動力電池不一致性成因

動力電池包，之所以需要管理系統（電氣管理系統和熱管理系統），一個重要原因就是應對電芯和模組的不一致性。試想，如果每顆電芯出廠時都完全一致（容量，電壓，內阻，自放電……），並且在使用過程中也像瑞士鐘錶般，彼此之間分毫不差，那麼，我們就不必把管理系統搞得這麼複雜了。至少，單體電壓不用測量了，均衡功能不用做了，溫度感測器，整個電池包有一個就行了。

然而現實是，每隻電芯從出生開始就是不同的。使用過程中它們還會變得更加不同。本文討論的主題就是動力電池單體及其模組的不一致性的成因。

1 電芯單體的不一致性成因

鋰電池單體，主要的結構包括正極，正極集流體，負極，負極集流體，隔膜和電解液。性能表現的不一致，根源最終都可以挖掘到這些組成部件上來。

1.1 製造過程

第一個原因，基礎工業水平決定的材料精度純度的不穩定性，帶來了最終產品性能的不一致。使用不同批次的正極、負極和電解液，生產的電芯單體，一般是不能混用的。即使分選過程中的的參數非常一致，但分選手段基本都不能體現未來使用一段時間以後，電芯的狀態，因而當前的處理方式就是避免混合使用。

另一個原因是電芯生產過程中的工藝一致性問題。電芯生產工藝比較複雜，大致過程如下。

整個過程中，每一步工序的一致性都非常重要，但最難保障一致性的是塗布工藝過程，塗層厚度和均勻性以及材料活性都不是機械手段易於嚴密把控的，是造成單體差異的主要工序。製造工序中產生的差異，只能在分選工序中儘力彌補。

1.2 使用過程

循環使用過程

單體在整個電池包中的位置不盡相同，被包裹在模組中心的單體與身處模組最外層的單體，散熱條件差異巨大；

與模組集流銅排的相對位置也不可能帶來單體熱環境的不一致性。銅排是熱的良導體，散熱能力高於電芯單體。電芯相對於集流銅排的位置不同就會造成彼此間散熱條件的不同。

有研究表明，工作過程中，溫度的不一致會對電芯的不一致性產生最為顯著的影響，使得電芯從不一致走向更大的不一致。

不同的熱環境疊加在一起，導致單體的工作溫度條件存在差異。高溫工作造成借宿劣化，劣化後的內阻上升，又會返回來提高電芯溫升。熱環境的不同，是這個負反饋的開端。

靜置過程

使用過程中的靜置，設想單體身處一輛電動汽車中。停車狀態，車上的所有電力全部斷掉，包括電池包的熱管理系統（如果電池包本來具備熱管理系統的話），電池包處於自然溫度場中。產生影響的，還是電芯的相對位置，造成熱環境不同。

每顆電芯與電池包殼體距離不同，受到外界溫度變化的影響程度就會存在差異。在達到熱平衡之前，不同電芯的溫度條件都是不同的。

工作過的公司曾經有這樣一個要求，如果電芯經歷長途運輸到達另一個組裝地點，一般要求25℃環境，靜置24小時以後，再進行收貨檢驗，目的是為了使得電芯達到熱均衡和內部電化學狀態的穩定。

靜置過程中，不同的荷電狀態，電芯性能參數的變化趨勢也存在區別，比如自放電。

2 模組不一致性成因

2.1 製造過程

首先，電芯的不一致性必然會傳導到模組上。電芯分選的重要性會第一次在成型後的模組上體現出來。

其次，電芯單體經過焊接、夾持，串並聯，連接在一起，形成模組。加工過程中的工藝不一致，必然會導致模組與模組之間的不一致。最直觀的表徵就是模組的內阻。

焊接工藝的不一致，極容易造成焊接電阻的差異。電芯內阻的數量級是幾或者十幾毫歐，焊接產生電阻的輕微不一致，對鋰電池模組來說，都不是小問題。

再次，模組內部、模組之間的連接銅排或者高壓導線，其自身尺寸、連接方式和表面處理也會對模組的一致性造成影響，主要體現在模組內阻上。採用螺釘連接、壓接還是焊接，除了考慮加工的工藝性，也不能不考慮連接阻值的影響。

2.2 模組使用過程

2.2.1 製造過程中造成的內阻不一致，到達模組應用的環境，會體現在發熱量的不一致和電芯端電壓採集結果的影響不一致上。

阻值不均勻造成發熱不均勻，不再贅述。本節表述一下對電壓採集的影響。電池管理系統採集每一節電池的端電壓，這裡的一節可以是若干只單體電芯並聯組成。

用一個我實際應用到的例子類比一下。電壓採集方式是把電壓測量迴路的兩個採樣點焊接或者用螺釘連接到電芯的兩端，如果遇到模組與模組之間過長的導線連接，則需要在導線的兩端都連接電壓採集點（在課本上，我們本來認為，導線上的任何一個點，電位相同，實際中並非如此）導線長度對電壓採集結果會造成影響，可想而知，一個焊點或者螺釘連接效果的不一致，必然會帶來電壓採集結果的不一致。

理論上的原因大體是這樣的。動態的電芯端電壓採集過程，電芯可以簡化成一隻理論電壓源和一個電阻串聯的電學模型。當迴路中有工作電流流動，管理系統測量到的電壓，並非等於電池的開路電壓。放電過程，測量值是電壓源電勢與內阻端電壓的差；充電過程，測量值是電壓源電勢與內阻端電壓的和。

2.2.2 電池包不同的裝備位置，使得環境溫度對內部模組一致性影響不同。有的把電池包安置在車輛後備箱處，距離地面比較遠；有的安置在底盤下，是車輛位置最低的部件，距離地面非常近；有的混動車輛，電池包位置距離發動機很近。距離外部環境，距離熱源條件不同，都會帶來電池包內不同位置模組溫度條件的差異。

2.2.3 不同的連接方式，在使用中，對模組一致性的影響也是不同的。焊接的連接點，如果表面處理沒有做好，出現了氧化腐蝕，其電阻自然會增大。而沒有鏽蝕的焊點，電阻會與鏽蝕的焊點不同，焊點內阻與電芯內阻的相對影響也發生了變化。

如果採用螺釘連接，一般要求選擇防松螺釘。在高速運動的電動汽車上，各種頻率的震動都會產生，負責電連接的螺釘鬆脫，輕則造成內阻變化，重則造成系統報警甚至斷電。

參考：

鋰動力電池動態一致性評價方法的研究

車用鋰離子動力電池組的一致性研究

（圖片來自互聯網）