三元鋰離子電池容量分檔方法研究①

陰育新，張博文，張俊英

(天津力神新能源科技有限公司，天津 300392)

1 引言

新能源汽車是全球汽車產業綠色發展和轉型升級的重要方向，近年來電動汽車產業化的進程在國內外加速推進，與電動汽車相關的技術逐步成熟，可靠性也逐步提升，動力鋰離子電池作為電動汽車的動力裝置，其所能提供的能量和使用壽命受到人們的日益關注。但是無論哪一種電池，其單體的能量、功率等性能參數都不能滿足電動汽車使用要求，為了滿足系統電壓和整車續駛里程的要求，需要通過上百節電池單體串聯或并聯組成電池組。電池成組并不是簡單地將電池串并聯在一起，電池單體間存在明顯的不一致性，會導致電池組在使用過程中存在“短板效應”，這種現象會抑制電池性能的發揮，降低電池組的能量效率，不僅如此，電池組中的易老化單體在與其他正常單體的成組使用過程中，也將會更容易產生過充過放現象，加速其老化程度，從而進一步加劇整組電池的不一致性，形成惡性循環，久而久之使電池組壽命大受影響，因此行業內提出對電池容量進行分檔使用要求[1-3]。

三元電池早期的分檔方法為化成放電容量分檔，即化成階段將電池充滿電后再放電到截止電壓，對放電容量進行容量分檔。由于三元電池放電容量與電池溫度相關性較強，溫度的差異會導致化成放電容量與實際容量存在較大差異，導致化成放電容量分檔不準確，存在模組配組容量差異大問題。鑒于此，相關公司對三元電池化成流程進行優化，目前主要采用電壓分檔，即化成時不進行滿放電(放到截止電壓)，而是采用放出固定容量后，再充入一定容量，按照充電后電壓表征的容量，并結合客戶容差、壓差需求，對電池進行容量和電壓分檔[4]。該方法雖然能夠準確的對電池容量進行分檔，但實際化成后電池電壓分布較大(15～20 mV)，當按照3 mV壓差進行分檔、滿足1%容差要求時，電池分檔檔次增至5—7個，給電芯生產和模組配組管理帶來較大麻煩。因此，尋找既能兼顧容差和壓差要求，又能減少分檔檔次的電池容量分檔方法，是提升生產效率、提高電池配組率的有效途徑。

本文利用三元鋰離子電池電壓與SOC存在對應關系的原理，提出按照特定SOC充電容量推算出的電池總容量，對電池進行容量分檔。該方法在滿足電池系統配組要求的前提條件下，可以明顯減少分檔檔次、提高分檔效率。

2 實驗部分

2.1 試劑

正極：NCM622三元材料、導電劑、PVDF；負極：石墨、導電劑、SBR、CMC。

隔膜：PE基膜、陶瓷(Al2O3)涂層；電解液EC/EMC/LiPF6(1.1 M)。

方形鋁殼三元鋰離子電池(51 Ah,26.5 mm×148 mm×101 mm,寬×長×高)源于天津力神電池自動產線。

2.2 儀器與設備

2.2.1 SOC-OCV曲線測試、容量標定設備

Arbin電池測試設備，5 V 100 A

2.2.2 化成設備

17SYC0006化成系統，5 V 80 A

2.3 測試

2.3.1 SOC-OCV曲線測試

(1)電池在25±2 ℃條件下進行3次標準循環：以1/3 I1恒流充電至4.2 V，然后恒壓充電至電流小于等于1/20 I1，靜置60 min，以1 I1放電至2.8 V，靜置60 min。

(2)記錄(1)最后一次容量為調整SOC的標準容量。

(3)測試電池100% SOC OCV。

(4)按照1/20 I1電流通過放電調節到下一個SOC(一般以5% SOC間隔)。

(5)測試調整SOC后開路電壓。

(6)重復步驟4和5直至完成目標0% SOC的OCV測試。

2.3.2 化成充放電流程

(1)充滿電流程：以1/3 I1恒流充電至4.2 V，然后恒壓充電至電流小于等于1/20 I1，靜置10 min。

(2)定容放電流程：以1/2 I1電流放電51 Ah，靜置30 min。

(3)SOC調整充電流程：以1/2 I1恒流充電至設定電壓，然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1，靜置10 min。

(4)SOC調整放電流程：以1/10 I1、或1/5 I1恒流放電至設定電壓，靜置5 min。

3 結果與討論

3.1 化成流程設計目標及方案

該型號動力電池在分檔配組要求：同系統電池容差不大于1%、壓差不大于5 mV；化成流程設計方案：按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再通過SOC調整充電流程將電池充到同一電壓(SOC狀態)。這樣電池出貨壓差滿足客戶要求，分檔只需考慮容差即可。

若電池容量為X，最后一步充電容量為Y，則化成結束的荷電狀態(SOC)為：

SOC=(X-51+Y)/X

(1)

電池容量X與最后一步充電容量Y及SOC呈如下函數關系：

X=(51-Y)/(1-SOC)

(2)

由(2)式可以看出，電池容量X與最后一步充電容量Y呈負相關性，Y可從化成數據中獲取到，只需要確定電池SOC，既可通過Y值將電池容量X值計算出來。由于放電過程為定容放電，放電過程不受環境溫度影響，而第一步充流程為1/3 C恒流至4.2 V、然后恒壓充電至電流小于等于1/20 I1，溫度影響可忽略，所以此分容方案通過Y及SOC值計算出的容量X可忽略溫度的影響。

3.2 SOC與電壓(OCV)的關系

該型號電池分檔SOC為15%～20% SOC，圖1為電池SOC與電壓(OCV)關系的曲線，根據曲線可將電池電壓與SOC狀態擬合如下的函數關系：

圖1 SOC-OCV曲線Fig.1 SOC-OCV curve.

B=(A-3519.1)×0.001 3+0.15

(3)

其中：A為電池電壓，B為SOC狀態，由此公式SOC曲線獲得，15% SOC狀態為3 519.1 mV。

電池化成后的荷電狀態(SOC)為：

SOC=(X-51+Y)/X

(4)

以上聯立方程(3)(1)可得：

X=(51-Y)/[0.85-(A-3519.1)×0.001 3]

(5)

X為電池實際容量，Y為最后一步充電容量，A為電池分檔電壓，Y與A均為已知數值，則可準確計算出電池實際容量。

3.3 最后一步充電流程對電壓一致性的影響

3.3.1 充電截止對電壓一致性的影響

取待化成電池800只，按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1。完成化成后電池靜置8天，測試電池分檔時電壓，如圖2所示，電壓散差在7 mV。如果要滿足分檔壓差小于5 mV，需要按照電壓對電池再分兩個檔。圖3對分檔電壓與最后一步溫度相關性進行分析，由圖3可知，分檔電壓與化成最后一步溫度呈正相關性。這是由于在實際化成過程中，經過放電步驟后(51 Ah定容放電)，化成柜各個點位溫度存在差異，造成最后一步充電時電池分檔的穩態電壓存在一定差異。為了消除溫度對最后一步充電電壓的影響，需要對最后一步充電流程進行優化。

圖2 分檔電壓分布Fig.2 Sorting voltage distribution.

圖3 分檔電壓與化成溫度的關系Fig.3 Relationship between sorting voltage and formation temperature.

電池常溫穩態電壓V0=V+KT-IR，V為化成截止電壓，T為化成溫度，I為充電電流，R為電池直流內阻。當以充電截止時，隨著化成溫度升高，電池直流內阻降低，IR減小，而因溫度導致的電壓偏離常溫電壓值KT，隨著化成溫度升高而升高。即隨著化成溫度升高，V0也會逐漸升高。因此當化成以充電截止時，分檔電壓與化成時電池溫度呈正相關性。如果將化成最后一步改為放電截止，電池常溫穩態電壓V0=V+KT+IR，隨著化成溫度升高，KT值增大，IR值減小，則可通過實驗找到合適的值，使V0與溫度失去相關性。

3.3.2放電截止條件對電壓一致性的影響

取待化成電池6托盤，每2托盤一組，在常溫下分成三組進行實驗。第一組按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1；第二組按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1、最后以1/10I1放電至3 530 mV截止；第三組按照2.3.2流程(1)-(4)步驟，將電池充滿電、放電51 Ah、再1/2 I1充電至3 530 mV、然后恒壓充電至電流小于等于1/100 I1、最后以1/5 I1放電至3 520 mV截止。當最后一步增加放電流程時，分檔電壓與化成最后一步溫度的相關性由正相關變為負相關(圖4)，與前述推算結果一致，并且可以看出第二組相關性系數與0較接近且較為穩定，因此選用方案二進行批量實驗。圖5為1 400只批量實驗結果，分檔時電池壓差在4 mV以內，可以滿足5 mV壓差的出貨要求。

圖4 不同化成流程分檔電壓與溫度的相關性Fig.4 Correlation between sorting voltage and temperature with different formation process.

圖5 分檔電壓分布Fig.5 Sorting voltage distribution.

3.4計算容量分檔方法實際應用

3.4.1 電池計算容量與實際容量一致性

按照3.3.2中第二組方案化成，并抽取不同充電容量電池進行25 ℃、1 C容量測試，計算及標定容量如表1所示。圖6對比了兩者的關系，可以看出，計算容量與實際容量呈線性正相關性，相關系數R2=0.970 1，表明用計算容量可以代替電池實際容量進行分檔。

表1 實際標定容量與計算容量列表Table 1 List of actual capacity and calculated capacity.

圖6 實際容量與計算容量關系Fig.6 Relationship between actual capacity and calculated capacity.

3.4.2 計算容量分檔批量驗證

按照上述方法對生產量產電池進行化成，然后按照計算容量進行分檔，分檔時要求每容量檔次電池計算容差小于500 mAh。對量產的92批次電池進行逐批容量抽樣測試，這里每批次電池數量1萬只，每批抽樣3只。容差抽樣結果如圖7所示，所有批次容差均小于510 mAh，滿足容差小于1%要求。

圖7 生產電池逐批抽樣容差分布Fig.7 Capacity difference distribution of batch sampling.

4 結論

三元鋰離子電池采用充滿電、定容放電、恒流恒壓充放電至目標SOC的方式對電池進行化成，然后按照計算容量分檔，一方面利用充放電消除溫度對極化的影響，保證壓差一致性(不大于5 mV)，另一方面結合電壓與SOC關系、電池容量與化成最后一步充電容量及SOC關系，推導出電池容量的計算方法。按照此方法，可將所有電池壓差控制在不大于5 mV、同檔次電池容差控制不大于1%。此方法在保證容差相對準確性的同時，簡化工藝，減少分檔檔次的數量，提升生產過程能力。采用該工藝已批量出貨500萬電池，滿足系統成組對電池一致性的要求。