1.5 单体间一致性与改进措施

锂离子电池单体电压通常仅为3～4V，容量有限，所以在新能源汽车、电动工具等大功率系统中，需要将几十节、上百节的锂离子电池串联、并联成组使用。由于工艺制备的局限性，即使是同批次生产出的单体电池，也会存在电压、容量、内阻及自放电率的差异。锂电芯的正负极活性物质分别为钴酸锂和石墨，其中，正负电极的作用主要是参与化学反应并起导电作用，通过电子的得失产生电流并提供电能，其性能的好坏及是否失效将直接关系到锂离子电池组的功能实现效果。考虑到机载设备的体积和重量均受到限制，在每只锂电芯中，将多片正、负极片各自并联，以达到提高容量的目的。锂离子电池组利用复杂的串并联组合结构，突破了单体电压和容量的限制，使其得到广泛应用。但在生产制造和使用过程中，单体间不可避免地存在着差异，造成电池组内部存在单体间不一致等问题。

1.5.1 一致性差异来源

锂离子电池制造工艺复杂、工序繁多，包括配料、涂布、辊压、卷绕、组装、注液、化成和分容等。制造过程的各个工序都影响着电池的性能，各工序的误差累积是造成单体电池性能差异的主要原因。在存储过程中，单体电池的自放电率不同也是导致电池组容量不匹配的重要原因。自放电的影响因素较多，包括正负极与电解液反应、制作过程中掺入杂质造成的电池微短路等。电池不一致性的产生是由很多原因引起的，从电池不一致产生的阶段，可以分为生产过程中的不一致和使用过程中的不一致。下面对这两个过程中不一致的产生进行详细的介绍。

（1）生产过程中不一致的产生 锂离子电池的生产过程包括很多复杂的工序，主要生产流程如图1-5所示。

现在电池的生产过程从配料到出厂要经过十几道工序，在这些复杂的工序过程中，很难保证材料和工艺的一致性，这会导致即使是同一批次生产的电池也不能保证它们的参数完全一致，这种不一致性是不可避免的，称为初始差异。虽然电池在每个生产环节产生的差异是很微小的，但是经过不断的累加，这种不一致性会不断被放大，在使用过程中这种现象也会更加突出。

（2）使用过程中不一致的产生 由于动力电池在生产过程中的初始差异的存在，电池在使用过程中会遇到许多复杂的工作状态和工作环境，内部和外界对电池的影响会加剧单体之间的不一致。电池在使用过程中，老化程度会不断增大，同时会出现总容量减少、内阻增大和寿命缩短等现象，使用次数越多、越频繁，这种变化的差异会越来越明显。实验表明，温度的急剧变化、充放电倍率的频繁改变、使用次数的增加，电池各项参数的变化是十分明显的，经过长时间、多次的使用，电池间的不一致性会更加明显，这在电池组的使用中是重点考虑和解决的问题。

针对电池组的不一致性问题，除了在电池的生产过程中通过改进工艺水平入手外，还必须在使用过程中采取相应的均衡措施，设计适当的均衡电路，结合恰当的均衡策略解决电池的不一致性问题。确保电池组安全高效的运行，是锂离子电池等高性能电池被广泛应用的关键，也是锂离子电池组和用电设备得以发展的桥梁。因此，电池均衡控制技术在锂离子电池组的安全高效应用中是必不可少的。

1.5.2 一致性差异体现

单体电池的性能差异主要体现在初始状态和存储过程变化两个方面。初始状态包括容量、电压、内阻等，电池容量的不一致性会导致短板效应。在正常放电过程中，容量低的电池放电完成后，其他电池电量还未放完，电池组不能发挥出剩余性能；若是继续放电会造成容量低的电池过放电，影响该电池寿命，从而使电池组过早失效。在充电过程中，容量小的电池先充满电，若要保证其他电池也充满电，会导致容量小的电池过充电，在电极表面长出锂枝晶，将会刺穿隔膜，导致电池短路甚至爆炸。

电池组是由单体电池串并联组合而成的，在串联电路中，电流相同，充电时，内阻大的电池充电电压也较大，因此会导致内阻大的电池提前充满电；放电时，内阻大的电池产生的热量多，电池温度升高会引起安全隐患。在并联电路中，电压相同，不同内阻通过的电流不同，因此充放电电流不同、倍率不同，充放电的速度也不相同。电压不同时，并联电路中的电池趋于电压一致，因此会造成电压高的电池给电压低的电池充电，该过程会损失电池组的能量，导致向外输出能量降低。在使用过程中，一般采用恒流充放电，但随着容量逐步衰减，在电流不变的情况下，实际电流倍率变大，从而导致电池性能进一步恶化。

1.5.3 一致性差异的改善方法

电池组中单体电池差异是绝对存在的，但是我们可以减小差异，缓解电池不一致问题。目前，不一致问题的改善方法主要分为三种：

（1）优化制造工艺，提高制造过程水平

1）原材料改进。原材料的性能对电池性能和一致性具有重要影响，例如正负极材料的配比、粒径、孔隙率等。选择纯度高、易加工、性能好的电极材料，可有效改善制作水平，提高电池一致性。采用高温固相烧结法合成高压实NCM523正极材料，再掺入Sr元素，结果显示，掺杂后的材料一次颗粒和晶胞体积变大，压实密度比未掺杂样品提高7.2%，体积能量密度提高8%，循环100次后的容量保持率为94.2%。采用涂碳铝箔作为正极集流体可以降低电荷转移电阻，提高Li⁺的扩散速率，从而提升电池的性能。涂碳铝箔的电荷转移电阻比光铝箔低65%以上，扩散速率是光铝箔的3倍，功率密度涨幅大于35%。因而，研究使用具有优异性质的原材料，可以改善电池的性能和一致性。

2）过程优化。锂离子电池制造过程复杂，每道工序的误差累积成最终电池性能差异。因此过程控制十分重要，对每个过程进行优化，可提高产品一致性。锂离子电池浆料是否分散均匀，直接影响电池品质。目前电池厂商广泛采用行星搅拌机或螺旋式混合搅拌机，这种分散方式仍然存在混合不彻底、工作效率低等问题。为提高锂离子电池浆料的分散效果，可根据锂离子电池浆料特性采用超剪切分散机理。

注液是锂离子电池制作过程的重要工序，注液量直接关系到电池容量和安全性能。注液太多，电池易渗漏；注液太少，会降低容量，甚至有可能引起电池局部过充电而导致爆炸。因此，保证注液精度十分重要。针对注液机的注液精度低问题，采用真空注液、优化机械结构和软件系统，实现自动注液工艺，不仅减少了人工浪费、改善了环境污染，还能够保证注液精度，减少电解液浪费，提高了电池质量。另外，采用自动化程度高及精度高的生产线，不仅可以提高劳动效率、改善工人劳动环境，还可以节约材料、降低能耗，并且还可以大大降低生产过程中由于人为接触造成的污染和因人为操作的随机性导致的电池不一致，从而提升产品品质。

（2）电池分选 无论是改进生产设备还是提高生产制备工艺，都会大大增加生产成本且需要长时间实现。基于现有条件，采用合适的分选方法是提高电池组一致性的有效方法。电池分选技术是为了减小电池组中单体电池的不一致性，提高电池组的容量使用率和循环寿命，而采用的按照一定原则选取性能相近的电池成组使用的方法。评价单体锂离子电池初始性能一致性的方法有单参数分选法、多参数分选法和动态特性分选法。

1）单参数分选法。单体电池的分选参数有容量、电压、内阻和自放电特性。容量是电池性能的一个重要参数，根据单体电池的容量分布情况进行一致性评价，操作简单、易于实现，但是在实际使用过程中，容量受工作状态和外界环境影响，因此，不能保证按照指定条件筛选出的容量一致的电池在实际充放电过程中的容量一致性。电压分选法分为开路电压分选和工作电压分选。工作电压分选相对开路电压分选，多考虑了电池工作时的电压，但同样没有考虑电池放电时间、容量等参数的影响。锂离子电池的内阻包括欧姆内阻和电化学反应引起的极化内阻。内阻可直接测量，但由于内阻差异较小，测量设备的精度和准确性会影响电池分选质量。自放电率是锂离子电池的一项重要性能指标，在原材料和制作过程基本相同的情况下，极少数单体电池表现出较大的自放电率，可能是由杂质、毛刺刺穿隔膜引起微短路等原因引起的。在长期存放或使用过程中，自放电率大的电池性能恶化较一般电池严重。因此通过自放电分选可提前剔除问题电池，保证配组电池的一致性。单参数分选法简单方便，但单一的参数不能全面反映电池性能，因此分选效果较差。

2）多参数分选法。即选取多个特征参数对电池进行分选的方法。多参数分选可多方面缩小电池的不一致性，分选效果较好，是目前动力电池分选方法中较为准确的方法。

3）动态特性分选法。动态特性分选法是指对电池的充放电曲线特征进行分选的方法。相比容量、电压、内阻等静态特征，充放电曲线可动态表征电池特性，从而更全面地反映电池特性。但是，该方法耗时长、数据量大，且单一倍率下的一致性不适用于新能源汽车复杂的工况。尽管目前电池分选技术仍存在缺陷，但基于现有制造工艺水平，对缩小电池差异、延长电池组寿命，具有重要的意义。然而，分选技术只能减小单体电池间初始状态的差异，在电池组使用过程中，不同的温度、倍率、自放电率等都会导致电池组一致性变差。

常用的锂离子电池一致性筛查方法还包括电压配组法、容量配组法、内阻匹配法，它们各有优劣。例如，电压配组法操作简单，但未考虑荷载变化；容量配组法需按特定的充放电条件进行，花费时间长、测试成本高；内阻匹配法虽可快速完成测量，但由于无法去除极化内阻的影响，而导致精度不高。

（3）BMS调节 提高制造水平和采用分选技术，都可在电池组使用前减小电池间差异。在电池组使用过程中遇到的不一致性问题，可以通过BMS对电池组状态进行控制，以抑制电池性能差异的放大。BMS可以准确估测SOC，进行动态监测，实时采集电池的端电压、温度、充放电电流，防止电池发生过充电或过放电现象，并对电池组进行均衡管理，使单体电池状态趋于一致，从而能在使用过程中改善电池组的一致性问题，提高其整体性能，并延长其使用寿命。其中，最有前景的是用DC/DC转换器均衡模块中的电池电量，电量高的电池将额外电量传递给低电量电池，根据模块中电池能量的分布情况采用不同的均衡技术。