動力電池分容測試工藝優化分析

郎林

摘要：為了提高動力電池成組后的一致性，減少容量一致性差的影響，需要在電芯分容時進行準確的定容及分檔。本文通過優化分容的測試條件以及采用階梯放電形式進行容量標定，進而縮小容量測試結果離散度，提升容量一致性的評價可靠度。

關鍵詞：動力電池;一致性;容量分布;分容流程

中圖分類號：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0046-02

0? 引言

電芯的一致性是評估動力電池性能的一項重要指標，在模組/系統設計時會將上百支電芯進行并串聯，以達到整車的需求的電量及電壓平臺，若電芯的一致性存在差異，會直接影響到電池系統的性能及使用壽命[1]。尤其是在后期的使用過程中，可能面臨著不同惡劣的使用工況，這樣會進一步加劇這種不一致的問題，帶來整車的性能衰減或者電池的安全問題[2，3]。通常動力電池性能參數的不一致主要是指容量、內阻、開路電壓的不一致。目前，大部分的動力電池一般可以將內阻和OCV值控制在一個較小的范圍。涉及到電芯容量時，因為其分布的范圍相對較為寬，通常需要在定容后進行容量的分檔。然而，電芯在定容過程中所受到的影響因素較多，除了電芯本身的設計因素外，外部的測試溫度、充放電工步、測試設備間的電流差異等對電芯的容量也存在較大的影響[4]。若在電芯的分容配組時容量存在較偏大，會帶來的整體容量的降低以及放電末端壓差偏大等一致性的問題[5，6]。因此，本文通過優化調整電芯在定容時的放電工步，以期望獲得更為貼合實際放電工況的容量，并降低電芯的成組后的不一致性。

1? 實驗

1.1 實驗對象

本實驗的研究對象為高比能量的61Ah三元軟包動力電芯，具體參數見表1。

1.2 實驗設備

迪卡龍測試柜MCT100-05-8ME、巨孚高低溫實驗箱MEF1708-007、容量測試柜。

1.3 實驗方法

不同溫度下放電容量測試：①0.3C充電至滿電，在目標測試溫度（20℃、25℃、30℃、35℃、40℃）下靜置3h;②按照目標測試倍率（0.7C和階梯放電）進行放電。

容量分布測試：0.3C充電至滿電，在30±5℃下進行分容。

2? 分容測試流程的優化

電芯在經過化成、常溫靜置后進行單體電芯的分容測試，常規的分容工序為：單體電芯經過0.3C恒流恒壓充電，充電時間設置230min，上限設置保護電壓為4300mV，恒流至0.03C充電截止;再經過擱置2min后以0.7C進行恒流放電，下線電壓設置為2750mV;常溫靜置5min后，進入到常溫老化的自放電篩選工序。因此，若采用大倍率的放電電流進行測試，無法消除放電末端電池的極化的影響，且不符合電池在低SOC下的低功率放電使用策略。針對上述的問題，對電芯在下線分容測試的放電條件及工步進行適當的優化調整，詳見表2。

另外，針對常規分容工序，放電測試時所得到的放電容量受到放電庫位溫度差異的影響較大。因此，電芯在測試時的若庫位的溫度分布比較寬，會造成在容量測試的結果差異較大，不利于后期電芯的分容配組。如圖1所示，統計了部分庫位的溫度分布圖，內部的溫度波動范圍相對比較大，需要對電芯在分容測試時的溫度進行控制，以確保電芯容量的測試值因溫度影響的風險降至最低。優化后分容的測試的溫度范圍控制在30±5℃，并在放電過程中采用階梯放電策略，減少大電流放電時的極化及溫升對放電容量的影響。

3? 測試結果對比分析

3.1 溫度對容量影響

生產線上隨機抽取10支電芯，分別測試其在20℃、25℃、30℃、35℃、40℃五個溫度下的放電容量，放電測試工步分別按照0.7C恒流放電和0.7C-0.3C-0.03C階梯放電，測試結果如圖2所示。對比相同溫度下恒流放電和階梯流放電的結果，在末端增加小電流放電可以極大降低溫度對極化的影響，使得不同溫度下的放電容量差異縮小。從數據來看，隨著測試溫度的升高，電芯的容量差異逐漸縮小，同時考慮到電芯產線的能耗問題，將電芯的下線的測試溫度范圍控制在30±5℃。

3.2 測試工步對容量分布影響

采用調整后的分容測試工步，重新對一批次的504支電芯進行容量測試，兩種放電工步的容量對比如圖3所示。從容量分布的測試結果來看，采用0.7C-0.3C-0.03C進行的階梯放電，測試所得容量分布比較集中，同一批次電芯的標準差降低了約60%。并根據優化后的分容測試的結果，對電芯的容量進行分檔，每個檔位間隔容量為500mAh。后期采用各檔位的電芯進行配組后，可以極大的降低模組/系統端的不一致性。由圖4的容量標定值可以看出，按照階梯放電的工步得到的容量值與按照1C恒流放電的容量標定值比較接近，可以作為判定1C放電是否可以滿足大于等于61Ah的出貨要求。按照階梯放電所得到的容量分布更為集中，這更有利于電池的配組以及后續電池的一致性。

4? 總結

動力電池成組后的一致性提升，需要從電芯在動態和靜態下的多維度參數（容量、OCV、充放電曲線等）進行評估。本文從容量測試端進行優化，確保每個電芯的測試條件相同，縮小其他因素對容量測試的影響，提升容量一致性的評價可靠度。

參考文獻：

[1]謝樂瓊，王莉，田光宇，等.鋰離子電池一致性篩選新方法-串聯充放電篩選[J].電源技術，2020，044（002）：149-152，226.

[2]Harris S J ， Harris D J ， Li C . Failure statistics for commercial lithium ion batteries： A study of 24 pouch cells[J]. Journal of Power Sources， 2017， 342（FEB.28）：589-597.

[3]何鵬林，喬月.多芯鋰離子電池組的一致性與安全性[J].電池，2010，40（3）：161.

[4]鄭岳久.車用鋰離子動力電池組的一致性研究[D].清華大學，2014.

[5]王正，龐佩佩，趙付雙，等.鋰離子電池串聯一致性與電壓差的研究[J].電池工業，2017，21（01）：16-19，29.

[6]王琳霞，尚隨軍，鄭榮鵬.磷酸鐵鋰單體電芯容量篩選方法的研究[J].電源技術，2010，34（005）：458-459.