摘要：鋰離子電池因其綜合性能優(yōu)良，近年來在移動(dòng)儲(chǔ)能和固定儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。當(dāng)多個(gè)單體電池通過串并聯(lián)組成電池模組時(shí)，不僅電池組的能量低于電池單體的加和，電池組的壽命也明顯低于單體電池的水平。除了電池運(yùn)行環(huán)境不均勻（例如溫度場(chǎng)）外，電池組內(nèi)部電池單體之間微小的不一致性也是造成電池組性能快速衰減的主要原因。依據(jù)電池組的結(jié)構(gòu)建立電池一致性的篩選方法和要求，是目前鋰離子電池模組研究中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文回顧了近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)鋰離子電池一致性篩選方法的研究進(jìn)展，對(duì)鋰離子電池一致性的內(nèi)涵進(jìn)行了剖析，并重點(diǎn)對(duì)串聯(lián)篩選方法進(jìn)行了評(píng)述。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；電池模組；一致性；篩選方法；串聯(lián)篩選

鋰離子電池作為新能源汽車、固定儲(chǔ)能裝置以及便攜式電子設(shè)備的能量載體，其生產(chǎn)于應(yīng)用近年來發(fā)展非常迅速。受電池工作原理和制造技術(shù)水平所限，鋰離子電池單體的電壓和容量無法直接滿足大型移動(dòng)儲(chǔ)能和固定儲(chǔ)能裝置的需要，需要很多單體通過一定的串、并聯(lián)連接組成模組，甚至再由多個(gè)模組進(jìn)一步串、并聯(lián)連接組成電堆后方可滿足一定的電壓、電流和總能量應(yīng)用要求。

單體電池在組成模組的過程中，模組的性能指標(biāo)不是由某一個(gè)電池單體或者由所有單體電池的平均性能直接決定^[1]，而是由在各個(gè)參數(shù)方面表現(xiàn)最差的多個(gè)電池共同決定。實(shí)踐中，模組比單體的性能衰減速度明顯加快，通常模組的壽命只能達(dá)到單體壽命的40-70%。因此提高模組內(nèi)鋰離子電池一致性，確保電池模組中各個(gè)單體電池的多參數(shù)的盡可能接近或一致，對(duì)于提高成組鋰離子電池的使用效率、提高模組電性能及壽命，具有十分重要的意義^[2,3,40]。

1.鋰離子電池一致性的概念和定義

“一致性”是一個(gè)廣義的概念，不同領(lǐng)域的“一致性”概念有所不同^[5]：在植物學(xué)領(lǐng)域，植物學(xué)一致性是指植物新品種經(jīng)過繁殖，除可以預(yù)見的變異外，其相關(guān)的特征或者特性一致。數(shù)學(xué)中的一致性檢驗(yàn)指的是在層次分析中的成對(duì)比矩陣的一致性。在流行病學(xué)中，一致性可分為粗一致性（crudeagreement）和調(diào)整一致性（adjustedagreement），粗一致性和調(diào)整一致性說明篩檢試驗(yàn)陽性與陰性結(jié)果均正確的百分比。它表示篩檢試驗(yàn)的真實(shí)性。在控制領(lǐng)域，多智能體系統(tǒng)的一致性指的是隨著時(shí)間的推移，智能體的狀態(tài)趨于相同的情況。

在牛津字典中對(duì)一致性（consistency）的解釋有兩條^[6]：

1）the quality of always behaving in the same way or having the same opinions, standard, etc.，直接翻譯為“產(chǎn)品質(zhì)量總是具有同樣的表現(xiàn)方式或有相同的評(píng)價(jià)、相同的標(biāo)準(zhǔn)等等”；

2）a harmonious uniformity or agreement among things or parts，直接翻譯為“事物或部件之間的和諧一致或統(tǒng)一”。百度百科的定義為^[5]：一致性是指事物的基本特征或特性相同，其他特性或特征相類似，從認(rèn)知的角度說的話，一致性必須經(jīng)過許多的比較和鑒別才能體現(xiàn)出來。

從上述概念和解釋來看，“一致性”研究具有以下特征：1）研究體系為多個(gè)獨(dú)立的單體；2）不同于完全等同，只要求各個(gè)單體在研究所關(guān)心的內(nèi)容方面等同；3）研究的內(nèi)容可以是靜止的狀態(tài)參數(shù)，也可以是動(dòng)態(tài)的規(guī)律；4）研究?jī)?nèi)容必須進(jìn)行定量描述；5）關(guān)注個(gè)體之間的差異，而非個(gè)體參數(shù)的具體大小。

而通常，研究?jī)?nèi)容是服務(wù)于研究目標(biāo)的，所以目標(biāo)需求出發(fā)，研究與目標(biāo)關(guān)聯(lián)的特征或特性相同與否的判定方法、相同度定量評(píng)價(jià)以及以達(dá)到設(shè)定相同度為目的篩選方法，是一致性研究的內(nèi)涵和研究?jī)?nèi)容。具體到鋰離子電池的一致性研究，即以兼顧模組壽命和電性能為目的，研究與此相關(guān)的對(duì)電池單體的熱、電、力、安全等特性相同程度的要求，以及達(dá)到該要求時(shí)遴選單體電池所采用的方法和評(píng)判依據(jù)。

2.電池單體一致性對(duì)電池模組的影響

鋰離子電池單體的不一致性在生產(chǎn)制造過程中是無可避免的，基于生產(chǎn)制造工藝改善而提高一致性的方法在此不做討論[7]。目前提高鋰離子電池的一致性的方法主要是篩選，即基于對(duì)大批量生產(chǎn)的鋰離子電池的性能進(jìn)行評(píng)估，將性能較為接近的單體篩選出來用于成組，從而提高單體電池及模組的使用效率^[8]。

不一致的電池單體在并聯(lián)電路中的表現(xiàn)如圖1所示。圖1a是三只磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的并聯(lián)實(shí)驗(yàn)裝置^[9]，該裝置可以測(cè)量電池并聯(lián)系統(tǒng)中各單體電池的電流變化。這是一個(gè)比較巧妙的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵陔娐窚y(cè)量中，電流是不太容易測(cè)量準(zhǔn)確的，而電壓就容易測(cè)量很多，把電流測(cè)量通過電阻的轉(zhuǎn)換，變成電壓測(cè)量，再折算成為電流，是一種較好的并聯(lián)電池系統(tǒng)中，測(cè)量單體電池流過的電流的一種有效的方法。

圖1?三只電池并聯(lián)下1C放電過程的實(shí)驗(yàn)電路示意圖(a)及^]每只電池的放電電流變化曲線(b)?^[9]

圖1b為并聯(lián)電池組測(cè)得的各支路電流的變化曲線^[9]?？梢钥闯?，在SOC前80%中各支路電流相對(duì)平穩(wěn)，但電流值差別較大；在SOC的后20%，各單體電池支路電流出現(xiàn)了急劇變化，其中2號(hào)電池電流急劇上升，1號(hào)電池電流急劇下降，而3號(hào)電池的電流則是先緩慢上升再下降，在電池組放電接近尾聲時(shí)，1號(hào)電池的電流高達(dá)87A，而2號(hào)電池的電流才38A，兩者相差一倍以上。上述電流的巨大差異，會(huì)引起電池的內(nèi)部溫度差異，進(jìn)而導(dǎo)致電池的容量、內(nèi)阻等的差異被進(jìn)一步加劇，及模組內(nèi)單體的一致性惡化。

用于電池并聯(lián)時(shí)，所有單體電池的電壓都相同，不會(huì)出現(xiàn)電池的過充和過放，因此通常人們認(rèn)為單體電池的一致性對(duì)并聯(lián)電池組的影響不大。以上測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，可能是電池一致性篩選時(shí)所用的充放電倍率于應(yīng)用倍率之間有較大差異。

圖2?串聯(lián)電池組放電時(shí)單體電池電壓變化曲線^[23]

圖2是9只單體串聯(lián)電池組的放電測(cè)試結(jié)果^[10]。電池組放電至50%SOC時(shí)，單體電池電壓出現(xiàn)明顯差異，隨著放電的繼續(xù)進(jìn)行，單體電池間的電壓差距變得更加明顯，在其中一個(gè)單體電池達(dá)到保護(hù)電壓2.0 V時(shí)，有的單體電池電壓還只有2.9 V。這表明，電池組在充放電時(shí)，容量最小的單體電池的電壓最先達(dá)到保護(hù)電壓。如果電池組以每個(gè)單體的電壓作為判定充放電終點(diǎn)的依據(jù)，則電池容量的差異會(huì)導(dǎo)致“木桶的短板效應(yīng)”，模組的容量利用效率受限于容量最小的單體。如果以串聯(lián)模組的端電壓作為終止充放電的依據(jù)，則容量小的單體會(huì)被迫過充及過放。而過充和過放對(duì)電池容量、內(nèi)阻等的影響會(huì)導(dǎo)致該電池的性能更加偏離平均水平，并因此進(jìn)一步拉低模組的容量、倍率和壽命性能。

3.電池一致性評(píng)價(jià)或篩選方法研究概況

盡管鋰離子電池在日常生產(chǎn)和生活中已經(jīng)得到了較為廣泛地應(yīng)用，但是人們對(duì)鋰離子電池的認(rèn)知是伴隨著應(yīng)用要求的不斷提高而逐步深入的。鋰離子電池的成組應(yīng)用目前處于起步階段，在人們對(duì)于電池內(nèi)部化學(xué)及物理過程及其對(duì)電池外性能影響尚未完全清晰的情況下，研究電池的一致性顯得無從下手。因此，基于不同電池特性的一致性篩選方法“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”，而評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則缺乏科學(xué)依據(jù)。例如，“容量誤差小于0.5%”的一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)源于日常經(jīng)驗(yàn)，而該經(jīng)驗(yàn)值來源什么樣的電池模組、模組的性能如何卻并不清楚。因此，當(dāng)模組采用不同的電池單體數(shù)量、單體容量和串并聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)，這樣的單體一致性篩選或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不能保證適用。鑒于當(dāng)前不同廠家電池單體的設(shè)計(jì)及制造工藝水平差別較大、不同儲(chǔ)能電源的電堆和模組設(shè)計(jì)千差萬別，基于某一兩家企業(yè)對(duì)于電池單體一致性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)無法滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)儲(chǔ)能和固定儲(chǔ)能對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)安全性和可靠性的需求[2]?？茖W(xué)的一致性研究必須基于對(duì)電池單體的良好了解、對(duì)測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果的理解、以及對(duì)模組結(jié)構(gòu)與電池基本參數(shù)建立的定量關(guān)聯(lián)。

除了明確一致性研究需要將模組結(jié)構(gòu)與電池單體基礎(chǔ)參數(shù)、測(cè)試方法相關(guān)聯(lián)，我們還需明確基于模組需求的電池單體一致性其研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)是動(dòng)態(tài)過程，但是在研究思路上，我們被迫或者期望盡可能地用靜態(tài)參數(shù)進(jìn)行描述，以提高技術(shù)的可應(yīng)用性。

鋰離子電池的一致性分為多個(gè)方面和多個(gè)指標(biāo)。其中，電池單體的外觀尺寸、容量、內(nèi)阻等參數(shù)可以反映單體電池的靜態(tài)一致性；而單體在充放電過程中，電池的阻抗、反應(yīng)熱等參數(shù)及其隨循環(huán)的老化情況也能反映單體電池的動(dòng)態(tài)一致性[11]。當(dāng)電池單體組成模組后，單體串并聯(lián)方式的不同、每個(gè)單體電池所分得的電壓或電流的細(xì)微差異、電池單體和外電路接觸電阻的不同以及電池組熱管理導(dǎo)致的溫度環(huán)境的差異，都會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部的每個(gè)單體電池處于不一致的工況。因此，模組中的電池單體的一致性在使用中會(huì)逐漸變差。

首先，單體電池固有屬性的不同是導(dǎo)致鋰離子電池不一致性的根本原因。這包含電池單體內(nèi)部活性物質(zhì)的差異、各部分組分配比差異等由于電池制造水平?jīng)Q定的電池品質(zhì)的不同，這些不一致性在生產(chǎn)制造過程中僅僅可以縮小，不能夠完全消除。其次，由活性材料、電池設(shè)計(jì)和模組結(jié)構(gòu)決定的電池?zé)?、電、力等物理性質(zhì)積累及變化的差異^[12,13]，這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致的差異是引起電池動(dòng)態(tài)不一致性的主要原因。初始一致性在動(dòng)態(tài)工況條件下的惡化，通常被認(rèn)為是正常的老化范疇，可以通過仿真模擬、設(shè)計(jì)優(yōu)化等研究方法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化而得到極大的改善，雖然改善的同時(shí)也往往會(huì)顯著增加模組的成本。

由此可見，建立科學(xué)的一致性篩選方法來甄別不同電池之間的品質(zhì)差異，是提高電池模組的能量利用效率和安全性的基本保障^[3]。提高鋰離子電池一致性可以通過兩種方法。一是消除在生產(chǎn)制造過程中導(dǎo)致單體電池之間產(chǎn)生差異的因素^[14-16]。這一手段雖然可以在源頭上盡可能提高電池單體的一致性，但其追求品質(zhì)的過程會(huì)對(duì)生產(chǎn)技術(shù)提出苛刻要求并由此導(dǎo)致生產(chǎn)成本的不斷提高，甚至造成生產(chǎn)效率低下，因此為大規(guī)模生產(chǎn)帶來的效益非常有限。另一個(gè)提高一致性的方法便是在大批量電池中進(jìn)行篩選^[2,12,14]。通過測(cè)量單體電池的各種參數(shù)，應(yīng)用高通量、快速、高效、準(zhǔn)確的一致性篩選方法，可在組成模組的時(shí)選用一致性接近的電池配組，以達(dá)到提高一致性的目的。這種提高一致性的方法是將性質(zhì)較為接近的電池單體配組組成模組，而非追求每個(gè)單體電池性質(zhì)的極致相同，因此該方法可以最大限度地利用到所有生產(chǎn)出來的電池單體，兼顧成本和效率，且可以經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用中大規(guī)模推廣，是較為適用的方法。

電池一致性篩選方法多種多樣，且根據(jù)不同的條件，有著不同的分類，若按照篩選參數(shù)的個(gè)數(shù)來分類，可分為單要素篩選法和多要素篩選法^[17]；若按照篩選參數(shù)的類別來分類，可分為靜態(tài)篩選和動(dòng)態(tài)篩選^[14,18]。

單要素篩選主要是依據(jù)所測(cè)量的電池的一個(gè)特征要素對(duì)電池進(jìn)行篩選，這種方法速度快、效率高，適用于商用電池的大規(guī)模初步篩選，但其準(zhǔn)確性較差。多要素篩選主要是依據(jù)所測(cè)量的電池的多個(gè)特征要素對(duì)電池進(jìn)行篩選，這一方法由于綜合考量了自放電率、容量、內(nèi)阻、電壓、溫度及電化學(xué)阻抗譜等要素，因此篩選相對(duì)準(zhǔn)確且可信度高，但由于其工序過多，且耗時(shí)很長(zhǎng)，因此在快速篩選中并不特別適用。

靜態(tài)篩選中主要可以選擇電池的自放電率、容量、電壓和內(nèi)阻等進(jìn)行篩選^[19]。自放電率篩選是將單體電池充滿電之后，在一定的環(huán)境中擱置一段時(shí)間，而后再對(duì)單體電池進(jìn)行放電測(cè)量其容量或直接測(cè)量其電壓，根據(jù)容量或電壓的變化對(duì)電池進(jìn)行篩選^[20]。容量是體現(xiàn)電池性能的一個(gè)重要參數(shù)，容量的測(cè)量簡(jiǎn)單易行，很多電池制造商采用容量作為電池初步篩選的主要依據(jù)，但電池的容量易受環(huán)境溫度和工況的影響，因而不能保證單體電池在模組應(yīng)用時(shí)保持一致性^[21]。電池內(nèi)阻可以快速地測(cè)量，但僅可作為電池一致性的定性參考，因?yàn)闇y(cè)量電阻所通常采用的方法會(huì)造成電池的極化，在理論和現(xiàn)實(shí)實(shí)踐上還有許多問題沒有解決^[22]。電壓也是極易通過簡(jiǎn)便測(cè)量得到的參數(shù)，但由于靜態(tài)電壓受內(nèi)阻、自放電率等其它因素影響，僅根據(jù)在單一條件下所測(cè)量的電壓進(jìn)行篩選準(zhǔn)確性不高。

動(dòng)態(tài)篩選是指依據(jù)單體電池充放電過程中采集的數(shù)據(jù)電池進(jìn)行篩選^[23]，包括充放電特性曲線、溫度、電化學(xué)阻抗譜等。其中，充放電曲線篩選方法能夠保證電池動(dòng)力性能的一致，可以滿足電池在電動(dòng)汽車大部分工況下的需求。溫度篩選方法是根據(jù)充放電過程中電池單體的溫度變化，將溫度變化近似的電池篩選出來，舍棄溫度變化較大的電池，此種篩選方法可以減少單體電池組成模組后溫度不均一導(dǎo)致的一致性惡化現(xiàn)象，但此種方法測(cè)量的溫度是單體電池充放電下的溫度，和模組工作時(shí)的溫度情況差異較大，且不能反映電池內(nèi)部的溫度，因而應(yīng)用場(chǎng)合極少，未得到廣泛認(rèn)可。電化學(xué)阻抗譜篩選方法相比于所有靜態(tài)篩選方法來說更為準(zhǔn)確，且能反映電池內(nèi)部的特征參數(shù)，但其測(cè)量需要電池處于穩(wěn)態(tài)時(shí)方能進(jìn)行，且耗時(shí)較長(zhǎng)，不適合商業(yè)電池的大規(guī)模篩選。

在工程實(shí)踐中，相關(guān)企業(yè)對(duì)于商業(yè)鋰離子電池的一致性篩選或評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了很多探索，形成了如下幾種一致性評(píng)價(jià)或者篩選方法：

1）從模組產(chǎn)品品質(zhì)管理的角度，提出基于模組結(jié)構(gòu)的電池單體一致性評(píng)價(jià)方法。即將串并聯(lián)組成的模組進(jìn)行充放電，利用電池管理系統(tǒng)記錄的單體電池溫度、電壓、荷電狀態(tài)（SOC）等數(shù)據(jù)，每隔10%SOC計(jì)算電池組內(nèi)電池的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差小于一定的值，則表示該電池組一致性良好。

2）從單體電池品質(zhì)控制的角度，基于電池單體的數(shù)據(jù)進(jìn)行單一級(jí)別的一致性評(píng)價(jià)及率先。例如，基于充放電數(shù)據(jù)進(jìn)行電池單體的一致性評(píng)價(jià)即篩選。即利用恒流恒壓對(duì)多個(gè)電池進(jìn)行充電，通過恒壓段充入的電量和恒流段充入的電量的比值來判斷電池之間的一致性。

3）基于電池單體的多種考察因子，進(jìn)行多級(jí)別的分級(jí)篩選。例如先將自放電率作為一級(jí)篩選因子，將自放電率較大的電池剔除，然后再用電池的容量和內(nèi)阻對(duì)電池進(jìn)行二次分檔。

4）引入強(qiáng)化條件，進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)。以磷酸鐵鋰電池為例，先對(duì)電池進(jìn)行大電流充放電，而后靜置記錄其自放電率，通過二者的結(jié)合對(duì)磷酸鐵鋰的一致性進(jìn)行篩選。

5）基于修正曲線的電池組或者單體一致性評(píng)價(jià)。例如，先得到電池組的充放電曲線，而后計(jì)算得到去除歐姆壓降的一次修正的充放電曲線，再計(jì)算得到去除計(jì)算電壓影響的二次修正的充放電曲線，根據(jù)二次修正曲線計(jì)算得到的Qmax和荷電狀態(tài)對(duì)電池的一致性做出評(píng)價(jià)。

6）基于復(fù)合計(jì)算因子的一致性評(píng)價(jià)方法。有的企業(yè)提出一個(gè)一致性系數(shù)Q，這是一個(gè)由電池容量、直流內(nèi)阻以及極化電壓三者相乘得到的一個(gè)反映不一致性大小的系數(shù)，用來評(píng)價(jià)電池的動(dòng)態(tài)一致性。

現(xiàn)有鋰離子電池一致性篩選方法基本上是基于“產(chǎn)品內(nèi)在特性一致”的思路而得到的，然而鋰離子電池的內(nèi)在特性復(fù)雜，很難有一種方法可以有效解決目前面臨的所有問題。事實(shí)證明以上方法均不能很好的滿足模組對(duì)于電池單體一致性的需求。依據(jù)模組結(jié)構(gòu)和電池單體的實(shí)際工況，確定對(duì)于對(duì)于單體一致性的需求，進(jìn)而選取最為適合的篩選方法，即一致性評(píng)價(jià)和篩選方法應(yīng)該是針對(duì)性的、而非普適性的，應(yīng)該是一致性研究中需要引起重視和客觀認(rèn)識(shí)的終要特征。

首先串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)于電池單體的一致性要求是有差異的；而鋰離子電池物理化學(xué)的本質(zhì)特性導(dǎo)致在不同電路結(jié)構(gòu)情況下，單體不一致所帶來的后果也有所不同。串聯(lián)電路中，流經(jīng)所有單體的電流是一致的，由于電池內(nèi)阻不同而使得單體的發(fā)熱量不同，熱量差異與內(nèi)阻差異相同；同時(shí)，容量小的電池相當(dāng)于以相對(duì)較高的倍率進(jìn)行充/放電，而且發(fā)生過充和過放。由于電池的電阻、容量等的差別通常為1%以內(nèi)，溫度和倍率對(duì)電池性能衰變的影響相對(duì)較弱，而過充或者過放則因?yàn)樵斐呻姌O材料結(jié)構(gòu)劣化及鋰損失、從而對(duì)個(gè)別電池單體性能衰變具有足夠顯著的加速影響，導(dǎo)致容量小的單體容量和內(nèi)阻衰變加速。因此，串聯(lián)電路中單體間的不一致性會(huì)導(dǎo)致電池組性能衰變加快，串聯(lián)電路對(duì)于電池容量具有相對(duì)更高的要求。

并聯(lián)電路中，所有單體兩端的電壓相同，所以各個(gè)單體都不會(huì)出現(xiàn)過充或者過放的情況；而由于內(nèi)阻差異引起的歐姆熱和倍率差異僅限于較小的幅度（1%），因此在并聯(lián)電路中各單體間小幅度的不一致性不會(huì)明顯加劇個(gè)別單體性能的衰變，即不會(huì)引起并聯(lián)電池組性能衰變加速。

以上分析表明，即使對(duì)于具有復(fù)雜串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的模組，基礎(chǔ)串聯(lián)電路中各電池單體容量間的差異是造成模組性能衰變加速的主要原因。因此，電池單體容量的一致性（包含不同倍率條件下的單體容量）是電池一致性研究中最需關(guān)注的基礎(chǔ)特性。

4.電池一致性高效篩選方法的新進(jìn)展

有效的一致性篩選方法，需要以簡(jiǎn)便、快捷、高通量為宗旨，以檢測(cè)設(shè)備的精度為基礎(chǔ)，以電池組的運(yùn)行性能為目標(biāo)。由前面的討論已知，單體容量的一致性是保障模組性能的最重要的基礎(chǔ)特性。在實(shí)際工作中，通常采用設(shè)定的恒電流進(jìn)行充/放電、采用設(shè)定電壓作為恒流充放電的截止條件，此時(shí)測(cè)得的容量是包含了極化等內(nèi)阻影響因素的容量，可以為一致性判定和篩選提供更綜合的信息。然而，普通充放電設(shè)備的電流精度為0.5-2%（而電壓精度則為0.05-0.1%），這與一致性評(píng)價(jià)或篩選限定的波動(dòng)幅度相等，這意味著測(cè)得容量的不確定度超過一致性要求的波動(dòng)幅度，即一致性判定標(biāo)準(zhǔn)因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備的原因?qū)嶋H上無法達(dá)到、也不能提高要求；而更高電流精度的充放電設(shè)備則意味著高成本。鑒于我們關(guān)注的一致性其實(shí)質(zhì)是關(guān)注單體間容量的差異而非絕對(duì)值，因此一致性研究面臨的主要問題的實(shí)質(zhì)是如何采用低成本的充放電設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效率、準(zhǔn)確地容量比較。

利用串聯(lián)電路中流經(jīng)各單體的電流嚴(yán)格相等的原理，文獻(xiàn)^[2,24]提出了單體電池串聯(lián)篩選的方法，避免了設(shè)備精度造成的容量測(cè)不準(zhǔn)問題。即把待篩選的電池單體串聯(lián)進(jìn)行充放電，根據(jù)充放電曲線篩選出一致性好的單體^[24]。實(shí)驗(yàn)采用COTS（Commercialoff-the-shelf，商業(yè)現(xiàn)貨）18650電池驗(yàn)證上述方法。這些電池出廠時(shí)，已經(jīng)通過容量、電壓、自放電率和阻抗等一致性指標(biāo)的篩選。所建議的串聯(lián)篩選一致性的方法示意圖見圖3。

圖 3 電池單體串聯(lián)結(jié)構(gòu)及電壓監(jiān)測(cè)示意圖^[2,24]

一致性篩選流程如圖4所示，隨機(jī)抽取120節(jié)電池組裝到電池臺(tái)架上，而后進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，得到充放電曲線后，選取對(duì)各單體一致性考驗(yàn)最敏感的狀態(tài)點(diǎn)，利用平均電壓和標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)電池一致性進(jìn)行篩選。

圖4 一致性篩選流程圖^[2,24]

圖5?120只串聯(lián)電池單體的實(shí)時(shí)電壓曲線^?[2,24]

對(duì)120只單體電池的充放電曲線進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5和表1^[2,24]。雖然這120只電池是生產(chǎn)商經(jīng)過一致性篩選后的電池，但是經(jīng)過此方法的篩選，從各電池充放電曲線來看，發(fā)現(xiàn)有5只電池明顯偏移，其中14號(hào)和17號(hào)電池在充電末端出現(xiàn)較大偏移，31號(hào)和105號(hào)在放電末端出現(xiàn)較大偏移，47號(hào)和105號(hào)在放電后靜置30分鐘出現(xiàn)較大偏移。由此，用充電末端、放電末端和放電后靜置30分鐘的電壓，來判定單體電池的一致性。三個(gè)狀態(tài)點(diǎn)出現(xiàn)的最大電壓差如表1所示。

表 1120個(gè)串聯(lián)的電池單體在三個(gè)設(shè)定條件下的最大電壓差^[2,24]

圖6 串聯(lián)的120個(gè)單體電池在3個(gè)設(shè)定條件下的電壓統(tǒng)計(jì)^[2,24]

對(duì)上述三個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的電壓相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差δ進(jìn)行分析，如圖6所示，其中放電末端δ值最大（1.18%），最適合用作一致性篩選的判據(jù)。。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的意義，利用（V均-δ）≤Vx≤（V均+δ）（δ值為標(biāo)準(zhǔn)差，1.18%，相當(dāng)于0.036V；V均=3.074V）篩選出105只電池，其電壓偏差詳見圖7。經(jīng)篩選后，放電末端各電壓的δ=0.70%，較篩選前的δ=1.18%，明顯變小，電池一致性變好，充電末端及放電后靜置30分鐘電壓的δ值均減小。分別由0.09%變?yōu)?.08%，以及由0.28%變?yōu)?.18%。

圖7 串聯(lián)篩選后單體電池的電壓統(tǒng)計(jì)^[2,24]

采用上述方法，還可對(duì)不同廠家的電池品質(zhì)進(jìn)行甄別。例如，用相同電池?cái)?shù)量和測(cè)試方法對(duì)3家企業(yè)的（經(jīng)過出廠一致性檢驗(yàn)過的）電池進(jìn)行了篩選，結(jié)果見表2。通過此表，可以明顯看到3家公司電池一致性水平的差別。其中公司2生產(chǎn)的單體落在±δ范圍內(nèi)的比例最高，其產(chǎn)品的一致性最優(yōu)。

表 2不同篩選范圍內(nèi)的電池比例^[2,24]

圖8 串聯(lián)篩選前、后單體組成串聯(lián)電池組的循環(huán)曲線^[2,24]

為了進(jìn)一步驗(yàn)證串聯(lián)評(píng)價(jià)及篩選一致性方法的可靠性，在120只未經(jīng)經(jīng)過篩選和經(jīng)過篩選的電池中，隨機(jī)取用20只電池組成串聯(lián)模組，然后進(jìn)行模組循環(huán)測(cè)試，結(jié)果見圖9。需要說明的是，未經(jīng)串聯(lián)篩選的電池出廠前是通過了傳統(tǒng)方法的一致性檢驗(yàn)的，只是具體的測(cè)試條件不詳。未經(jīng)串聯(lián)篩選的單體組成的模組，容量比經(jīng)串聯(lián)篩選的電池組成的模組的容量低1.3％。循環(huán)50次后，前者容量損失為3.1％，而后者容量損失僅為1.1％。這表明串聯(lián)篩選方法可以較好的保障模組的容量及壽命性能。

文獻(xiàn)^[2,24]所提出的一致性篩選方法采用常規(guī)精度的充放電設(shè)備，只需要分析比較1至2個(gè)點(diǎn)的電壓值，操作簡(jiǎn)單、快捷，不僅是一種很有前途的鋰離子電池一致性篩選方法，還可用于模組服役過程中的單體一致性跟蹤及模組壽命預(yù)測(cè)。

5. 結(jié)束語

單體一致性對(duì)模組壽命、容量、倍率等性能具有重要的影響，因此鋰離子電池的一致性研究的目的和出發(fā)點(diǎn)均是讓模組壽命、倍率等基礎(chǔ)特性與單體盡量接近。串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)單體不一致性的耐受性不同，受到影響的性能及其后果也不同。其中串聯(lián)電路因?yàn)闀?huì)造成容量偏低的電池過充及過放，進(jìn)而導(dǎo)致這些電池的壽命、容量、倍率和安全性加速惡化，因此電池的容量是一致性研究最為關(guān)注的基礎(chǔ)特性。

然而，受測(cè)試設(shè)備精度所限，電池的容量測(cè)不準(zhǔn)度高于一致性要求。鑒于一致性研究的對(duì)象是單體容量間的差異，而非容量的具體大小，串聯(lián)方法可以回避設(shè)備的電流精確度問題，實(shí)現(xiàn)單體間差異的甄別和篩選。基于串聯(lián)篩選方法的原理，可以預(yù)見如果分別用低倍率和高倍率進(jìn)行串聯(lián)篩選，則可以簡(jiǎn)單、高效地剔除內(nèi)阻偏離一致性要求的單體，是一種滿足模組功能要求、高通量的電池一致性評(píng)價(jià)及篩選方法。但是這方面的研究還處于起步階段，串聯(lián)篩選電池?cái)?shù)于模組基礎(chǔ)串聯(lián)單體數(shù)之間的關(guān)系、篩選標(biāo)準(zhǔn)的選取與模組成本之間的權(quán)衡、以及一致性與模組性能之間的定量關(guān)系等，都將是未來研究中需要解答或解決的問題。