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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備[1]。與多數(shù)手機(jī)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(huì)影響電池組的電性能,更會(huì)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(nèi)阻和容量等,其中電壓為電池在組裝時(shí)的初始電壓,內(nèi)阻為充滿電時(shí)的交流內(nèi)阻,容量為放電容量[2]。多芯電池組的一致性較差,可能會(huì)導(dǎo)致各電芯在充放電時(shí)的實(shí)時(shí)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(huì)引起副反應(yīng),引發(fā)安全問題[3-4],因此在設(shè)計(jì)電池組及電池組的宿主設(shè)備電路時(shí),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(biāo)準(zhǔn)中,只有IEEE 1625-2008《移動(dòng)計(jì)算設(shè)備用多芯可充電電池標(biāo)準(zhǔn)》[5]對電芯的同一批次和電壓監(jiān)測電路有要求,但對電芯內(nèi)阻、電壓、容量的一致性具體指標(biāo),也沒有要求。其他的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)措施,以期為鋰離子電池組的安全設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

對一致性差異對安全的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,樣品均為LB09-A/B型 LiCoO2-石墨體系電池(深圳產(chǎn))；充放電設(shè)備為HYN-BP-02A型電池測試儀(深圳產(chǎn)),數(shù)據(jù)記錄設(shè)備為34970A型數(shù)據(jù)采集器(美國產(chǎn))。

實(shí)驗(yàn)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(lián)電芯數(shù),n為串聯(lián)級(jí)數(shù)。進(jìn)行老化循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí),充放電程序之間靜置10 min。當(dāng)電芯的充電電壓超過4.20 V時(shí),認(rèn)為是過壓充電；放電電壓低于2.75 V時(shí),認(rèn)為是欠壓放電。實(shí)驗(yàn)以未出現(xiàn)過壓充電和欠壓放電作為判定安全的依據(jù)。純并聯(lián)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(lián)和混聯(lián)電池組的一致性與安全性的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 開路電位一致性

選取容量(2 150±20 mAh)和內(nèi)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(hào))、3.83 V(1-2號(hào))和4.17 V(1-3號(hào))、3.48 V(1-4號(hào))]的4只電芯,分別組成兩個(gè)串聯(lián)電芯塊,進(jìn)行正常的充放電并監(jiān)測實(shí)時(shí)電壓,結(jié)果見圖1。

圖1 開路電位一致性對串聯(lián)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(hào)、1-3號(hào)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(hào)、1-4號(hào)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(lián)電池組各電芯的初始電壓不一致,會(huì)引起安全問題；電壓差異越大,安全問題越嚴(yán)重。

2.2 內(nèi)阻一致性

選取開路電位(3 500±10 mV)、內(nèi)阻(50±2 mΩ)和容量(2 100±20 mAh)的4只電芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為模擬電池內(nèi)阻的不同,將 RX24-100W-R1J型電阻(深圳產(chǎn))與電芯串聯(lián)(見圖2),模擬一個(gè)大內(nèi)阻的電芯,進(jìn)行正常的充放電并監(jiān)測實(shí)時(shí)電壓 U1、U2、U3和 U4,結(jié)果見圖3。

圖2 內(nèi)阻一致性檢測時(shí)的電芯連接方式Fig.2 Connection for internal resistance consistency test

圖3 內(nèi)阻一致性對串聯(lián)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(lián)電池組的各電芯的內(nèi)阻不一致,會(huì)引起安全問題；內(nèi)阻差異越大,安全問題越嚴(yán)重。

2.3 容量一致性

選取開路電位(3 400±10 mV)和內(nèi)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(lián),進(jìn)行一次充放電,結(jié)果見圖4。

圖4 串聯(lián)電芯塊容量一致性實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(yán)重；最低放電電壓為1.51 V,造成了欠壓放電。

實(shí)際應(yīng)用中,最常見的電芯塊是既有串聯(lián),又有并聯(lián)的混聯(lián)電芯塊。在混聯(lián)電芯塊中,若某一只電芯或某一個(gè)并聯(lián)塊與其他電芯或電芯塊的容量一致性差,也可能會(huì)造成安全隱患。

實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(jìn)行正常的充放電并監(jiān)測實(shí)時(shí)電壓,結(jié)果見圖6。

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

圖6 容量一致性對混聯(lián)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(lián)塊,最高充電電壓為4.29 V,A電芯其余樣品的并聯(lián)塊,最低放電電壓為2.69 V；第2組樣品中B電芯的并聯(lián)塊,最高充電電壓為4.34 V,A電芯的并聯(lián)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(lián)電芯塊中任一電芯的一致性與其他電芯不一致,都可能會(huì)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(huì)發(fā)生變化,如電芯的容量會(huì)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(huán)老化一段時(shí)間后的一致性也會(huì)出現(xiàn)差異。對相同初始容量(700 mAh)的兩只電池(4-1號(hào)和4-2號(hào)樣品)按照前面規(guī)定的充放電條件進(jìn)行循環(huán)老化,老化后的容量差異見圖7。

圖7 電池組循環(huán)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(huán)次數(shù)的增加不完全一致,在第150次循環(huán)時(shí)的差值約為50 mAh。鋰離子電池的容量、內(nèi)阻等參數(shù)可能會(huì)隨著電池的循環(huán)老化而產(chǎn)生差異,一致性不但與電池的初始參數(shù)有關(guān),還與老化特性有關(guān),因此應(yīng)盡量選擇特性一致的電芯進(jìn)行組裝。

3 結(jié)論

通過上述分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,在多芯串聯(lián)或混聯(lián)電池組中,電芯的初始開路電位、內(nèi)阻和容量差異都有可能引起過壓充電和欠壓放電,從而導(dǎo)致安全問題。因此在電池組的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中應(yīng)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(jìn)行篩選；②增加一致性監(jiān)測電路。直接對電芯進(jìn)行一致性篩選,可避免在電池組使用初期出現(xiàn)的一致性問題,卻不能保證使用一段時(shí)間后的一致性。

采用一致性監(jiān)測電路,如電壓監(jiān)測電路,可解決循環(huán)老化后的一致性問題,但由于當(dāng)一致性差時(shí),監(jiān)測電路會(huì)切斷充放電電路,因而性能會(huì)降低。由此可見,安全與性能在一定程度上是矛盾的,應(yīng)盡量在安全和性能之間尋找平衡點(diǎn)。

[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(guān)鍵技術(shù)[M].Beijing(北京):Chemical Industry Press(化學(xué)工業(yè)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(xué)工業(yè)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(xué)出版社),2002.383-384.

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