锂电池平衡板 锂电池不均衡的原因与最实用的配组方法，我全告诉你

锂电池不均衡的原因与最实用的配组方法，我全告诉你

锂电池组之所以需要保护板、BMS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。

单体电池之间的不一致性常常造成电池组在循环过程中出现容量衰减过快、寿命较短等问题。选择性能尽可能一致的电池用来成组，对锂离子电池在动力电池中的推广应用具有重要意义。

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。

1 不一致性分析

1.1 不一致性的定义

锂离子电池组的不一致性就是指同一规格型号的单体电池组成电池组后，其电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。

单体电池在制造出来后，初始性能本身存在一定差异。随着电池的使用，这些性能差异不断累积，同时由于各单体电池在电池组内的使用环境不完全相同，也导致了单体电池的不一致性逐步放大，从而加速电池性能衰减，并最终引发电池组过早失效。

1.2 不一致性的表现

锂离子电池不一致性主要表现在两个方面：电池单体性能参数(电池容量、内阻和自放电率等)的差异和电池荷电状态(SOC)的差异。

戴海峰等研究发现，电池单体之间容量的差异分布接近威尔分布，而内阻的离散程度较容量更为显著，且同批次电池的内阻一般满足正态分布的规律，自放电率也呈现近似正态分布。SOC表征着电池的荷电状态，是电池剩余容量与额定容量的比值，解竞等认为由于电池的不一致性，电池的容量衰减速率不同，导致电池间的最大可用容量存在差异。容量小的电池的SOC变化速率比容量大的电池快，充放电时更快达到截止电压。

得康16路5V10A锂电池检测分容均衡仪应用实例

2 单只电芯不一致性的成因

2.1 生产过程

锂离子电池出现不一致性问题的原因很多，主要是在制造过程和使用过程中产生的。制造过程的每个环节例如配料时浆料的均匀度、涂布时面密度及表面张力的控制等都会造成单体电池性能的差异。

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。

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。

有研究者研究了锂离子电池生产制造工艺对电池一致性的影响，重点研究了水性粘结剂体系的锂离子电池生产制片工艺对电池一致性的影响。在电池的使用过程中，谢皎等认为连接方式和结构件/器件、使用工况和环境都会给电池组一致性带来影响。因为每个连接点所消耗的能量不一致，每个元器件或结构件的性能以及老化速率等也都不一致，因此对电池的影响也不一致。另外，由于电池中每个单体电池所处位置不同，温度不同，性能衰减也不同，这些都会使单体电池的不一致得到放大。

2.2 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。

2.3 静置过程

车子不适用的情况下，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。

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。

3 模组不一致性成因

3.1 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，串并连，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。

3.2 模组使用过程

3.2.1 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，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。

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，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。

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。

3.2.2 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。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。

3.2.3 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。车子在行驶的过程中，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。

4 提高电池一致性的方法

4.1 生产过程的控制

生产过程的控制主要从原材料和生产工艺两方面进行。原材料方面尽量选取同一批次 的原材料，保证原材料颗粒大小、性能的一致性。生产工艺上要对整个生产过程进行严格的调控，例如保证浆料搅拌均匀、不长时间放置，控制涂布机的走速保证涂布的厚度、均匀度，极片外观检查、称重分档，控制注液量及化成、分容、储存条件等。

4.2 配组过程的控制

配组过程的控制主要是指对电池进行分选，电池组采用统一规格、型号的电池，并且要对电池的电压、容量、内阻等进行测定，保证电池初始性能的一致性。

4.3 使用和维护过程的控制

对电池进行实时监控。配组时对电池进行一致性筛选，可保证在电池组使用初期的一致性。在使用过程中对电池进行实时监控，可实时观察到使用过程中的一致性问题，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。必须找到二者之间的平衡点。也可以通过实时监控对极端参数电池进行及时调整或者更换，保证电池组的不一致性不会随时间而扩大。

引入均衡管理系统。采用适当的均衡策略和均衡电路对电池进行智能管理。目前常见的均衡策略包括基于外电压的均衡策略、基于SOC的均衡策略和基于容量的均衡策略。而均衡电路按能量消耗方式可以分为被动均衡和主动均衡。其中主动均衡能够 实现电池间的无损能量流动，是国内外研究的热点。主动均衡中常用的方法有电池旁路法、开关电容法、开关电感法、DC/DC变换法等。

对电池进行热管理。对电池进行热管理除了尽量将电池组的工作温度保持在最优的范 围之内，还要尽量保证电池之间温度条件的一致，从而有效的保证各电池之间的性能一致性。采用合理的控制策略。在输出功率允许的情况下，尽量减小电池放电深度，同时，避免电池的过充电，可延长电池组的循环寿命。加强对电池组的维护。间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电，还要注意清洁。

5 动力锂离子电池配组方法

5.1 电压配组法

电压配组法可分为静态电压配组法和动态电压配组法。静态电压配组法又叫做空载配组法，不带负载，只考虑电池本身，测量被筛选单体电池在静置数十天后满电荷状态贮存的自放电率以及满电荷状态下不同贮存期内电池的开路电压，此方法操作最简单，但不准确。动态电压配组法考察带负载时的电压情况，但没有考虑到负载变化等因素，因此也不准确 。

5.2 静态容量配组法

在设定的条件下对电池进行充放电，由放电电流和放电时间来计算容量，按容量大小对电池进行配组。这种方法简便易行，但它只能反映电池在特定条件容量相同，不能说明电池的完整工作特性，有一定的局限性，但也是最直接有效的方法。

5.3 内阻配组法

主要考虑单体电池的内阻，这种方法能够实现快速测量，但是因为电池的内阻会随放电过程的进行而改变，要进行内阻的准确测定有一定的难度。

5.4 多参数配组法

同时考虑容量、内阻、电压、自放电率等多个外部条件对电池综合评定，可以分选出一致性较好的电池组。但这种方法的前提是单参数分选时要准确，同时耗时过长。

5.5 动态特性配组法

动态特性配组法是利用电池的充放电特性曲线来分选电池进行配组。充放电曲线能够体现电池的大部分特性，利用动态特性配组法能够保证电池各种性能指标的一致性。动态特性配组法数据多，通常采用计算机程序配合实现。此外，这种方法电池的配组利用率降低，不利于电池组成本的降低。标准曲线或基准曲线的确定也是其实施过程中的难点。

6 结论

(1)引起电池不一致性的原因主要在电池的制造和使用两方面。

(2)提高电池一致性的措施主要有以下三方面：从原材料和生产工艺两方面对生产过程进行的严格控制；采用更科学的分选办法，尽可能选择初始性能一致的电池进行配组；在电池使用和维护过程中，对电池进行实时监控，引入均衡管理系统，采用合理的控制策略，对电池进行热管理，同时还要加强对电池组的维护。

(3) 电池配组时，单参数配组法由于考虑的因素太少，不具有实际应用价值。多参数配组法和动态特性配组法相对较全面，另外电化学抗谱法等方法也取得了一定进展。

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二合一 主动均衡+被动均衡锂电均衡模块

二合一均衡模块，4串磷酸铁锂主动+被动均衡模块。1A主动均衡。200mA被动均衡模块。

实时主动均衡 呵护每一个电芯

充电被动均衡

相邻电芯间可以持续1A均衡电流，只要相邻电芯压差足够大，持续1A均衡电流。

特别适合大容量，一致性不是很好的电芯组装的电池组。

主动均衡模块：1A主动均衡电流，相邻电芯压差大于0.1V开始均衡，压差低于0.01V自动停止均衡，相邻电芯压差越大均衡电流越大，实现电量高的电芯向电量低的电芯转移保持电池组电芯电量平衡一致，充分发挥电芯容量，充分优化电池组的续航能力。

被动均衡模块：3.6V启动，200mA

接线方法和操作顺序

第一步、先不要插上排线。把排线与电池组连接的一端按次序与电池总负极和电芯的对应正极连接好，排线次序绝对不能搞错，不然接上就会烧坏保护板。

第二步、检查排线顺序是否正确，用万用表依次测量排线的插头各接线的电压，电压应该依次升高一个电芯的电压。

第三步、插上排线。

低电流消耗:

工作时 25 μA (典型值)

休眠时 10 μA (典型值)

尺寸：宽度3厘米，长度9厘米

排线长度：20厘米/30厘米

关于主动均衡：是把电池组中电量足电压高的电芯中的电量转移到电压低电量低的电芯，保持串联电池组间的电芯电压一致，达到电量平衡，保持电池组充分的充放电，延长续航时间和延长电池寿命。

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