容量差對電動工具用鋰離子電池組性能的影響

孫萬成，張建忠，楊清欣，張慕蓉，王興威

(1.江蘇蘇美達五金工具有限公司，江蘇南京210032；2.江蘇海四達電源股份有限公司，江蘇啟東226200)

在電動工具用鋰離子電池組的應用中，各單體電池的性能總會存在差異[1]。隨著循環(huán)的進行，容量偏低的鋰離子電池的性能會越來越差，成為串聯(lián)電池組容量快速下降的主要原因[2]。單體電池在設計制造過程中，總會存在差異。即使通過嚴格的篩選，這種差異隨著循環(huán)的進行逐步顯著[1]。目前電動工具用鋰離子電池組通常要求組內容量差在20 mAh以內。

本文通過對電池組不同容量差異的10C放電循環(huán)進行測試比較，對電池組容量差與其循環(huán)壽命、放電平臺的關系進行分析。

1 實驗

采用ISR18650PC-1300電池(江蘇海四達電源股份有限公司制造)組合成4串電池組，HT-V20C10D20-8動力電池自動檢測裝置(廣州擎天制造)測試電池組性能，HIOKI8421-51數(shù)據記錄儀(日本制造)記錄相關數(shù)據。

1.1 電池組的容量差的選擇

選擇 4串電池組 A、B、C、D容量差分別為 20、30、50、80 mAh同組電池的容量3支高，1支低的電池組作為測試用的電池組。E、F容量差和D一樣都為80 mAh，其中E為2支容量高2支容量低、F為1支容量高3支容量低。分別進行比較測試如表1。

表1 樣品電池組單體電池容量 mAh

1.2 測試條件及方法

在(23±3)℃的條件下，電池組在不帶保護板的情況下，用1.3 A恒流充電到16.8 V，在16.8 V條件下恒壓充電，截止電流為50 mA，擱置10 min，13 A恒流放電到11 V，擱置30 min，循環(huán)300次。分別在第1次、100次、300次檢測每支電池的充、放電數(shù)據。

2 結果與討論

2.1 對放電平臺的影響

以單支電池容量偏低為例，分別選取容量差為20、30、50、80 mAh的電池組A、B、C、D(容量差見表1)電池組測試10C放電，結果見圖1。

從電池組放電曲線看，容量差在80 mAh以內對電池組首次放電平臺幾乎沒有影響，但在300次以后略有差異，D組的放電平臺略低于其他三組電池，D組電池的容量在300次以后低于其他三組電池。

以80 mAh為例，分別選用1、2、3支電池容量偏低的D、E、F(容量差見表1)電池組測試10C放電，結果見圖2。

圖2 D、E、F電池組10 C放電曲線

從放電曲線可以看出，電池組在初次10C放電時，D、E、F的中值電壓幾乎一樣，300次以后D組電池的平臺低于其他2組電池。

2.2 不同容量差的電池組在不同循環(huán)階段同組電池中單體電池的放電狀態(tài)

經過比較不同容量差的電池組在10C放電循環(huán)測試時，觀察不同階段的單體電池的放電狀態(tài)，可以觀察到電池的衰減情況(見圖3)。

電池組在第1次做充放電時就可以看出，由于同一組電池存在容量差異，其充放電存在差異。在同組電池中，單體電池容量最小的電池放電終止電壓最低(見表2，圖3)。

對于單支電池容量偏低的電池組容量差在50 mAh以上，該電池的平臺低于同組內的其他電池。

圖3 電池組首次10 C放電組內電池放電曲線

經過300次循環(huán)，容量差在30 mAh以內的的電池組，組內電池的10C放電時差異不大，但50 mAh以上的電池組組內電池差異變大，單支電池容量偏低的電池放電終止電壓明顯偏低，單支電池容量高的電池組差異不大(見表3，圖4)。

2.3 容量差對循環(huán)壽命的影響

經過 10C放電循環(huán) 300次測試，A、B、C、D、E、F的容量保持分別為 92.54%、92.33%、89.26%、84.31%、88.90%、91.60%。

從圖5可以看出，循環(huán)壽命A、B、F最好，D最差。單支電池容量偏低的電池組中，容量差越大對循環(huán)壽命影響越大。容量差在30 mAh以內對循環(huán)壽命影響不大，容量差為50 mAh略有影響，容量差為80 mAh影響最大。在相同的容量差電池組中，單支電池容量偏低的電池組D循環(huán)壽命最差，3支電池容量偏低的電池組F循環(huán)壽命最好。

從第300次充電曲線(圖6)可以看出，D組電池中D-4電池充電電壓為4.239 5 V明顯偏高，放電終止電壓為2.010 5 V偏低，導致該電池長時間過充過放，使整組電池衰減明顯。

圖4 電池組300次10 C放電組內電池放電曲線

表2 第1次10 C放電到終止電壓時同組電池的最低電壓值

圖5 循環(huán)壽命

表3 第300次10 C放電到終止電壓時同組電池的最低電壓值

圖6 第300次充電曲線

3 結論

綜上所述，在電池組循環(huán)測試中，容量差對電池組循環(huán)有較大影響。對于4串電池組來說，單支電池容量偏低的電池組中，容量差越大對電池組壽命影響越大。30 mAh以內的容量差對電池組壽命影響不大，50 mAh容量差的電池組有一定影響，80 mAh影響最大。在相同的容量差的電池組中，低容量電池數(shù)越多，對循環(huán)壽命影響越小。

[1]吳赟，蔣新華，解晶瑩.鋰離子電池循環(huán)壽命快速衰減的原因[J].電池，2009，39(4)：206-207.

[2]吳國良.鋰離子電池荷電貯存性能的研究[J].電池，2007，37(4)：275-277.