鋰離子電池組應用中存在的問題

孫仲振，趙 云

（沁新集團（天津）新能源技術研究院有限公司，天津 300143）

鋰電池相對于鉛酸電池而言，因其能量密度高、占地小、循環壽命長、對環境污染小等特點，在電動自行車、通信、動力汽車、電力、數據中心等領域的需求越來越大。作為新一代主流能源，鋰電池在應用中也面臨著適應更高、更多要求的挑戰。鋰離子電池組是為了滿足某一特定要求而將鋰離子電池進行串聯或并聯。鋰離子電池組能量密度高、無污染、應用廣泛，但它也不是毫無缺點，跌落、碰撞、彎曲等都可能會影響鋰離子電池組的安全性能和循環性能。

鋰離子電池除了要解決可靠性及成本問題外，還面臨著安全性、電池一致性、快充快放、低溫充放電、熱管理、BMS管理系統、SOC、過充過放電池均衡等問題，這些問題將成為未來鋰電池組大量應用的關鍵考量。

1 鋰電池組及其要求

1）電池組的基本組成：電芯、絕緣板和散熱片、BMS 電池管理系統。電芯：電芯指單個含有正、負極的電化學電芯，電芯一般有三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池，可根據需求選擇相對應的電芯。

絕緣板和散熱片：絕緣板是包裹在電芯外的一層絕緣保護板，起到隔離保護的作用。如果電芯內部發生意外，可以將危害隔離在絕緣板內，以免損害到其他。散熱片是給電器中的易發熱電子元件散熱的裝置。

鋰離子電池組。BMS 電池管理系統：BMS 電池管理系統是一種能夠對鋰離子電池組進行監控和管理的電子裝置，通過對電壓、電流、溫度以及SOC 等參數采集、計算，進而控制電流的充放電過程，實現對電池的保護提升電池的綜合性能[1]。

2）鋰離子電池組應用的基本要求：電池組在應用中通過有效的BMS 管理系統對電池進行管理，以防止電池出現過充過放、短路、反充、高溫等情況，如果在鋰電池使用過程中發生這些情況，電池組的循環壽命會大幅度縮短，嚴重情況甚至會發生燃燒、爆炸等安全事故。

3）做一組電池組的基本要求

（1）要用好電芯，電芯是儲存電量和輸出電量的基本單元，也是電池組的核心部件。

（2）要有好的鋰離子電池保護板，保護板是鋰離子電池組的核心部件，一塊好的保護板能有效保護鋰離子電池組中的每一串電芯不過沖和過放電，還可以使每一串電池盡量充電到滿，而不會出現有的已經充滿而有的電池卻還差很多的現象。

（3）要有較好的焊接功底，焊接質量也直接影響著電池組的安全性和使用循環壽命。

（4）線路要合理，要根據電路中實際電流來選擇合適粗細的線，保障線路焊接質量，防止在電池組使用過程中出現線路過載發熱著火等現象。

（5）良好的填充及散熱途徑，電池組需要穩固，盡量減少跌落、碰撞、彎曲、震動等外部作用力，部分空間需要良好的填充；另外電池在充放電過程中，產生大量的熱量，良好的散熱途徑，減小電池的溫升也能提高電池組的安全性和循環性能。

2 電池組應用中存在的主要問題

2.1 安全性

自從鋰離子電池組應用以來，安全性問題就一直困惑著消費者。從手機、筆記本，到現在的電動汽車，安全事故不斷發生。隨著新能源汽車的廣泛應用，我國的眾多新能源汽車廠家、美國的特斯拉、通用和菲斯克的電動汽車均有自燃或起火事故發生。

在鋰電池組的應用中，人們對安全問題越來越重視。鋰電池的電極材料更加活潑，電極之間的電荷反應速率加快，這也是鋰電池性能比鎳氫、鎳鎘等電池優越的主要原因之一。但是其可控性也會隨之變低，發生意外的風險就會提升。

鋰電池組的整體電壓以及輸出電流都相對較大，所以內部電路發生一些故障后，很可能導致很嚴重的后果，所以鋰電池組的安全工作一定要做到位，對內部電路起到保護作用的電池保護板也是必不可少的。但是有些鋰電池組是不能加上鋰電池保護板的，例如應用在啟動電源的電池組，啟動電源工作時電池內部會出現電流過大的情況，保證啟動電源的工作狀態下，如果對電流進行保護，內部電路就等于處于一個停止工作的狀態，一些用到電能的設備就會停止工作。寧可啟動電源鋰電池組被損壞，也不能對電流進行保護，因此鋰電池組的自身安全問題還是有待提高的。

2.2 成本偏高

動力電池組成本是綜合成本，主要由鋰電電芯、BMS、結構件、電池箱體、輔料、制造費用等成本組成。鋰電池電芯占電池組總成本的80%左右，Pack 成本占整個電池組成本約20%。單單從電池Pack 成本來說，乘用車電池Pack 的成本約為0.25元/Wh，客車大致為0.23元/Wh，乘用車大于客車，客車大于物流車，三元電池Pack 大于磷酸鐵鋰電池Pack。如果電芯按照1 042元/kWh 來計算，Pack 的成本208～250/kWh，合計約1 300元/kWh。這個數字接近目前主流電池組Pack 后的成本價格。

目前市場上鋰電池價格是的3倍左右，但是投入相同的成本并結合兩種電池的使用壽命，鋰電池使用周期要長，綜合性價比高。鋰離子電池未來降低成本的主要途徑：①提升對電芯廠的議價能力；②結構設計方案的革新；③材料的優化組合；④提升自動化效率。

2.3 電池一致性

首次，電芯的性能不一致主要是因為電芯生產過程中造成的，在循環過程中不斷加大性能差異。組裝在同一個電池組的電芯，性能差的本身基礎不好，并且在不斷充放電過程中會越來越弱。不同電芯之間參數的離散隨著電池組循環次數的增加而加大了之間的差距。目前人們都是通過單體電池分選、成組后熱管理、電池管理系統提供均衡功能等三個方面來應對單體電芯不一致的情況。

分選的電芯是在一定充放電條件下把參數相近的電芯選出來，一旦充放電條件發生變化后，這些篩選的電芯因開路電壓、內阻、容量等本身特性有差異又會表現出不一致的性能。實際充放電的條件是隨著應用不斷在變化的，與分選的條件相差甚遠，精心挑選的電芯在實際使用中難免也會表現出性能不一致的情況，電池組在應用過程中仍然面臨電芯性能不一致的問題。后期的成組后熱管理及電池管理系統的均衡功能只能在一定程度上對電池組電芯性能一致性有所幫助，但是不能根本解決不同單體電芯在充放電條件變化的情況下不一致的問題。目前鋰離子電池組的應用過程中，因為電芯性能在循環工程中表現出的不一致問題，使得高能量密度電池組整體性能大打折扣，當前人們仍然把研究如何解決電芯性能不一致性問題作為鋰電池的重要研究領域。

2.4 快速充電放電

目前鋰離子電池應用于動力汽車快速充放電仍然是一個大問題。從電芯上來說，正極材料、電解液、負極材料搭配體系、極片工藝、電芯結構設計等因素影響鋰離子電池的倍率性能?；谇度胧椒磻獧C理，鋰離子在正極活性物質（橄欖石結構一維離子通道，層狀結構二維通道和尖晶石結構三維通道）和負極活性物質（層狀結構）中的擴散系數比水系二次電池的速率常數低好幾個數量級。鋰電池在大倍率條件下充電，正極活性物質的晶格極容易破壞，負極石墨層也可能受到嚴重損害，這都將加速電池容量的衰減、循環壽命減少[2]。鋰電池會因高倍率下快充快放引發其循環壽命大幅衰減。

電池組的快充快放情況比較復雜，不同單體電池在充電過程中充電電壓和充電電流并不相同，因此電池組要比單體電池充電時間長很多。電池組的放電過程中，電池放電容量與放電時間的關系不是線性的，而是電池容量隨放電時間增加而不斷加速下降，因此將電池組的電量快充到50%～80%，并不能向人們想象的那樣能滿足實際電池容量使用的要求。而鋰電池長時間高倍率下充電放電，會破壞正負極活性物質的結構，會引起負極析鋰，尤其鋰電池快充會使電池的使用壽命和性能嚴重惡化，甚至會帶來安全隱患。

鋰離子電池快速充放電實質上是鋰離子能夠快速在正負極材料間脫嵌，電池的材料性能、制造工藝設計、充放電方式都會影響其在大倍率下的充放電性能。正負極活性材料的電導率、鋰離子擴散系數、電解液的電導率等因素決定了鋰電體系的本征載流子傳導與輸運行為。正極材料在大倍率充電下晶格容易受到破壞，負極石墨片層同樣容易受到損害，這些因素都將加速容量的衰減，從而嚴重影響動力電池使用壽命[2]。鋰電的負極表面有一層SEI 膜，倍率性能很大程度上受到鋰離子在SEI 膜中擴散的控制，由于有機電解液中粉末電極的極化相對水系要嚴重得多，在高倍率或者低溫條件下負極表面容易析鋰而帶來嚴重的安全隱患[2]。

2.5 低溫充放電性能

環境因素對鋰電池的充放電性能影響很大，其中溫度對電池使用影響最大。極片與電解液固液相界面之間的化學反應與環境溫度有很大的關系，低溫環境中電解液黏度比常溫降低，導電性能下降，電極的反應速率降低，活性物質的活性也會降低。環境溫度降低同樣會使電解液的濃度差變大，電池出現極化，碳負極因為擴散速率變慢而導致有析鋰現象。

鋰離子電池隨著溫度的降低充電和放電性能均明顯降低。當溫度降至-30℃時，鋰離子電池的恒流充電容量僅為總充電容量的15%左右，恒壓充電時間增加，很大程度上延長了充電時間[3]；在這種低溫環境中電池的放電容量為室溫放電容量的74%～87%，放電性能變差，放電電壓平臺明顯降低，放電容量也顯著減少[4]。低溫特性和電池的結構設計、制備工藝和正負極活性物質、添加劑（黏結劑、導電劑）、電解液等主要原材料有關。正負極活性物與電解液匹配體系的不同，鋰電池循環過程中表現的低溫性能也不相同。

2.6 熱管理

鋰離子電池在使用過程中會產生熱量從而使電池的溫度升高。電池組中電芯所在不同位置散熱能力各不相同，造成溫度分布不均又會導致電池組內的電池性能不一致。電池在充放電過程中產生的熱主要來源于以下4個方面：電池反應熱、電池反應存在極化產生的熱、電池副反應產生的熱（例如電解液分解、界面反應等）、電阻產生的焦耳熱。

實驗數據顯示，能量型鋰離子電池在絕熱的條件下1C 充電45min 后，電芯內部的溫升都超過了10℃，甚至超過15℃。對滿電電芯的實驗顯示，在絕熱的條件下，用外源對電芯加熱到50℃，電芯內部就開始有副反應，電池溫度開始升高，雖然上升較慢，但最后結果是電池燃燒失效。

鋰電池熱特性是影響電池安全、壽命和使用安全的重要因素。鋰離子電池在充放電過程中，伴隨著能量的交換和轉移，電池組自身也產生熱效應，這種熱效應如果沒有進行合理的控制，容易造成產熱不均、溫度分配不均、電池間溫差較大等問題。長此以往，必然會導致部分電池系統的充放電性能、容量和使用壽命等下降，從而影響電力驅動系統的性能，嚴重時甚至會引發熱失控危害人的生命安全[5]。

熱管理系統的加入針對內阻不一致電芯，產生熱量不相同問題，可以調節整個電池組的溫差，使之保持在一個較小的范圍里，生成熱量較多的電芯，依然溫升偏高，但不會與其他電芯拉開差距，劣化水平就不會出現明顯的差距[6]。

2.7 現階段BMS存在的問題

BMS 指電池管理系統（Battery Management System），是對電池進行管理的系統，BMS 主要就是為了智能化管理及維護各個電池單元，防止電池出現過充和過放，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態[7]。BMS 是電動汽車電池管理系統是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶[8]。BMS 實時采集、處理、存儲電池組運行過程中的重要信息，與外部設備如整車控制器交換信息，解決鋰電池系統中安全性、可用性、易用性、使用壽命等關鍵問題[9]。BMS 包括單體控制（CCU）、安全控制（SCU）、溫度控制（TCU）、電池控制（BCU）四個單元組成。

BMS 是一套管理、控制、使用電池組的系統，主要目的是為了對電池組中的電池進行安全性和利用率管理。

2.7.1 BMS行業狀況

目前歐美西方國家總計只有10多家BMS 生產企業，而國內的BMS 生產企業卻已達100多家，形成了國內市場集中度不高、競爭激烈、內耗嚴重、資源浪費大、技術優勢不明顯等的趨勢，呈現“多而不強”局面，因此國內BMS 廠家的能力參差不齊。

我國BMS 領域的現狀不容樂觀，存在缺乏技術參數、標準或滯后于國際標準，BMS 產品缺乏權威機構認系列證等問題，導致國內BMS 產品在品質、執行標準上參差不齊。很多企業的單體電芯、小模組測試符合安全和性能、壽命等技術指標，組成大電池組后其安全、壽命、低溫、充放電等方面性難以保證，測試結果也相差甚遠。

總體來說，與三電技術相比，國內的BMS 技術還不夠成熟。雖然近年來相關技術水平已經有很大提高，很多方面都已經進入實際應用階段，但在數據的可靠性、SOC 的估算精度和安全管理等方面仍有待提高[10]。

2.7.2 關于剩余電量SOC的估算

SOC 是鋰離子電池在一定的放電倍率條件下，電池剩余電量與其額定容量之間的比值。BMS 通過SOC 估算可以在電池性能的均勻性、電池的過充過放、分配電池組能量、預測剩余動力等方面對電池進行管理。

SOC 的估算主要方法：放電實驗法、安時計量法、開路電壓法、線性模型法、內阻法、卡爾曼濾波法、神經網絡法[11]。

常用的SOC 估算是安時積分法，也叫庫侖計數法或者電流積分法。電池充放電時，通過累積充進和放出的電量來估算SOC。安時積分法只記錄了充進/放出電池電量，而不能體現電池充放電過程中內部狀態的變化。同時因電流測量不精確，需要定期進行校準，才能消除SOC 誤差積累造成的影響。神經網絡法是通過模擬電池動態特性來估計電池荷電狀態，適用于各種電池，缺點是需要大量的參考數據進行訓練，估計誤差受訓練數據和訓練方法的影響很大[12]。

SOC 誤差來源于3個方面：①電流采樣精度、間隔造成的誤差；②電池容量因溫度變化、電池老化、充放電倍率、不同電池自放電等原因造成的誤差；③初始SOC 估算困難，最終SOC 過程取舍誤差。影響電池SOC 的因素主要有：溫度、充放電倍率、自放電、充放電次數、電池老化等，并且電池SOC 是精度要求高、非線性的估計問題，實時在線估算有很大的困難[13]。

2.7.3 關于電池的均衡

電池組充放電理想狀態：電池組充電時能夠使每一節電池都充滿又不出現過充狀態；電池組放電時能夠使每一節電池放完而又不出現過放的狀態。電池組使用中的均衡目的：電池組充電時不出現被均衡電池有放電情況，放電時不出現被均衡電池有充電情況，不會損害被均衡的電池，從而有利于增加電池組的使用容量和使用壽命。電芯單體的不一致，某些電芯端電壓，總是超前于其他電芯，最先到達控制閾值，導致整個系統容量變小。為了解決這個問題，電池管理系統BMS 設計了均衡功能。

主動均衡：主動均衡是以電量轉移的方式進行均衡，效率高，損失小。不同廠家的方法不同，均衡電流也從1 ～10A不等。當前主動均衡技術仍然不成熟，在實際使用的過程中容易引起鋰電池過放而加速鋰電池循環性能衰減。目前很多主動均衡需要依托昂貴的芯片、變壓器等相關元件來實現變壓，存在的缺點就是技術不成熟、相對體積較大、成本高。

被動均衡是將高容量電池多出的電量采用電阻放熱的方式進行釋放，達到電池組均衡的目的。充電過程中，鋰電池一般有一個充電上限保護電壓值，當某一串電池達到此電壓值后，鋰電池保護板會切斷充電回路，停止充電[14]。如果充電時的電壓超過這個數值出現“過充”現象，就有可能引發鋰電池發生燃燒或爆炸。其優點是電路簡單、可靠、成本較低，而缺點為是以最低電池殘余量為基準進行均衡，無法增加殘量少的電池的容量，及均衡電量100%以熱量形式被浪費，電池效率也較低[14]。主動均衡充電時將多余的電量轉移到高容量的電芯，放電時將多余電量轉移至低容量電芯中，可提高使用效率，但是成本更高，電路復雜可靠性低。目前國內主流BMS 廠商采用被動均衡居多，未來電芯一致性提高，對被動均衡的需求可能會降低。

被動均衡電流無法完全按照實際需求去做，因為通過電阻消耗的能量轉化成熱量，對電池管理系統以及電池包都會產生不良影響；主動均衡需要配置相應電路和儲能器件，體積大、成本上升，造成主動均衡不容易在市場上推廣應用。電池包的每個充電放電過程，都伴隨著一部分電池局部的附加充放過程，無形中增加了電池的循環次數，對于本身需要充放電才能實現均衡的電芯，額外的工作量造成其超越一般電芯的老化，進而造成與其他電芯更大的性能差距，這些還沒有相關研究做出過明確的判斷。

系統均衡，首先能保障系統更安全；其次是促進可充放電容量增加。在深充深放的EV 應用中，更能體現其優勢。隨著新能源發展的深入，還有更多的技術問題需要研究分析，例如：均衡工作點的最優切入點，如何準確捕捉判斷電池狀態；如何有效降低電池個體衰減速度等，都是需要不斷解決的問題。

3 結束語

優化電池組應用的關鍵是整車廠提出的技術要求的嚴謹程度、電池廠家配套的電芯品質。國內電池與國外相比仍然存在大的差距，國內電芯一致性的品質提升已經是燃眉之急，不但電池循環壽命前期一致性好，而且循環壽命后段一致性也需要過硬。電池性能方面也要考慮快充、高倍率放電的需求以及低溫應用的領域。再輔助于高效的BMS 的安全管理、熱管理、均衡管理，才是合理的和正確的發展思路。鋰離子電池面臨的安全性、電池一致性、熱管理、BMS 管理系統、SOC 估算、過充過放電池均衡等問題，可以通過不同的應對策略，今后仍然需要科研人員不斷改進BMS 管理系統來完善鋰離子電池的應用。