锂离子电池不一致性综述

黄燕琴　聂金泉　王敖　刘建强　李银银

摘 要：锂离子电池是电动汽车的关键部件之一，电池组作为电动汽车的供能部分，对整车性能起到决定性作用。本文首先剖析了电池一致性的产生机理及其表现形式。其次，针对锂离子电池安全性、使用寿命以及容量衰减等方面的问题，从电池不一致性评价方法和改善不一致性的措施展开分析。电池不一致性评价方法主要有单参数评价、多参数评价、动态特性评价的一致性评价方法。改善不一致性的措施主要有提高制造工艺和改进原材料水平，保证单体电池出厂时的一致性;电池成组使用前对电池进行选配，以减小单体电池初始差异;利用均衡技术减小各电池单体间的能量差异，进而提高电池组的一致性;利用电池热管理技术降低温度对电池一致性的影响，进而提高电池的使用寿命。最后，对改善一致性的措施进行了展望。

关键词：锂离子电池 不一致性 电动汽车

Review on Inconsistent of Lithium-ion Batteries

Huang Yanqin，Nie Jinquan，Wang Ao，Liu Jianqiang，Li Yinyin

Abstract：Lithium-ion battery is one of the key components of electric vehicle. As the energy supply part of electric vehicle， battery pack plays a decisive role in the performance of the whole vehicle. In this paper， the mechanism and manifestation of battery inconsistency are analyzed. In view of the problems of safety， service life and capacity attenuation of lithium-ion battery， the evaluation method of battery inconsistency and the measures to improve inconsistency are analyzed. The evaluation methods of battery inconsistency mainly include single parameter evaluation， multi-parameter evaluation and dynamic characteristic evaluation. The main measures to improve the inconsistency are to improve the manufacturing process and raw material level to ensure the consistency of the single cell when it leaves the factory， to reduce the initial difference of the single cell before the battery is used in groups， and to reduce the energy difference between the cells and improve the battery consistency.

Key words：lithium-ion battery， inconsistency， electric vehicles

锂离子电池（Lithium-ion battery，LIB）具有高能量密度、循环寿命长、无记忆效应等优点，广泛应用于电动汽车和储能等民用领域[1]。受限于单体电池制造技术 ，通常在组成动力电池组时需要将多个单体电池进行串联或者并联才能达到汽车实际性能需求，而动力电池组中各个单体电池之间会存在一些差异，称之为一致性问题[2]。并且随着单体电池数量的增加，使得电池一致性问题尤为突出。一致性问题引起电池使用寿命缩短、电池组性能和安全性降低等一系列问题，电池的一致性问题成为动力电池发展的制约瓶颈[3]。

单体电池的不一致性主要來源于制造或存储过程和使用过程[4]。生产过程中经常通过对制造工艺精度的控制来间接缩小不一致性，但这只能减小初始参数差异，而不能彻底消除。电池的一致性具有传递性和累积性，受众多因素交互影响，使用过程中初始参数的细微差别会被无限放大。可以从电池生产环节、电池分选、电池均衡、动力电池热管理等方面联合入手，改善这种情形。

本文作者从不一致性产生机理及表现形式、不一致性的评价方法、改善不一致性的措施等方面，对国内外电池不一致性研究进行综述，并做了相应的展望。

1 不一致性产生机理及表现形式

1.1 不一致性产生原因

电池的不一致性可以根据电池处在不同状态进行分类，在产生或存储中出现的不一致性被称作为静态不一致性，而在使用过程中出现的不一致性则被称为动态不一致性[5]。静态不一致性受到生产装配技术、生产工艺、存储环境及存储时的自放电程度等的影响。动态不一致性受到电池内阻、充放电工况、容量、电压和自放电速率、温度、电池外电路连接方式、BMS 输入电路等多方面的影响，如图1所示。实际中，电池组各个单体电池各方面初始性能有着不可避免的差异，这就导致了在相同的电流激励下，各个单体的工作状态存在的各种差异，同时引起性能差异逐渐变大，引起了串联电池组的“恶性循环”。部分单体电池的性能变差，导致其容易充满，存储电量变少，从而影响整个电池组的性能，性能差的单体电池，就像木桶的短板，会直接对电池组的循环使用寿命造成严重的影响。

1.2 不一致性表现形式

电池不一致性主要体现在容量、SOC、自放电率、内阻、电压等的差异。

1.2.1 容量不一致

容量指的是电池组的最大可用容量。电池容量受到温度、放电倍率、循环次数、电池内部参数差异等因素的影响。文献[6]的研究表明单体电池容量差异性存在正态分布的特点。文献[7]的研究表明电池组的容量比单体电池中的最小容量更低。电池组容量由所有单体电池中当前可放电最小电量和可充电最小电量的电池决定。

1.2.2 内阻不一致

电池的内阻直接影响电池外在参数差异，电池内阻主要包括欧姆内阻和极化内阻[8]。在循环充放电过程中各单体内阻大小可反映出单体间的一致性，所有单体内阻分布越集中其一致性越好，反之越分散其一致性越差。内阻也会受到电池所处环境温度的影响，内阻的不一致性体现了电池的能量损耗，也会反映到电池组的不一致性。文献[9]对多个动力电池的阻抗测试发现同一厂家的单体电池存在不一致性，不同厂家的电池不一致性更明显。文献[10]利用桥接于锂离子电池组内的电容电流特性检测锂离子电池组中各单体内阻一致性，且该方法能够准确定位不一致单体的位置。

1.2.3 电压不一致

电压的不一致性主要表现在开路电压不一致和工作电压不一致[11]。电池多数情况都是处于工作状态，电池的工作电压的变化可以反应电池的内阻变化，工作电压的参数差异也可以体现电池组内各个单体电池的劣化程度，因此工作电压对于电池的动态一致性评价有着重要作用。文献[12]中进行了实车验证，发现锂电池组的电压不一致性呈现近似正态分布。文献[13]对磷酸铁锂电池电压一致性改善的研究表明，环境温度控制在25～45℃为宜，以35℃附近最佳，结合分容放电后以小倍率电流续放电或微补电的方式，可以使电压一致性显著提升。

1.2.4 自放电率不一致

自放电指的是电池在存储过程中，其内部能量自然损耗的现象，主要表现随着存储时间的增加，能量流失增加，开路电压下降。自放电率主要受到电池材料、制造工艺、储存条件等的影响。研究表明自放电率也近似于正态分布规律。

1.2.5 SOC不一致

电池的SOC差异是多个因素耦合作用产生的，SOC能够综合描述电池的工作电压和内阻变化[5]。充放电时，SOC是引起电池电压、内阻等一致性差异的主要原因，SOC不同还会造成电池温度的差异。

2 电池组不一致性评价方法

一致性评价方法关键是选择出合适的能反映电池综合性能的一致性评价参数。主要有基于电压、容量、内阻等参数的锂电池组一致性评价，分为单参数评价、多参数评价、动态特性评价方法[14]。

2.1 单参数评价法

单参数评价法仅选择某一个参数来评价一致性，无法反映电池的真实状况，主要集中在电压、荷电状态和容量的分析方面。

2.1.1 基于工作电压的评价方法

利用电池工作电压评价电池组的一致性主要通过电压标准差以及电压极差进行评价，计算方程为：

电压标准差越大说明电池组的一致性越差，电压极差越小说明个别电池的差异性越小[15]。电池的工作电压会受到电流、温度等的影响，使得基于工作电压的评价方法结果不准确。

2.1.2 基于SOC的评价方法

利用电池SOC评价电池组的一致性主要通过SOC标准差和极差进行评价[14]，计算方程为：

SOC标准差越小则电池组的一致性越好，SOC极差越大则个别电池的差异越大[15]。SOC 综合电池的各个参数，可以反映更多的电池信息。相较于单独使用工作电压评价的方法，利用SOC评价的方法更加合理。文献[16]提出了将SOC和电压作为电池组一致性评价参数的模型。针对所提出模型中存在误差、适用性差等问题做出新的评价，文献[17]提出一种分段SOC一致性模型，将电池的充放电情况分为三段进行评价，结果表明该一致性评价模型的评价效果更好。

2.1.3 基于容量差值的评价方法

容量差值的评价方法与SOC评价法比较相似，实际应用中，由于使用环境和工作状态的不同会导致电池容量发生变化，使得容量在线估测比较困难，因此该方法不太适用于在线实时均衡[15]。

2.2 多参数评价法

上述一致性评价方法都是选择其中一个参数来评价电池一致性，还可以将电压、容量、内阻、放电倍率等参数中的两个或者多个参数组合来评价一致性。但是多参数评价法不能反映出动力电池充放电过程中的特性。文献[18]对电池一致性特征參数进行分析，建立了电池一致性的多参数评价函数。解决了电池均衡技术中采用单一参数评价电池一致性的问题。

2.3 动态特性评价法

动态特性方法分为电池内部动态过程评价和充放电特性曲线评价，电池内部动态过程评价一致性需采用专门的设备，测试周期长，不利于实际生产，相对于动态内部动态过程评价而言，依据充放电特性曲线对电池进行一致性评价能够较全面地反映电池的综合性能[14]。文献[19]提出了一种基于多特征加权的锂离子电池组在线一致性评价方法。考虑了静态和动态特性，选取开路电压、欧姆内阻和极化内阻评价电池组的一致性。同时考虑到开路电压、欧姆内阻和极化内阻对电池组一致性影响不同，利用熵权法确定了权值，提高了一致性评价的可靠性。文献[20-21]对充放电电压进行了描述，使得对一致性的评价参数成为动态变量。但是需要大量电池和实验量。

3 改善不一致性的措施

电池组一致性问题受到多个因素相互影响，具有传递性和累积性，在构成电池组后差异仍会存在不能彻底消除。因此可以从电池的生产环节、电池的分选、电池均衡、动力电池热管理等方面改善电池组的不一致性。

3.1 电池的生产环节

生产过程中所使用的原材料和加工工艺同样会对电池的一致性产生不小的影响。通常通过对加工过程中设备精度加工精度的控制来尽量保证单体电池的初始一致性。通过改进制造工艺和控制生产设备精度来缩小不同单体间的差别，可以保证单体电池在出厂时的初始一致性。但是同时需要大量的资金与技术投入，由于生产设备精度的限制和加工工艺的差异，使得电池之间的这种不一致性始终存在。

文献[22-23]通过加权算术均值法综合专家权重和因素指标权重，得到影响电池一致性的关键工艺为极片辊压、真空干燥、注液压实密度、混料均匀性等，对工程实践具有指导意义。文献[24-25]分析了电池制造工艺参数对电动车用锂离子电池一致性的影响。在此基础上，文献[26]结合企业实际情况对锂离子电池设计和生产制造时需要注意的问题进行了总结。文献[27]利用改进电芯工艺和电池组的分选组配工艺、增加电解液的锂盐浓度的方法，有效提升了电池组的一致性。文献[28-30]通过改进原材料来改善电池的性能和一致性。生產线减少人为因素的干扰，实现自动化也可以提高电池的一致性[31]。

3.2 电池的分选

电池分选的目的是减小电池单体的初始差异，尽可能降低电池的初始不一致性。电池分选方法主要包括单参数、多参数、动态特性以及电化学阻抗谱分选法、模型分选法以及多种分选法相结合的分选方法[32]。

单参数分选法指选取电池的欧姆内阻、极化内阻、充电截止电压、容量等的某一个参数对电池进行一致性分选，将某一种参数相同或相近的电池作为一个类型，进而提高电池的一致性。多参数分选法指选取两种及两种以上代表性参数组合进行分选。动态特性分选法指选取电池充放电过程中的开路电压、容量等参数作为分选变量，对电池进行分选的一种方法。模型分选法指通过建立电池内部参数的等效电路模型，通过该模型可以进一步确定电池的参数，并且对该模型下电池参数进行测试确定电池性能，以此来对电池的一致性进行评价。电池等效电路模型常用的参数有极化内阻、极化电容、开路电压、欧姆内阻等[33]。表1对各种分选方法进行了统计和对比。

电池的分选只能选择出电池成组使用前相对“一致”的电池单体，成组后的不一致性较多取决于成组后单体的工作环境和数量，因此，只通过分选是不够的。

3.3 电池均衡

电池均衡主要是为了减小各电池单体间的能量差异，进而提高电池组的一致性。缓解电池单体SOC不一致给电池带来的消极影响，将电池运行过程中微弱的不一致及时调整。电池均衡技术分为均衡拓扑和均衡策略[46]。其中均衡拓扑主要是有能量消耗散的被动均衡和无能量消耗的主动均衡[47]。均衡策略利用算法对电路进行控制，均衡拓扑利用元件连接形成电流通路。由于均衡策略算法复杂、难度较大，大都处于仿真阶段。而对均衡拓扑的研究比较成熟，很多学者已经对基本均衡拓扑进行了相关整理和综述[48-49]，其中，文献[48]总结了串联锂离子电池组均衡拓扑结均衡电路从拓扑原型改进和发展的过程，分别概括了基本均衡拓扑结构的工作原理及特点，阐述了不同工况下均衡拓扑结构的选择和改进的方法。文献[49]总结了电池均衡的方法及电池均衡方案的分类，重点阐述了电池SOC精确估算的方法。

3.3.1 主动均衡

主动均衡主要通过电感（电容）和变压器等元件转移单体电池间的能量来实现电池均衡。主动均衡方法的拓扑比较多样，主要有电感均衡、电容均衡、并联均衡、变压器式均衡等[50]。优缺点如表2所示。

目前主要的研究内容之一就是对现有的拓扑结构进行优化和改进。文献[51]设计了一种基于双向反激变换器的锂电池组均衡系统，该系统包括均衡电路和控制策略电路和控制策略。均衡效果较好，均衡速度快。文献[52]设计了双向DC/DC变换器均衡电路，采用主元分析法、蚁群算法、动态神经网络、无迹卡尔曼滤波联合算法估算SOC。实验和仿真结果表明，该均衡方案误差小、稳定性好、效率高，同时避免了传统 DC/DC 变换器能量传递的局限性。文献[53]提出了基于耦合绕组的锂电池组主动均衡方案，通过对耦合绕组的选择性充放电来实现单体间能量转移，采用电压和SOC双变量的均衡控制策略。该方案兼顾了均衡效率、均衡速度、成本问题。针对电池组均衡管理系统均衡时间长的问题。文献[54]提出了自由成组的分层均衡技术，结果表明该均衡电路可以明显缩短均衡时间。文献[55]提出了一种基于LC-L的串联电池组主动均衡拓扑，均衡能量能够在任意单体间转移，具有结构简单、均衡电流控制简单和易扩展的优点。文献[56]提出了基于正激变换器的双向DC/DC变换器及开关阵列的主动均衡电路拓扑和基于聚类分析的SOC均衡控制策略，在保证均衡快速性的情况下，可以提升电池组可用容量。

3.3.2 被动均衡

被动均衡是通过旁路电阻等将能量较高电池中的多余能量以热能形式耗散。被动均衡中的电阻均衡法由于电路拓扑结构简单而受到了广泛的应用。电阻均衡法主要是通过设定均衡阈值，当达到条件时，开关便会闭合，将电池组中能量较高的单体电池与均衡电阻连接，形成回路，通过电阻发热消耗多余的能量来完成电池均衡。图3为典型的被动均衡方法。

被动平衡的电路十分简单，成本低，但是会造成相当一部分能量的浪费，效率也较为低下。并且单纯的使用被动均衡无法满足电池系统稳定性和安全性的要求[57-58]。文献[59]利用CAN网络结合多种均衡方式，实现了多模组同时快速均衡，结果表明该系统可以有效改善电池组的不一致性，还可以调节电池模组间的电量，使整个电池包具有更好的一致性。文献[60]提出主动均衡与被动混合的均衡拓扑和基于模糊控制的多种变量融合的均衡策略。具有均衡的高效性、可行性和扩展性等特点。

3.4 动力电池热管理

电池热管理是为了降低电池温度对电池单体间一致性造成的影响，进而提高电池的使用寿命。单体电池的产热量和散热量的不同，环境温度的不均匀都会导致电池不一致性的产生。在现实应用中，这种温度差异性的逐渐累积会加剧不一致性。因此合理有效的热管理系统显得尤为重要。由于单体电池的产热难以管控，所以目前很多学者大都选择对电池的散热进行研究，主要有空气冷却、液体冷却、相变材料（PCM）冷却、热管冷却以及多种方式组合冷却的方式[61]。

空气冷却指利用空气和电池模组间的热对流或利用风扇、气泵强制空气对流来降低电池温度，是最早出现的一种冷却方式。液体冷却是通过将电池浸在液体中或在电池之间插入微通道、冷板来降低电池温度。相变材料在相变时会释放或吸收大量的热，并且温度不会发生太大的改变。这种相变过程的等温性，有利于使温度变换维持在一定的较小的范围内。热管冷却是利用液体循环带走热端的热量，进而降低电池组温度。

相变材料冷却广泛应用于车用锂离子电池中，通过相变材料冷却与其他冷却方式相结合的方式，可以提高电池散热效率。表3对比了各种冷却方式的优缺点，可为电池散热方式的选择提供一定的参考。

电池组的热管理一方面是指对单体电池组合方式和电池包结构进行优化，另一方面是指设计出性能良好的电池组热管理系统[73]。关于电池热管理系统设计方法的文献较多，图4是最有代表性的一种。

4 结语

（1）电池不一致性的受众多因素影响，不同因素相互耦合， 导致电池组内各单体电池衰减不同，影响整个电池组的性能，尤其是电池组的循环使用寿命会因此降低。

（2）一致性评价方法的关键在于选取能充分反应电池综合性能的指标作为一致性评价的参数，使得所得的评价不仅能反应电池的参数一致性，也能反应电池的动态一致性。

（3）改善一致性措施的方法中生产环节可以在产品设计前就考虑设计参数对产品一致性的影响，在制造过程中提高制造自动化水平，减少人为的干扰因素，增加同批次电池的一致性;各种分选方法都存在精确度不足、适用性差等问题，多参数、动态特性模型分选法是目前研究的趋势;电池均衡拓扑的研究可考虑多种均衡方法互相组合，改善单一均衡的缺陷，实现兼具多种均衡方法优点的复合型均衡拓扑。

基金项目：中央引导地方科技发展专项“动力电池系统测试与标准化创新平台”（编号：2018ZYYD029）;湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（T201815）。

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