动力电池不一致性成因

一路上

动力电池包，之所以需要管理系统（电气管理系统和热管理系统），一个重要原因就是应对电芯和模组的不一致性。试想，如果每颗电芯出厂时都完全一致（容量，电压，内阻，自放电……），并且在使用过程中也像瑞士钟表般，彼此之间分毫不差，那么，我们就不必把管理系统搞得这么复杂了。至少，单体电压不用测量了，均衡功能不用做了，温度传感器，整个电池包有一个就行了。

然而现实是，每只电芯从出生开始就是不同的。使用过程中它们还会变得更加不同。本文讨论的主题就是动力电池单体及其模组的不一致性的成因。

1 电芯单体的不一致性成因

锂电池单体，主要的结构包括正极，正极集流体，负极，负极集流体，隔膜和电解液。性能表现的不一致，根源最终都可以挖掘到这些组成部件上来。

1.1 制造过程

第一个原因，基础工业水平决定的材料精度纯度的不稳定性，带来了最终产品性能的不一致。使用不同批次的正极、负极和电解液，生产的电芯单体，一般是不能混用的。即使分选过程中的的参数非常一致，但分选手段基本都不能体现未来使用一段时间以后，电芯的状态，因而当前的处理方式就是避免混合使用。

另一个原因是电芯生产过程中的工艺一致性问题。电芯生产工艺比较复杂，大致过程如下。

整个过程中，每一步工序的一致性都非常重要，但最难保障一致性的是涂布工艺过程，涂层厚度和均匀性以及材料活性都不是机械手段易于严密把控的，是造成单体差异的主要工序。制造工序中产生的差异，只能在分选工序中尽力弥补。

1.2 使用过程

循环使用过程

• 单体在整个电池包中的位置不尽相同，被包裹在模组中心的单体与身处模组最外层的单体，散热条件差异巨大；
• 与模组集流铜排的相对位置也不可能带来单体热环境的不一致性。铜排是热的良导体，散热能力高于电芯单体。电芯相对于集流铜排的位置不同就会造成彼此间散热条件的不同。
• 有研究表明，工作过程中，温度的不一致会对电芯的不一致性产生最为显著的影响，使得电芯从不一致走向更大的不一致。
• 不同的热环境叠加在一起，导致单体的工作温度条件存在差异。高温工作造成借宿劣化，劣化后的内阻上升，又会返回来提高电芯温升。热环境的不同，是这个负反馈的开端。
  

静置过程

• 使用过程中的静置，设想单体身处一辆电动汽车中。停车状态，车上的所有电力全部断掉，包括电池包的热管理系统（如果电池包本来具备热管理系统的话），电池包处于自然温度场中。产生影响的，还是电芯的相对位置，造成热环境不同。
• 每颗电芯与电池包壳体距离不同，受到外界温度变化的影响程度就会存在差异。在达到热平衡之前，不同电芯的温度条件都是不同的。
• 工作过的公司曾经有这样一个要求，如果电芯经历长途运输到达另一个组装地点，一般要求25℃环境，静置24小时以后，再进行收货检验，目的是为了使得电芯达到热均衡和内部电化学状态的稳定。
• 静置过程中，不同的荷电状态，电芯性能参数的变化趋势也存在区别，比如自放电。
  

2 模组不一致性成因

2.1 制造过程

首先，电芯的不一致性必然会传导到模组上。电芯分选的重要性会第一次在成型后的模组上体现出来。

其次，电芯单体经过焊接、夹持，串并联，连接在一起，形成模组。加工过程中的工艺不一致，必然会导致模组与模组之间的不一致。最直观的表征就是模组的内阻。

焊接工艺的不一致，极容易造成焊接电阻的差异。电芯内阻的数量级是几或者十几毫欧，焊接产生电阻的轻微不一致，对锂电池模组来说，都不是小问题。

再次，模组内部、模组之间的连接铜排或者高压导线，其自身尺寸、连接方式和表面处理也会对模组的一致性造成影响，主要体现在模组内阻上。采用螺钉连接、压接还是焊接，除了考虑加工的工艺性，也不能不考虑连接阻值的影响。

2.2 模组使用过程

2.2.1 制造过程中造成的内阻不一致，到达模组应用的环境，会体现在发热量的不一致和电芯端电压采集结果的影响不一致上。

阻值不均匀造成发热不均匀，不再赘述。本节表述一下对电压采集的影响。电池管理系统采集每一节电池的端电压，这里的一节可以是若干只单体电芯并联组成。

用一个我实际应用到的例子类比一下。电压采集方式是把电压测量回路的两个采样点焊接或者用螺钉连接到电芯的两端，如果遇到模组与模组之间过长的导线连接，则需要在导线的两端都连接电压采集点（在课本上，我们本来认为，导线上的任何一个点，电位相同，实际中并非如此）导线长度对电压采集结果会造成影响，可想而知，一个焊点或者螺钉连接效果的不一致，必然会带来电压采集结果的不一致。

理论上的原因大体是这样的。动态的电芯端电压采集过程，电芯可以简化成一只理论电压源和一个电阻串联的电学模型。当回路中有工作电流流动，管理系统测量到的电压，并非等于电池的开路电压。放电过程，测量值是电压源电势与内阻端电压的差；充电过程，测量值是电压源电势与内阻端电压的和。

2.2.2 电池包不同的装备位置，使得环境温度对内部模组一致性影响不同。有的把电池包安置在车辆后备箱处，距离地面比较远；有的安置在底盘下，是车辆位置最低的部件，距离地面非常近；有的混动车辆，电池包位置距离发动机很近。距离外部环境，距离热源条件不同，都会带来电池包内不同位置模组温度条件的差异。

2.2.3 不同的连接方式，在使用中，对模组一致性的影响也是不同的。焊接的连接点，如果表面处理没有做好，出现了氧化腐蚀，其电阻自然会增大。而没有锈蚀的焊点，电阻会与锈蚀的焊点不同，焊点内阻与电芯内阻的相对影响也发生了变化。

如果采用螺钉连接，一般要求选择防松螺钉。在高速运动的电动汽车上，各种频率的震动都会产生，负责电连接的螺钉松脱，轻则造成内阻变化，重则造成系统报警甚至断电。

参考：
锂动力电池动态一致性评价方法的研究
车用锂离子动力电池组的一致性研究