锂离子动力电池一致性评价方法的研究进展

靳尉仁，庞 静，唐 玲，丁 正

(北京有色金属研究总院动力电池研究中心，北京 10088)

单体电池之间的性能不一致，将严重影响电池组的性能发挥，因此在对锂离子动力电池进行组合时，要求参与配组的单体电池性能尽可能一致。在锂离子电池生产过程中，由于原材料的细微差别和生产工艺的波动，电极厚度、电极孔隙率、孔隙结构及活性物质的活化程度等存在微小差异，导致制备的电池在容量、内阻、电压等性能方面存在一定的不一致性［1］。研究单体电池性能一致性的评价方法，以提高配组单体电池一致性，显得十分重要。

本文作者介绍了目前用于评价锂离子动力电池初始性能一致性的方法。

1 单参数评价电池一致性

1.1 电池电压

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。方送生等［2］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，但开路电压不能反映电池的其他性能，仅根据开路电压评价一致性，具有很大的局限性。

李杨等［3］对磷酸铁锂(LiFePO4)锂离子电池在50%荷电状态(SOC)下以7.5 C充电10 s和以10.0 C放电10 s，采集充、放电第10 s瞬间的动态电压，以这两个电压为参数评价电池的一致性。陈邦华等［4］将放电态电池串联成电池组，对电池组以一定的电流充入不超过额定容量93%的电量，得到平台电压和最高电压，以平台电压和最高电压为参数，对电池的一致性进行评价。

以动态电压为评价电池一致性的参数，能够较真实地反映电池在使用过程中性能的一致性，但方法不易实施，也无法消除荷电时间、荷载变化和输出容量等因素的影响。

1.2 电池容量

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［5－6］。

1.3 电池内阻

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［7］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［8］。

2 多参数评价电池一致性

电池具有多个特性参数，人们根据有关参数的取舍，提出了多种评价电池一致性的方法。

韩伟［9］提出对电池以不同的电流进行短时间放电，记录放电结束时刻的电压;电池电压为0时的电流作为短路电流。利用开路电压Uoc和短路电流Isc，通过式(1)计算电池内阻R;根据采集的电压(U)、电流(I)数据，利用式(2)计算电池的最大功率Pmax;根据电池的开路电压、短路电流、内阻及最大功率，进行电池一致性的评价。这种方法能够较好地反映电池大电流工作性能，但短路测量会对电池造成一定的破坏;另外，由于电池的短路电流很大，需要测量设备具有较大的量程，限制了该方法的应用。

杨华通等［10］提出了根据额定电流和电压计算电池的额定功率P，分别以额定功率的80%、100%和108%恒功率放电至截止电压，计算各电池放电时间t的标准差，根据标准差评价电池恒功率性能的一致性。电池以不同的倍率进行恒流放电，在相同倍率下测得每只电池在相同电压(不是放电截止电压)时的放电容量，计算电池放电容量的标准差(每一个倍率具有一个标准差)，以此评价电池的恒流放电性能一致性。这种方法较充分地考虑了不同使用条件下电池性能的变化，能较好地反映电池在实际应用过程中的一致性;但未考虑电池的充电性能，具有一定的局限制，且测试时间较长，对测试设备的要求较高。

徐春明等［11］提出利用放电容量、搁置过程中电压下降的幅度及放电结束后电压的上升幅度，评价电池的一致性。先测试电池的0.2 C放电容量;再将电池充电至50%额定容量，并测量静置24 h和168 h后的电压U1和U2，计算电压下降幅度(U1－U2);继续将电池充满电，保持并联4 h以上，以确保电池电压一致，然后将电池(电池数量超过组成一个实际电池组所需的数量)串联起来形成一个电池组，对电池组放电至其中任一电池达到截止电压，记录放电结束1 h后各电池的电压值U3，以这3个参数对电池一致性进行评价。该方法采用搁置过程中电压变化的幅度作为评价电池一致性的一个参数，同时考虑了电池放电容量及模拟放电过程，较好地反映了电池放电性能及搁置性能的一致性;但也有明显的不足:部分电池体系的电压对SOC状态不敏感，仅通过搁置过程中电压变化不能反映电池性能变化;没有考虑电池电压的动态特性;测试时间冗长，测试过程繁琐。

多参数评价方法的核心是有关参数的选取，通过选取一些较关键的电池性能参数，可接近于识别出电池内部的实质差别，是对动力电池一致性比较准确的评价方法。有关参数与电池特性之间的关系，在理论上还不十分清楚，关键参数的选择还缺乏理论指导;选取的参数大多数是电池处于稳态时的外部参数，无法反映电池充放电过程中特性变化趋势;部分参数仍存在测量精度的问题。

3 根据动态特性评价电池一致性

3.1 基于电池内部动态过程

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。一般认为，正、负极活性材料中Li+的扩散过程和电解液中Li+的传输过程，是影响锂离子电池性能的主要步骤。恒流充放电一段时间后，电池内部及活性材料颗粒中会形成Li+浓度梯度。电流突然停止，电池电压急剧变化阶段，主要是内部欧姆内阻引起的压降;在随后的过程中，电压的缓慢变化，主要是由浓差极化和电化学极化引起的。李成亮等［12］提出:电池在恒流放电结束后电压急剧变化阶段的变化幅度为ΔU1，电压缓慢变化阶段的电压变化幅度为ΔU2，从开始搁置至电池电压基本保持稳定(忽略电压急剧上升阶段所需要的时间)的弛豫时间为Δt，分别计算这3个参数相对于基准电池的相对偏差，以3个相对偏差之和作为评价电池一致性的指标。该方法所选取的参数直接针对电池内部的微观过程，具有明确的物理意义，同时操作上简单易行，理论上具有一定的适用性，但选取的参数过少，不能全面反映电池的实际性能。

从电化学阻抗谱(EIS)可得到有关参比电极到工作电极之间的溶液电阻、双层电容及极化电阻的信息，根据EIS评价锂离子电池一致性，成为研究热点之一［13］。可将电池等效为由一系列电子元件组成的等效电路，测量电池在不同角频率下的频率响应函数值，通过曲线的形状和特点，确定等效电路中有关元件的参数，从而得出有关过程的动力学参数或有关体系的物理参数;根据等效电路中相应电子元件的参数，对电池的一致性进行评价［14－15］。这种基于EIS分析的方法更贴近电池的本质。由于测量电池EIS的时间较长，无法应用于工业生产，作者提出了基于阻抗谱的多点频谱法。该方法仅测试电池在特定频率下的阻抗响应，利用MATLAB软件对选取的特定频率进行拟合，进而算出等效电路中各电子元件的参数。

根据电池内部动态过程评价一致性的方法，直接针对影响电池性能的内部因素和过程，评价的参数体系具有明显的物理意义，用来评价电池一致性具有科学性;但需要采用专门的测试设备，测试周期也较长，测试结果的解读需要较高的理论知识，不利于这些方法在实际生产中的应用。

3.2 基于充放电特性曲线

充放电特性曲线几乎涵盖了电池的全部特性，如果充放电特性曲线具有较好的一致性，则电池也具有良好的一致性。根据充放电特性曲线对一致性进行评价，充分考虑了各单体电池特性的变化规律，能更充分地反映一致性。

多智华等［16－17］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。单毅［18］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。

闻涛等［19］提出:电池以2 C的电流进行一次充放电测试，对每一只电池以相同的时间间隔采集电压数值，将每一只电池的电压数值按照时间顺序排列，形成电池的特征向量;计算全部电池在每一个采样时刻的电压平均值，将电压平均值按时间顺序排列，形成标准电池的特征向量;按式(3)计算每一只单体电池与标准电池的相关系数rys:

式(3)中:yi为单体电池特征向量的第i个数值为单体电池特征向量中各点的平均值，si为标准电池特征向量的第i个数值，为标准电池特征向量中各点的平均值。根据放电容量、恒流充电容量与恒压充电容量的比值、放电结束后电压的上升幅度和相关系数，对电池的一致性进行评价。

锂离子电池在充电过程中有恒压充电的阶段，在这个阶段，电压恒定而充电电流逐渐减小，充电过程的一致性对电池组性能具有显著的影响。韩伟等［20－21］提出对电池的充、放电电压特性曲线和充电电流特性曲线进行比较，选择符合要求的电池曲线为基准曲线，在基准曲线上选择对比点，按指定的对比点处的偏差范围对电池一致性进行评价。

特性曲线方法通过对曲线上特征点的选择，计算对应特征点之间的距离或相关系数，以这些距离或相关系数作为评价电池性能一致性的指标。该方法充分考虑了单体电池特性的变化规律，结合多参数配组法一起应用，可更充分地反映单体电池的差异，只需测试电池充放电曲线，具有测试简便的特点;但特性曲线方法涉及曲线识别和特征点取值，采集数据量大，计算过程复杂，要采用计算机程序配合实现。

为了减少数据采集量及计算复杂程度，杨智宁等［22］对动力锂离子电池在模拟使用状态下进行多次连续充放电测试，取得容量-电压数据，将每次循环的数据分别作微分容量曲线，并计算充电完成时恒流恒压充电容量(C)及每条微分电量曲线上特定峰值对应的充电容量(C1)，计算每条曲线的Cl/C值。当相邻两条充电电量微分曲线的Cl/C之差等于0时，认为该单体电池处于电化学稳定状态;进一步确定处于电化学稳定状态的锂离子动力电池充放电微分电量曲线各个峰位的相对位置及容量，以此对锂离子动力电池进行一致性评价。从电化学原理上来说，该方法选取的参数包括了电池的充放电平台电压、平台容量、恒流充电容量和总容量等性能，是对充放电特性曲线方法的一种简便处理，能够较好地反映电池性能的一致性;同时，具有测试设备简单、测试流程简便等特点。这种方法存在计算过程复杂、特征点数据需要人工辨别、数据采集量大等缺点。

根据电池的充放电特性曲线对电池一致性进行评价，充分考虑了充放电动态特性，能够比较全面地反映电池的综合性能，同时具有测试设备普通、测试流程简单等优点，较适合锂离子电池性能的一致性评价。实现快速高效地识别电池的充放电曲线、提取特征点数值，是下一步研究的重点。

4 结合非电性能参数评价电池一致性方法

非电特性是影响锂离子电池电化学性能的重要因素，有必要引入非电性能参数。吴锋等［23］将电池表面涂黑后，逐只置于高低温试验箱内，设置恒定温度;以一定倍率将电池恒流充电至100%～120%SOC;用红外热成像仪检测并记录充电过程中电池的表面温度;以充电结束时的表面最高温度以及最高与最低温度之差为参数，评价电池的热一致性。

热性能作为评价电池一致性的参数，可在一定程度上反映电池的电化学性能，将热性能与电化学性能相结合，对电池进行一致性评价，具有一定的科学合理性。电池的热性能测量较困难，受环境因素的影响较大，测试设备较复杂，会对这种方法的推广产生不利影响。总体而言，利用电池的非电化学性能进行电池一致性评价，目前尚处于研究起步阶段，有较多的问题需要解决。

5 结论

锂离子动力电池一致性评价方法的关键依赖于所选择的参数，应选择能够反映电池综合性能的指标作为评价一致性的参数。单参数评价方法由于考虑的因素太少，不能反映电池的真实情况，因而不适合用于锂离子动力电池一致性的评价;多参数评价方法能一定程度反映动力电池内部实际特征值的差异，但无法反映出动力电池充放电过程中的特性。

动态特性方法评价电池一致性，能够比较真实地反映电池的内部本征特性，比较适合于锂离子动力电池一致性的评价;根据充放电特性曲线评价电池一致性，充分考虑了各单体电池内在特性的差异，结合多参数评价方法一起应用，应该是锂离子动力电池一致性评价方法的主要发展方向，关键是快速高效地识别充放电曲线并提取特征的数值。

采用非电化学参数评价电池一致性，尚处于研究的初期阶段，用于一致性评价，还有较多的问题需要解决。

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