多芯鋰離子電池組的一致性與安全性

何鵬林,喬 月

(中國電子技術標準化研究所,北京 100007)

由多只電芯組成的鋰離子電池組大量用于筆記本電腦等用電設備[1]。與多數手機電池用的單只電芯組成的電池不同,多芯電池組中電芯之間的一致性,不僅會影響電池組的電性能,更會影響安全性能。

影響多芯鋰離子電池組各電芯一致性的因素,主要是電壓、內阻和容量等,其中電壓為電池在組裝時的初始電壓,內阻為充滿電時的交流內阻,容量為放電容量[2]。多芯電池組的一致性較差,可能會導致各電芯在充放電時的實時電壓分配不均,造成過壓充電或欠壓放電。鋰離子電池的過壓充電或欠壓放電會引起副反應,引發安全問題[3-4],因此在設計電池組及電池組的宿主設備電路時,都必須考慮避免過壓充電和欠壓放電。

目前的鋰離子電池標準中,只有IEEE 1625-2008《移動計算設備用多芯可充電電池標準》[5]對電芯的同一批次和電壓監測電路有要求,但對電芯內阻、電壓、容量的一致性具體指標,也沒有要求。其他的標準均未對一致性提出要求。

本文作者主要研究一致性對安全性的影響及防護措施,以期為鋰離子電池組的安全設計和安全評估提供依據。

1 實驗

對一致性差異對安全的影響進行實驗驗證,樣品均為LB09-A/B型 LiCoO2-石墨體系電池(深圳產)；充放電設備為HYN-BP-02A型電池測試儀(深圳產),數據記錄設備為34970A型數據采集器(美國產)。

實驗過程中的充放電電流為m×C5A,充電電壓為n×4.20 V,其中 m為并聯電芯數,n為串聯級數。進行老化循環實驗時,充放電程序之間靜置10 min。當電芯的充電電壓超過4.20 V時,認為是過壓充電；放電電壓低于2.75 V時,認為是欠壓放電。實驗以未出現過壓充電和欠壓放電作為判定安全的依據。純并聯電池組,各組成電芯的電壓始終相等,即便一致性差也難以造成過壓充電和欠壓放電,因此主要研究串聯和混聯電池組的一致性與安全性的關系。

2 結果與討論

2.1 開路電位一致性

選取容量(2 150±20 mAh)和內阻(55±2 mΩ)一致性較好,而初始開路電位不一致[分別為4.17 V(1-1號)、3.83 V(1-2號)和4.17 V(1-3號)、3.48 V(1-4號)]的4只電芯,分別組成兩個串聯電芯塊,進行正常的充放電并監測實時電壓,結果見圖1。

圖1 開路電位一致性對串聯電芯塊安全性能的影響Fig.1 Effects of open circuit voltage consistency to the safety performance of series cells

從圖1可知,1-1號、1-3號樣品的最高充電電壓分別為4.43 V和4.56 V,都造成了過壓充電；1-2號、1-4號樣品的最低放電電壓分別為1.99 V和1.96 V,都造成了欠壓放電。由此可見,串聯電池組各電芯的初始電壓不一致,會引起安全問題；電壓差異越大,安全問題越嚴重。

2.2 內阻一致性

選取開路電位(3 500±10 mV)、內阻(50±2 mΩ)和容量(2 100±20 mAh)的4只電芯進行實驗。為模擬電池內阻的不同,將 RX24-100W-R1J型電阻(深圳產)與電芯串聯(見圖2),模擬一個大內阻的電芯,進行正常的充放電并監測實時電壓 U1、U2、U3和 U4,結果見圖3。

圖2 內阻一致性檢測時的電芯連接方式Fig.2 Connection for internal resistance consistency test

圖3 內阻一致性對串聯電芯塊的安全性能的影響Fig.3 Effects of internal resistance consistency to the safety performance of series cells

從圖3可知,在充電過程中,電壓 U2、U4的最高值分別為4.30 V和4.41 V,都造成了過壓充電；在放電過程中,電壓 U2、U4的最低值分別為 2.72 V、2.62 V,造成了輕微的欠壓放電。由此可見,組成串聯電池組的各電芯的內阻不一致,會引起安全問題；內阻差異越大,安全問題越嚴重。

2.3 容量一致性

選取開路電位(3 400±10 mV)和內阻(55±2 mΩ)一致性較好,而容量不一致(分別為 2 105 mAh、1 356 mAh和2 110 mAh)的 3只電芯串聯,進行一次充放電,結果見圖4。

圖4 串聯電芯塊容量一致性實驗的結果Fig.4 Test results of capability consistency for series cells

從圖4可知,樣品的最高充電電壓為4.51 V,過壓充電嚴重；最低放電電壓為1.51 V,造成了欠壓放電。

實際應用中,最常見的電芯塊是既有串聯,又有并聯的混聯電芯塊。在混聯電芯塊中,若某一只電芯或某一個并聯塊與其他電芯或電芯塊的容量一致性差,也可能會造成安全隱患。

實驗采用兩種樣品A電芯(A1—A9)和B電芯(B1—B3),A電芯和B電芯的開路電位(3 420±10 mV)和內阻(55±2 mΩ)一致性較好,容量分別為2 200±20 mAh和2 000±20 mAh。由以上樣品組成2種電池組(見圖5),進行正常的充放電并監測實時電壓,結果見圖6。

圖5 容量不一致的電芯的混聯方式Fig.5 Mix-connection for capacity consistency test

圖6 容量一致性對混聯電芯塊的安全性能的影響Fig.6 Effects of capacity consistency to the safety performance of series-parallel cells

從圖6可知,第 1組樣品中電芯A3和B1的并聯塊,最高充電電壓為4.29 V,A電芯其余樣品的并聯塊,最低放電電壓為2.69 V；第2組樣品中B電芯的并聯塊,最高充電電壓為4.34 V,A電芯的并聯塊的最低放電電壓為2.65 V。這些電壓均超出了2.75～4.20 V的安全范圍,說明在混聯電芯塊中任一電芯的一致性與其他電芯不一致,都可能會造成安全隱患。

2.4 老化一致性

隨著使用壽命的增長,各電芯之間的一致性因素會發生變化,如電芯的容量會變小,但不同電芯的變化程度不同。即使是在組裝初期一致性很好的電池組,在循環老化一段時間后的一致性也會出現差異。對相同初始容量(700 mAh)的兩只電池(4-1號和4-2號樣品)按照前面規定的充放電條件進行循環老化,老化后的容量差異見圖7。

圖7 電池組循環150次的容量變化Fig.7 The capacity change of batteries at 150 cycles

從圖7可知,兩種電池組的容量變化隨循環次數的增加不完全一致,在第150次循環時的差值約為50 mAh。鋰離子電池的容量、內阻等參數可能會隨著電池的循環老化而產生差異,一致性不但與電池的初始參數有關,還與老化特性有關,因此應盡量選擇特性一致的電芯進行組裝。

3 結論

通過上述分析和實驗驗證可知,在多芯串聯或混聯電池組中,電芯的初始開路電位、內阻和容量差異都有可能引起過壓充電和欠壓放電,從而導致安全問題。因此在電池組的設計生產過程中應盡量保證電芯的一致性。

通過兩種途徑,可以避免一致性差造成的危害:①在封裝前對電芯進行篩選；②增加一致性監測電路。直接對電芯進行一致性篩選,可避免在電池組使用初期出現的一致性問題,卻不能保證使用一段時間后的一致性。

采用一致性監測電路,如電壓監測電路,可解決循環老化后的一致性問題,但由于當一致性差時,監測電路會切斷充放電電路,因而性能會降低。由此可見,安全與性能在一定程度上是矛盾的,應盡量在安全和性能之間尋找平衡點。

[1]HUANG Ke-long(黃可龍),W ANG Zhao-xiang(王兆祥),LIU Suqin(劉素琴).鋰離子電池原理與關鍵技術[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化學工業出版社),2008.340-342.

[2]IEC 61960:2003,Secondary cells and batteries containing alkaline or other non-acid electrolytes——Secondary lithium cells and batteries for portable application[S].

[3]WU Yu-ping(吳宇平),WAN Chun-rong(萬春榮),JIANG Chang-yin(姜長印).鋰離子二次電池[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化學工業出版社),2002.326-329.

[4]GUO Bing-kun(郭炳?),XU Hui(徐徽),WANG Xian-you(王先友),et al.鋰離子電池[M].Changsha(長沙):Central South U-niversity Press(中南大學出版社),2002.383-384.

[5]IEEE 1625-2008.IEEE standard for rechargeable batteries for multi-cell mobile computing devices[S].