多芯锂离子电池组的一致性与安全性

何鹏林,乔 月

(中国电子技术标准化研究所,北京 100007)

由多只电芯组成的锂离子电池组大量用于笔记本电脑等用电设备[1]。与多数手机电池用的单只电芯组成的电池不同,多芯电池组中电芯之间的一致性,不仅会影响电池组的电性能,更会影响安全性能。

影响多芯锂离子电池组各电芯一致性的因素,主要是电压、内阻和容量等,其中电压为电池在组装时的初始电压,内阻为充满电时的交流内阻,容量为放电容量[2]。多芯电池组的一致性较差,可能会导致各电芯在充放电时的实时电压分配不均,造成过压充电或欠压放电。锂离子电池的过压充电或欠压放电会引起副反应,引发安全问题[3-4],因此在设计电池组及电池组的宿主设备电路时,都必须考虑避免过压充电和欠压放电。

目前的锂离子电池标准中,只有IEEE 1625-2008《移动计算设备用多芯可充电电池标准》[5]对电芯的同一批次和电压监测电路有要求,但对电芯内阻、电压、容量的一致性具体指标,也没有要求。其他的标准均未对一致性提出要求。

本文作者主要研究一致性对安全性的影响及防护措施,以期为锂离子电池组的安全设计和安全评估提供依据。

1 实验

对一致性差异对安全的影响进行实验验证,样品均为LB09-A/B型 LiCoO2-石墨体系电池(深圳产)；充放电设备为HYN-BP-02A型电池测试仪(深圳产),数据记录设备为34970A型数据采集器(美国产)。

实验过程中的充放电电流为m×C5A,充电电压为n×4.20 V,其中 m为并联电芯数,n为串联级数。进行老化循环实验时,充放电程序之间静置10 min。当电芯的充电电压超过4.20 V时,认为是过压充电；放电电压低于2.75 V时,认为是欠压放电。实验以未出现过压充电和欠压放电作为判定安全的依据。纯并联电池组,各组成电芯的电压始终相等,即便一致性差也难以造成过压充电和欠压放电,因此主要研究串联和混联电池组的一致性与安全性的关系。

2 结果与讨论

2.1 开路电位一致性

选取容量(2 150±20 mAh)和内阻(55±2 mΩ)一致性较好,而初始开路电位不一致[分别为4.17 V(1-1号)、3.83 V(1-2号)和4.17 V(1-3号)、3.48 V(1-4号)]的4只电芯,分别组成两个串联电芯块,进行正常的充放电并监测实时电压,结果见图1。

图1 开路电位一致性对串联电芯块安全性能的影响Fig.1 Effects of open circuit voltage consistency to the safety performance of series cells

从图1可知,1-1号、1-3号样品的最高充电电压分别为4.43 V和4.56 V,都造成了过压充电；1-2号、1-4号样品的最低放电电压分别为1.99 V和1.96 V,都造成了欠压放电。由此可见,串联电池组各电芯的初始电压不一致,会引起安全问题；电压差异越大,安全问题越严重。

2.2 内阻一致性

选取开路电位(3 500±10 mV)、内阻(50±2 mΩ)和容量(2 100±20 mAh)的4只电芯进行实验。为模拟电池内阻的不同,将 RX24-100W-R1J型电阻(深圳产)与电芯串联(见图2),模拟一个大内阻的电芯,进行正常的充放电并监测实时电压 U1、U2、U3和 U4,结果见图3。

图2 内阻一致性检测时的电芯连接方式Fig.2 Connection for internal resistance consistency test

图3 内阻一致性对串联电芯块的安全性能的影响Fig.3 Effects of internal resistance consistency to the safety performance of series cells

从图3可知,在充电过程中,电压 U2、U4的最高值分别为4.30 V和4.41 V,都造成了过压充电；在放电过程中,电压 U2、U4的最低值分别为 2.72 V、2.62 V,造成了轻微的欠压放电。由此可见,组成串联电池组的各电芯的内阻不一致,会引起安全问题；内阻差异越大,安全问题越严重。

2.3 容量一致性

选取开路电位(3 400±10 mV)和内阻(55±2 mΩ)一致性较好,而容量不一致(分别为 2 105 mAh、1 356 mAh和2 110 mAh)的 3只电芯串联,进行一次充放电,结果见图4。

图4 串联电芯块容量一致性实验的结果Fig.4 Test results of capability consistency for series cells

从图4可知,样品的最高充电电压为4.51 V,过压充电严重；最低放电电压为1.51 V,造成了欠压放电。

实际应用中,最常见的电芯块是既有串联,又有并联的混联电芯块。在混联电芯块中,若某一只电芯或某一个并联块与其他电芯或电芯块的容量一致性差,也可能会造成安全隐患。

实验采用两种样品A电芯(A1—A9)和B电芯(B1—B3),A电芯和B电芯的开路电位(3 420±10 mV)和内阻(55±2 mΩ)一致性较好,容量分别为2 200±20 mAh和2 000±20 mAh。由以上样品组成2种电池组(见图5),进行正常的充放电并监测实时电压,结果见图6。

图5 容量不一致的电芯的混联方式Fig.5 Mix-connection for capacity consistency test

图6 容量一致性对混联电芯块的安全性能的影响Fig.6 Effects of capacity consistency to the safety performance of series-parallel cells

从图6可知,第 1组样品中电芯A3和B1的并联块,最高充电电压为4.29 V,A电芯其余样品的并联块,最低放电电压为2.69 V；第2组样品中B电芯的并联块,最高充电电压为4.34 V,A电芯的并联块的最低放电电压为2.65 V。这些电压均超出了2.75～4.20 V的安全范围,说明在混联电芯块中任一电芯的一致性与其他电芯不一致,都可能会造成安全隐患。

2.4 老化一致性

随着使用寿命的增长,各电芯之间的一致性因素会发生变化,如电芯的容量会变小,但不同电芯的变化程度不同。即使是在组装初期一致性很好的电池组,在循环老化一段时间后的一致性也会出现差异。对相同初始容量(700 mAh)的两只电池(4-1号和4-2号样品)按照前面规定的充放电条件进行循环老化,老化后的容量差异见图7。

图7 电池组循环150次的容量变化Fig.7 The capacity change of batteries at 150 cycles

从图7可知,两种电池组的容量变化随循环次数的增加不完全一致,在第150次循环时的差值约为50 mAh。锂离子电池的容量、内阻等参数可能会随着电池的循环老化而产生差异,一致性不但与电池的初始参数有关,还与老化特性有关,因此应尽量选择特性一致的电芯进行组装。

3 结论

通过上述分析和实验验证可知,在多芯串联或混联电池组中,电芯的初始开路电位、内阻和容量差异都有可能引起过压充电和欠压放电,从而导致安全问题。因此在电池组的设计生产过程中应尽量保证电芯的一致性。

通过两种途径,可以避免一致性差造成的危害:①在封装前对电芯进行筛选；②增加一致性监测电路。直接对电芯进行一致性筛选,可避免在电池组使用初期出现的一致性问题,却不能保证使用一段时间后的一致性。

采用一致性监测电路,如电压监测电路,可解决循环老化后的一致性问题,但由于当一致性差时,监测电路会切断充放电电路,因而性能会降低。由此可见,安全与性能在一定程度上是矛盾的,应尽量在安全和性能之间寻找平衡点。

[1]HUANG Ke-long(黄可龙),W ANG Zhao-xiang(王兆祥),LIU Suqin(刘素琴).锂离子电池原理与关键技术[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化学工业出版社),2008.340-342.

[2]IEC 61960:2003,Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes——Secondary lithium cells and batteries for portable application[S].

[3]WU Yu-ping(吴宇平),WAN Chun-rong(万春荣),JIANG Chang-yin(姜长印).锂离子二次电池[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化学工业出版社),2002.326-329.

[4]GUO Bing-kun(郭炳?),XU Hui(徐徽),WANG Xian-you(王先友),et al.锂离子电池[M].Changsha(长沙):Central South U-niversity Press(中南大学出版社),2002.383-384.

[5]IEEE 1625-2008.IEEE standard for rechargeable batteries for multi-cell mobile computing devices[S].