动力电池不一致性成因

动力电池组需要管理系统（电气管理系统和热管理系统）的一个重要原因是处理电池和模块之间的不一致性。想象一下，如果每个电池在出厂时完全一致（容量、电压、内阻、自放电……），而且在使用过程中也像瑞士手表，彼此之间没有区别，所以我们不必让管理系统如此复杂。至少，不需要测量单个电压，不需要做平衡功能，温度传感器，整个电池组。

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。本文讨论的主题就是动力电池单体及其模组的不一致性的成因。

1 电池单体不一致的原因

锂电池单体的主要结构包括正极、正极集流体、负极、负极集流体、隔膜和电解质。这些组件最终可以挖掘出性能不一致的根源。

1.1 制造过程

第一个原因是基础工业水平决定的材料精度和纯度的不稳定性导致了最终产品性能的不一致性。使用不同批次的正极、负极和电解质，生产的电池单体一般不能混合。即使分选过程中的参数非常一致，分选方法也不能反映未来一段时间后电池的状态，因此目前的处理方法是避免混合使用。

另一个原因是电池生产过程中的工艺一致性。电池生产工艺复杂，一般工艺如下。

在整个过程中，每个过程的一致性都非常重要，但最难保证的是涂层过程。涂层厚度、均匀性和材料活性不易通过机械手段严格控制，是造成单体差异的主要过程。制造过程中的差异只能在分选过程中得到弥补。

1.2 使用过程

回收过程

单体在整个电池组中的位置不同，包裹在模块中心的单体与模块最外层的单体有很大的不同；

与模块集流铜排的相对位置不能带来单体热环境的不一致性。铜排是一种良好的热导体，其散热能力高于电池单体。与集流铜排相比，电池的不同位置会导致不同的散热条件。

研究表明，在工作过程中，温度不一致会对电池的不一致性产生最显著的影响，使电池从不一致到更大的不一致。

不同的热环境叠加在一起，导致单个工作温度条件的差异。高温工作导致住宿恶化，恶化后内阻升高，并返回以提高电池温升。不同的热环境是负反馈的开始。

静置过程

静置在使用过程中，想象单体在电动汽车中。停车状态，车上所有电源都断了，包括电池组的热管理系统（如果电池组有热管理系统），电池组处于自然温度场。影响是电池的相对位置，导致不同的热环境。

每个电池与电池组外壳之间的距离不同，受外部温度变化的影响程度也不同。不同电池的温度条件在达到热平衡之前是不同的。

工作过的公司曾经有这样一个要求，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小时后，再进行收货检查，使电池达到热平衡和内部电化学状态稳定。

在静态过程中，电池性能参数的变化趋势也不同，如自放电。

2 模块不一致的原因

2.1 制造过程

首先，电池的不一致性必然会传递到模块上。成型后的模块首次反映了电池分选的重要性。

其次，电池单体焊接、夹紧、串并联，形成模块。加工过程中的工艺不一致，必然导致模块与模块的不一致。最直观的特征是模块的内阻。

焊接工艺的不一致很容易导致焊接电阻的差异。电池内阻的数量级是几毫欧或十毫欧，对于锂电池模块来说，焊接产生的电阻的轻微不一致一个小问题。

第三，铜排或高压导线连接在模块内部和模块之间，其自身的尺寸、连接方式和表面处理也会影响模块的一致性，主要反映在模块的内阻上。除了加工过程外，还不能考虑连接电阻值的影响。

2.2 模块使用过程

2.2.1 制造过程中产生的内阻不一致，到达模块应用的环境会反映在发热不一致和电池端电压采集结果的影响上。

电阻值不均匀导致发热不均匀，不再重复。本节描述了对电压收集的影响。电池管理系统收集每个电池的端电压，其中一个可以由几个单个电池并联组成。

以我实际应用的例子为例。电压采集方法是焊接电压测量电路的两个采样点，或将螺钉连接到电池的两端。如果模块与模块之间的导线连接过长，则需要将电压采集点连接到导线的两端（在教科书中，我们认为导线上的任何点都有相同的电位，但事实并非如此）。导线长度会影响电压采集结果。可以想象，焊点或螺钉连接效果的不一致必然会导致电压采集结果的不一致。

一般来说，理论原因是这样的。在动态电池端电压采集过程中，电池可以简化为理论电压源和电阻串联电学模型。当电路中有工作电流流时，管理系统测量的电压并不等于电池的开路电压。放电过程中，测量值为电压源电位与内阻端电压之间的差异；充电过程中，测量值为电压源电位与内阻端电压之和。

2.2.2 电池组的不同设备位置使环境温度对内部模块的一致性有不同的影响。有些人把电池组放在车辆后备箱里，远离地面；有些放在底盘下，是车辆位置最低的部件，非常接近地面；有些混合动力车辆，电池组位置非常接近发动机。不同的外部环境和热源条件会导致电池组中不同位置模块温度条件的差异。

2.2.3 不同的连接方式对模块在使用中的一致性也有不同的影响。焊接连接点，如果表面处理不好，氧化腐蚀，其电阻自然会增加。无腐蚀焊点，电阻不同于腐蚀焊点，焊点内阻和芯内阻的相对影响也发生了变化。

如果使用螺钉连接，一般需要选择防松动螺钉。在高速运动的电动汽车中，会产生各种频率的振动。负责电连接的螺钉松动，从内阻变化到系统报警甚至停电。

参考：

研究锂动力电池动态一致性评价方法

车用锂离子动力电池组的一致性研究

（图片来自互联网）