有更多的技术问题需要研究分析，例如：均衡工作点的最优切入点，如何准确捕捉判断电池状态；如何有效降低电池个体衰减速度等，都是需要不断解决的问题。

3 结束语

优化电池组应用的关键是整车厂提出的技术要求的严谨程度、电池厂家配套的电芯品质。国内电池与国外相比仍然存在大的差距，国内电芯一致性的品质提升已经是燃眉之急，不但电池循环寿命前期一致性好，而且循环寿命后段一致性也需要过硬。电池性能方面也要考虑快充、高倍率放电的需求以及低温应用的领域。再辅助于高效的BMS 的安全管理、热管理、均衡管理，才是合理的和正确的发展思路。锂离子电池面临的安全性、电池一致性、热管理、BMS 管理系统、SOC 估算、过充过放电池均衡等问题，可以通过不同的应对策略，今后仍然需要科研人员不断改进BMS 管理系统来完善锂离子电池的应用。