技术 | 了解锂电池不一致的危险及其解决方法

电池单元性能的不一致性在生产过程中逐渐形成，并随着使用而加剧。在同一电池组中，性能较弱的单元会变得更弱，其性能会加速下降。随着电池老化，各个单元之间的参数差异也会增大。

动力锂电池已稳固确立了其作为电动汽车主要动力来源的地位。它们使用寿命长、能量密度高，并且具有巨大的改进潜力。安全性还有待提升，能量密度也有望持续提升。在可预见的未来（据传约为2020年），它们的续航里程和成本效益将与燃油汽车相媲美，从而开启电动汽车成熟的第一阶段。然而，锂电池也面临着挑战。

为什么锂电池大多体积较小？

我们常见的锂电池，无论是圆柱形、软包形还是方形，外观通常都很优雅，不像传统的铅酸电池那样笨重。这是为什么呢？

锂电池由于能量密度较高，因此通常不会设计大容量。 铅酸电池 能量密度约为 40 Wh/kg，而 锂电池 超过150Wh/kg。随着能量集中度的提高，安全要求也随之提高。

首先，单个锂电池的能量容量过高，一旦发生事故，可能会引发热失控。电池内部的这种快速反应会迅速耗散过多的能量，造成危险情况。尤其是在安全技术和控制能力尚未成熟的情况下，每个电池的容量应该受到限制。

其次，一旦发生事故，锂电池外壳内的能量无法被消防员和灭火器获取。消防员无法到达现场，也无法灭火。他们只能隔离现场，让电池自行反应，直到能量耗尽。

当然，为了安全起见，现在的锂电池在设计上都加入了多重安全措施，以圆柱形电池为例。

安全阀：当电池内部反应超出正常范围时，温度升高，并产生副反应气体。当压力达到设计值时，安全阀自动开启，释放压力。安全阀开启的瞬间，电池彻底失效。

热敏电阻：部分电池单元配备热敏电阻。当发生过电流时，其电阻值在达到一定温度后会急剧增大，从而降低电路中的电流，防止温度进一步升高。保险丝：电池单元配备具有过电流熔断功能的保险丝。一旦发生过电流风险，电路就会断开，避免发生严重事故。

锂电池一致性问题

锂电池无法制成大型单元，因此必须将它们组织成众多小单元。这些小单元协同工作，也能推动电动汽车达到更高的性能。这带来了一个挑战：一致性。

日常生活中，把两节干电池的正负极接在一起，手电筒就能亮，正负极不一致又算得了什么呢？然而，锂电池的大规模应用，情况就复杂得多。

锂电池参数不一致主要指容量、内阻、开路电压不一致。使用不一致的电芯串联会导致以下问题：

1) 容量损失。电池形成 电池组 ，其容量遵循“木桶原理”：最弱电芯的容量决定了整个电池组的容量。

为了防止过充过放，电池管理系统的逻辑配置如下：放电时，当最低单体电池电压达到放电截止电压时，整组电池停止放电；充电时，当最高单体电池电压达到充电截止电压时，停止充电。

例如，假设有两节串联的电池。一节电池的容量为 1C，而另一节电池的容量仅为 0.9C。串联时，流过两节电池的电流相同。

在充电过程中，较小的电池必然会先充满电，达到充电截止条件，系统将停止充电。在放电过程中，较小的电池必然会先用尽其所有可用能量，系统将立即停止放电。

这样，较小的电池单元始终处于完全充电和放电状态，而较大的电池单元始终只使用其部分容量。电池组始终有一部分容量未被使用。

2) 寿命损失：同样，电池组的寿命取决于寿命最短的电芯。这个电芯很可能是较小的电芯。较小的电芯不断地充满电和放电，很可能会首先达到其寿命的终点，从而给电池组带来过大的负担。当这个电芯达到其寿命终点时，整个电池组的寿命也将终结。

3）内阻增大：在内阻不同、电流相同的情况下，内阻较大的电芯发热量更大。电池温度过高会加速电池性能的下降，进一步增大内阻。内阻和温升形成负反馈回路，加速高内阻电芯的性能下降。

上述三个参数并非完全独立。随着电池老化，内阻会更高，容量衰减也会更快。我分别解释一下，只是为了明确它们各自的影响。

如何解决不一致问题

电池单元性能的不一致性在生产过程中形成，并在使用过程中加剧。在同一电池组中，性能较弱的单元会持续较弱，并且衰减速度更快。随着电池老化，各个单元之间的参数差异会增大。

目前，工程师主要从三个角度解决单电芯不一致问题：单电芯分选、分组后热管理、以及电池提供的均衡功能。 电池管理系统 当出现轻微不一致时。

1）排序

理论上，不同批次的电池不应该一起使用。即使是同一批次的电池，也需要进行筛选，以便将参数相对相似的电池放入同一个电池组中。

分选的目的是选取参数相似的细胞。分选方法已经研究了很多年，主要分为两类：静态分选和动态分选。

静态分选是指根据开路电压、内阻和容量等特征参数对电池进行筛选。选择目标参数，引入统计算法，并设定筛选标准，最终将同一批次的电池分成几组。动态筛选则基于电池在充放电过程中表现出的特性。一些方法利用恒流和恒压充电，另一些方法利用脉冲充放电，还有一些方法比较电池自身充放电曲线之间的关系。

静动结合排序采用静态筛选进行初步分组，再进行动态筛选。这种方式分组数量更多，筛选准确率更高，但成本也会相应增加。

由此可见，规模化在动力锂电池生产中的重要性。大规模出货使制造商能够进行更细致的分拣，从而生产出性能更稳定的电池组。如果产量过低，组数过多，即使是一个批次也无法生产出一个电池组，即使是最好的方法也会失效。

2）热管理

为了解决内阻不同的电池单元产热不一致的问题，热管理系统可以调节整个电池组的温差，使其保持在一个较小的范围内。产热较多的电池单元仍然会经历更高的温升，但与其他电池单元的温差不会太大，从而降低电池性能的下降。3) 平衡

单个电池之间的不一致可能导致某些电池端电压持续高于其他电池端电压，从而首先达到控制阈值，从而降低系统整体容量。为了解决这个问题，电池管理系统 (BMS) 引入了平衡功能。

如果一个电池单元首先达到充电截止电压，而其余电池单元的电压明显滞后，BMS 就会激活充电平衡功能，要么插入电阻对高压电池单元进行部分放电，要么将能量传输到低压电池单元。这将消除充电截止条件，重新启动充电过程，并允许电池组继续充电。

电池不一致性仍然是业内研究的重点领域。即使是能量密度最高的电池，其性能也会因不一致性而受到严重影响，从而显著降低电池组的性能。