电动汽车动力电池配组工艺研究进展

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动态特性（曲线）配组法
电池的特性是通过充放电过程中其端电压的变化反映。电池端电压的变化间接体现电池充放电容量、 内阻、表面温升、充放电平台、电极极化程度、ΔV 出现时间、寿命等指标随时间变化的规律。因此，充 放电电压特性一致的电池在电化学特性上具有很好的一致性。动态特性配组的原理是模拟电池组的实际使 用情况，设置一定的测试环境和条件，统一、相同地施加到各单体电池（设为 n 个）上。通过对获得的充 放电曲线进行相似性分析和比较，把特性相近的单体电池（实质是充放电曲线相似）组合成组，使各单体 电池的性能最接近，其性能和寿命得到提高，充分发挥各单体电池性能。 单毅[11]通过对充放电曲线的研究，发现它能够较全面地反映电池的特性，因此是合适的分选参数。大 电流对电池性能差异有放大效果，实际使用时一般将串联电池组最大工作电流下的充放电曲线作为单体锂 离子电池的特征曲线进行分选。采用在充放电曲线上选取特征点的方法，以不同电池对应特征点之间的欧 式距离为指标，采用层次聚类的方法，通过统计分析软件 Statistical Analysis System(SAS)的计算，得到单 体电池之间的差异程度。按照差异程度可以再进一步分选分类，结果表明通过分选后组合的电池组没有发 生容量快速衰减和内阻快速增加，电池组的充放电曲线也很稳定，没有明显的波动。 闻涛等[12]在“一种基于电池特征向量的锂离子电池配组方法”专利中提供了一种基于电池特征向量的 锂离子电池配组方法。在该配组方法中，配组参数除包括 0.2 C 容量、恒压充电容量与恒流充电容量比值、 放电结束后电压恢复度（放电结束后稳定电压值/下限电压）等常规参数外，其还包括单体电池的电压特征 向量 Y ( y1 , y2 ,..., yn ) 与标准电压特征向量 S ( s1 , s2 ,..., sn ) 之间的相关系数 rYS 。相关系数的定义如下：
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多参数配组法
多参数配组法通过容量、压差、电压平台、自放电率及内阻等多个外部参数对锂离子动力电池综合性 能评定，因为选取的外部特征值较多，能一定程度反映电池内部实际特征值的差异，可以分选出一致性较 好的电池组。 申建斌[6]等采集了 100 个合格锂离子电池的 6 项性能参数 （老化前后电压、 容量、 内阻、 1C 放电平台、 [7] 电芯厚度） ，运用主成分分析（PCA） 、核主成分分析（KPCA） 、随机森林 （RF）3 种无监督聚类方法， 对数据结构进行研究。结果表明，数据指标之间存在复杂的非线性关系，随机森林（RF）数据在低维空间 显然形成 4 类，任意从中选 4 个电池组成电池组作循环性能仿真测试，结果显示由该方法挑选出的单体电 池具有较好的一致性。此外，分析变量的重要程度的结果表明，容量、内阻、平台的聚类贡献最大，但是 其他变量对聚类也有不可忽视的贡献，这也从侧面说明多参数配组需要引入更多的参数。
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rYS
( y Y )(s S )
i 1 i i
n
( y Y ) (s S )
i 1 i i 1 i
n
n
(1)
式中： yi 表示待分选电池电压特征向量的第 i 维，即第 i 个数据点； n 表示向量的维数，即电池电压数据 点的个数； Y 表示待分选电池电压特征向量的平均值； si 表示标准电压特征向量的第 i 维， S 表示标准电 压特征向量的平均值。 采集单体电池的电压数据用于计算对应电池的相关系数，电压数据同时包括充电电压数据和放电电压 数据。单体电池的相关系数越接近 1，则说明单体电池的充放电曲线越接近标准充放电曲线，各单体电池 的性能相似度也即越高。该配组工艺选择单体电池电压的相关系数，再结合其他常规配组参数（容量、自 放电率等） 能够优选出一致性较好的电池。 由于标准电压特征向量是根据批量生产的电池数据进行确定的， 因此该配组工艺实现的难点在于如何确定合适的标准电压特征向量，并且每批电池的标准电压特征向量由 于原材料的差异、制造工艺的波动等因素也可能不同，这无疑增加了配组工艺实施的难度和复杂性。 赵亚锋等[13]基于动态特性配组的思想，利用容量、海明距离和相关系数相结合的方案进行配组。在模 糊数学中，两个模糊集的海明距离越小，则说明这两个模糊集越接近，其实质为两模糊集相对变化的幅度 小，数学意义为两条曲线所围的面积越小，接近度越高。海明距离公式如下：
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徐春明等[8]在“一种动力锂离子二次电池的配组方法”专利中提出了一种结合容量和压降分选的多参 数配组工艺。具体步骤为：①对电池在 0.2C 电流下进行容量分选；②对容量分选合格的电池充电至 50% 额定容量，分别测试 24h 和 168 h 后的电压 V1 和 V2，得到压降值 V1~V2，根据压降即可进行进一步分选； ③将压降合格的单体电池满充，并联 4 h 以上，使任意两个单体电池间电压小于等于 1 mV；④将上一步合 格电池串联放电，至任意一个电池达到截止电压后停止放电，记录放电结束 1h 后各电池电压值；⑤根据 配组需要的串联电池个数及上一步放电结束后各电池电压值设定配组压差标准，将符合压差标准的电池进 行配组。在该配组工艺中，整体考虑了电池容量（第 1 步） 、自放电率（第 2 步） ，模拟电池放电状态（第 4 步）等若干因素，同时操作上简单易行，理论上具有一定的分选效果，但是由于其在模拟电池放电状态 的第四步仅仅考虑了电池放电结束后的压差，没有对电池整个放电过程的电压偏差度进行统筹分析，因此 该配组工艺对于复杂工况下运行的电池组具有一定的局限性。 季马贵等[9]在“一种锂离子电池配组方法”专利中提出了类似的多参数配组工艺，配组参数主要包括 容量和电压差， 其中电压差通过采集电池组接通电阻性负载前后的电压值加以相减得到。 在此配组方法中， 其特点在于通过电阻性负载采用实际放电参数对电池组进行放电，能够反映出电池组实际工况下的工作状 态。由于其没有考虑各单体电池自放电的差异，在电池组在使用一段时间后，单体电池的性能差异会逐渐 显现出来，实际应用中具有一定的缺陷。 张陈斌等[10]等研究了基于统计模型的动力电池静态配组过程分析， 提出了电动汽车动力电池配组需要 遵循的基本原则： 即在挑选单体电芯经过并串联构成动力电池组的过程中， 应选择电芯的开路电压均值大， 而方差小的单体电芯，并且要求电芯的电阻的方差尽可能小，而均值也尽可能小。遵循该配组原则，能够 提高电池组的使用效率和功率输出能力。 多参数配组法考虑的配组参数较多，可以一定程度识别出单体电池内部实质差别，相比单参数配组具 有明显优势，是大多数电池制造厂所采用的配组方法，但是其选取的参数大多数是电池处于稳态时的外部 参数，如电池放电结束后稳定的电压值，其并没有对单体电池在工作状态下的参数（电压）变化情况进行 分析，即无法反映单体电池充放电过程中的电池特性（包括充放电容量、内阻、表面温升、充放电平台、 电极极化程度等）变化趋势。只有单体电池的电池特性变化趋势一致（即充放电曲线相似） ，单体电池的 性能才会趋于接近。因此，多参数配组工艺存在原理性的缺陷， 不能充分反映出动力电池之间的本质差别。
电动汽车动力电池配组工艺研究进展
马 军，李爱魁，杜 涛，刘 飞
（国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北省武汉市 430074）
摘要：动力电池作为电动汽车的核心部件之一，决定了电动汽车的基本性能。其中，动力电池在经过长期运行后， 单体之间的不一致性越来越大，严重缩短了电动汽车的的续航里程和电池组的使用寿命，甚至危及到电动汽车的 安全运行。科学合理的动力电池配组工艺能够一定程度的提高电池之间的一致性，是动力电池规模成组应用于电 动汽车所必须解决的首要问题之一。该文分别介绍了动力电池 3 种主要配组工艺（单参数配组法、多参数配组法 以及动态特性（曲线）配组法）的研究进展，同时对其发展趋势进行了展望。 关键词：锂离子电池；配组；一致性；动力电池
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引言
动力电池组作为电动汽车的动力源，其一般通过上百个或上千个单体电池以一定的串并联模式配组形 成电池模块加以应用。其中，单体电池在生产过程中，由于原材料、制造工艺、生产设备及环境等因素的 差异或波动，导致生产的单体电池性能均存在一定的差异。相关研究表明[1-4]，当单体电池成组应用时，各 单体电池之间性能的差异会导致诸如电池组容量下降、寿命缩短甚至起火爆炸等严重的后果。因此，为提 高动力电池组性能，除了提高单体电池制造工艺外，还必须采用合适的配组工艺和方法，以确保动力电池
静态容量配组法
按一定倍率的电流对电池进行充放电，由放电电流和放电时间来计算容量，按容量对电池进行分类。 这种方法简单易行，是目前我国大多数电池厂家在少量电池配组时所采用的一种方法。但是这种方法只能 说明在设定的充放电条件下的容量相同，不能反应电池的工作特性，会造成电池组寿命缩短，容量降低， 整体性能降低，这是电池组短时间内损坏的主要原因。 总体来说，单参数配组法由于考虑的因素太少，实际应用过程中缺陷较多，不适用于电动汽车动力电 池的配组。
Research Development on the Methods of Making Sets of Lithium-ion Battery
MA Jun, LI Aikui, DU Tao, LIU Fei
(Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan, 430074, Hubei Province, China)
作者简介：马军，男，硕士，中级工程师，从事储能电站研究；电话：15827621851，E-mail: majun@。 1
பைடு நூலகம்
组的长期安全运行。 针对动力电池的配组工艺，目前研究的方法主要有：单参数配组法、多参数配组法以及动态特性（曲 线）配组法等。上述方法各有优缺点，实际使用过程中往往是上述方法的组合应用。本文重点介绍了电动 汽车动力电池三种主要的配组工艺的研究进展，并展望了其发展趋势。
内阻配组法
内阻是一个重要的电池参数，绝大部分老化的电池都是因为内阻过大的原因而造成无使用价值，只能 报废，内阻可以在一定程度上反映电池性能。由于这种方法是在 1 kHz 的频率下测量得出的，所以并没有 反映电池在各种充放电情况下的匹配度。 除了上述的交流内阻配组法外，李然等[5]基于电化学阻抗谱（EIS）可以准确反映电池内部成分变化， 获取更多动力学信息和电极界面结构信息的特点，提出了多点频谱法，其选取特定频谱测试电池阻抗，用 测量结果模拟阻抗谱曲线并进行现场测试，测试结果表明多点频谱法能够提高电池分选精度，解决了电化 学阻抗谱耗时长，分选难度大，无法应用于实际生产的缺点，但是该方法应用于不同电池上的差异性还有 待进一步研究。 2.3