锂电池平衡差锂电池不均衡的原因与最实用的配组方法，我全告诉你|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

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。

得康锂电池容量检测分容均衡仪，独立主板不共地设计，电池组可在不拆包情况下隔离测试；16路5V10A，8路5V20A 两种型号机器可供选择，满足各种容量电池检测需求。操作简单轻松上手，行业性价比高、五星级技术指导、终生售后服务，共享锂电技术交流平台。得康科技----吴栋

冬天为什么锂电池容量会变低终于有人能讲明白了

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锂离子电池自从进入市场以来，以其寿命长、比容量大、无记忆效应等优点，获得了广泛的应用。锂离子电池低温使用存在容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等问题。然而，随着应用领域不断拓展，锂离子电池的低温性能低劣带来的制约愈加明显。

据报道，在-20℃时锂离子电池放电容量只有室温时的31.5%左右。传统锂离子电池工作温度在-20~+55℃之间。但是在航空航天、军工、电动车等领域，要求电池能在-40℃正常工作。因此，改善锂离子电池低温性质具有重大意义。

制约锂离子电池低温性能的因素

低温环境下，电解液的黏度增大，甚至部分凝固，导致锂离子电池的导电率下降。

低温环境下电解液与负极、隔膜之间的相容性变差。

低温环境下锂离子电池的负极析出锂严重，并且析出的金属锂与电解液反应，其产物沉积导致固态电解质界面（SEI）厚度增加。

低温环境下锂离子电池在活性物质内部扩散系统降低，电荷转移阻抗（Rct）显著增大。

对于影响锂离子电池低温性能决定性因素的探讨

专家观点一： 电解液对锂离子电池低温性能的影响最大，电解液的成分及物化性能对电池低温性能有重要影响。电池低温下循环面临的问题是：电解液粘度会变大，离子传导速度变慢，造成外电路电子迁移速度不匹配，因此电池出现严重极化，充放电容量出现急剧降低。尤其当低温充电时，锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，导致电池失效。

电解液的低温性能与电解液自身电导率的大小关系密切，电导率大电解液的传输离子快，低温下可以发挥出更多的容量。电解液中的锂盐解离的越多，迁移数目就越多，电导率就越高。电导率高，离子传导速率越快，所受极化就越小，在低温下电池的性能表现越好。因此较高的电导率是实现锂离子蓄电池良好低温性能的必要条件。

电解液的电导率与电解液的组成成分有关，减小溶剂的粘度是提高电解液电导率的途径之一。溶剂低温下溶剂良好的流动性是离子运输的保障，而低温下电解液在负极所形成的固体电解质膜也是影响锂离子传导的关键，且RSEI为锂离子电池在低温环境下的主要阻抗。

专家观点二： 限制锂离子电池低温性能的主要因素是低温下急剧增加的Li+扩散阻抗，而并非SEI膜。

锂离子电池正极材料的低温特性

1、层状结构正极材料的低温特性

层状结构，既拥有一维锂离子扩散通道所不可比拟的倍率性能，又拥有三维通道的结构稳定性，是最早商用的锂离子电池正极材料。其代表性物质有LiCoO2、Li(Co1-xNix)O2和Li(Ni,Co,Mn)O2等。

谢晓华等以LiCoO2/MCMB为研究对象，测试了其低温充放电特性。

结果显示，随着温度的降低，其放电平台由3.762V(0℃)下降到3.207V(–30℃)；其电池总容量也由78.98mA·h(0℃)锐减到68.55mA·h(–30℃)。

2、尖晶石结构正极材料的低温特性

尖晶石结构LiMn2O4正极材料，由于不含Co元素，故而具有成本低、无毒性的优势。

然而，Mn价态多变和Mn3+的Jahn-Teller效应，导致该组分存在着结构不稳定和可逆性差等问题。

彭正顺等指出，不同制备方法对LiMn2O4正极材料的电化学性能影响较大，以Rct为例：高温固相法合成的LiMn2O4的Rct明显高于溶胶凝胶法合成的，且这一现象在锂离子扩散系数上也有所体现。究其原因，主要是由于不同合成方法对产物结晶度和形貌影响较大。

3、磷酸盐体系正极材料的低温特性

LiFePO4因绝佳的体积稳定性和安全性，和三元材料一起，成为目前动力电池正极材料的主体。磷酸铁锂低温性能差主要是因为其材料本身为绝缘体，电子导电率低，锂离子扩散性差，低温下导电性差，使得电池内阻增加，所受极化影响大，电池充放电受阻，因此低温性能不理想。

谷亦杰等在研究低温下LiFePO4的充放电行为时发现，其库伦效率从55℃的100%分别下降到0℃时的96%和–20℃时的64%；放电电压从55℃时的3.11V递减到–20℃时的2.62V。

Xing等利用纳米碳对LiFePO4进行改性，发现，添加纳米碳导电剂后，LiFePO4的电化学性能对温度的敏感性降低，低温性能得到改善；改性后LiFePO4的放电电压从25℃时的3.40V下降到–25℃时的3.09V，降低幅度仅为9.12%；且其在–25℃时电池效率为57.3%，高于不含纳米碳导电剂的53.4%。

近来，LiMnPO4引起了人们浓厚的兴趣。研究发现，LiMnPO4具有高电位(4.1V)、无污染、价格低、比容量大(170mAh/g)等优点。然而，由于LiMnPO4比LiFePO4更低的离子电导率，故在实际中常常利用Fe部分取代Mn形成LiMn0.8Fe0.2PO4固溶体。

锂离子电池负极材料的低温特性

相对于正极材料而言，锂离子电池负极材料的低温恶化现象更为严重，主要有以下 3 个原因：

低温大倍率充放电时电池极化严重，负极表面金属锂大量沉积，且金属锂与电解液的反应产物一般不具有导电性；

从热力学角度，电解液中含有大量 C–O、C–N 等极性基团，能与负极材料反应，所形成的 SEI 膜更易受低温影响；

碳负极在低温下嵌锂困难，存在充放电不对称性。

低温电解液的研究

电解液在锂离子电池中承担着传递 Li+ 的作用，其离子电导率和 SEI 成膜性能对电池低温性能影响显著。判断低温用电解液优劣，有3个主要指标：离子电导率、电化学窗口和电极反应活性。而这3个指标的水平，在很大程度上取决于其组成材料：溶剂、电解质(锂盐)、添加剂。因此，电解液的各部分低温性能的研究，对理解和改善电池的低温性能，具有重要的意义。

EC 基电解液低温特性相比链状碳酸酯而言，环状碳酸酯结构紧密、作用力大，具有较高的熔点和黏度。但是、环状结构带来的大的极性，使其往往具有很大的介电常数。EC 溶剂的大介电常数、高离子导电率、绝佳成膜性能，有效防止溶剂分子共插入，使其具有不可或缺的地位，所以，常用低温电解液体系大都以 EC 为基，再混合低熔点的小分子溶剂。

锂盐是电解液的重要组成。锂盐在电解液中不仅能够提高溶液的离子电导率，还能降低 Li+ 在溶液中的扩散距离。一般而言，溶液中的Li+浓度越大，其离子电导率也越大。但电解液中的锂离子浓度与锂盐的浓度并非呈线性相关，而是呈抛物线状。这是因为，溶剂中锂离子浓度取决于锂盐在溶剂中的离解作用和缔合作用的强弱。

低温电解液的研究

除电池组成本身外，在实际操作中的工艺因素，也会对电池性能产生很大影响。

(1) 制备工艺。 Yaqub 等研究了电极荷载及涂覆厚度对 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 /Graphite 电池低温性能的影响发现，就容量保持率而言，电极荷载越小，涂覆层越薄，其低温性能越好。(2) 充放电状态。 Petzl 等研究了低温充放电状态对电池循环寿命的影响，发现，放电深度较大时，会引起较大的容量损失，且降低循环寿命。(3) 其它因素。 电极的表面积、孔径、电极密度、电极与电解液的润湿性及隔膜等，均影响着锂离子电池的低温性能。另外，材料和工艺的缺陷对电池低温性能的影响也不容忽视。

总结

为保证锂离子电池的低温性能，需要做好以下几点：

(1) 形成薄而致密的 SEI 膜； (2) 保证 Li+ 在活性物质中具有较大的扩散系数； (3) 电解液在低温下具有高的离子电导率。

此外，研究中还可另辟蹊径，将目光投向另一类锂离子电池——全固态锂离子电池。相较常规的锂离子电池而言，全固态锂离子电池，尤其是全固态薄膜锂离子电池，有望彻底解决电池在低温下使用的容量衰减问题和循环安全问题。

本文由锂博士整理摘录于《锂离子电池低温特性研究进展》一文，原作者：赵世玺、郭双涛等。

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