锂离子电池组循环寿命快速评估方法研究_郭佩
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参考文献
[1] Directive 2004/108/EC of the European Parliament and of the Council on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility and repealing Directive 89/336/EEC[S/OL]. 2004-01-25[2015-08-10]. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L: 2004:390:0024:0037:EN:PDF.
为了证明上述分析，我们对某个由 2 个单个电池组 成的电池组进行了充 / 放电循环测试，得到下述结论：
2015 年第 4 期 安全与电磁兼容 41
TESTING & MEASUREMENT
图 1 电池充放电测试的典型电压曲线
1）串联电池组放电至 6.0 V 时，由于电池不一致， 电池 1 放电至（3.0+δ1/2）V, 电池 2 放电至（3.0-δ1/2）V, δ1 是放电终止时的电池端电压差值。大量测试数据表明， δ1 随着循环次数增加不断增大。
2）串联电池组充电至 8.4 V 时，由于电池不一致， 电池 1 充电至（4.2-δ2/2）V, 电池 2 充电至（4.2+δ2/2）V, δ2 是充电终止时的电池端电压差值。大量循环测试数据 表明，δ2 也可能为负数，绝对值较小且没有随循环周期 数增大而有大的起伏。
之前的研究表明，单体锂离子电池的使用环境温 度、充电电流、充电电压、放电截止电压、使用方式、 存放时的荷电状态、存放时的环境温度、充电方式，都 对锂离子电池的寿命衰减有影响，欠压放电、过压充电、 高倍率充放电都会加速单体锂离子电池的容量衰减。
2 电池一致性对电池组循环寿命的影响
对电池组进行充放电循环测试时，一般通过数据 采集器监测电池组中单个电池的电压数据。图 1 是比较 典型的充放电测试中电池电压曲线。
图 1 表明，串联电池组中存在单个电池放电时电压 下降较其他电池更快的现象，放电终止前该电池与其他 电池存在明显的电压差值。而在充电时电压上升较快， 但是与其他电池的电压差值并不明显。
上述曲线拟合之后的结果为：y=0.0009x+0.0198。 （下转第 47 页）
42 SAFETY & EMC No.4 2015
认证与标志
RED 的全面实施，所有在 9 kHz 以下的发射器的适用指 令将从 EMC 指令移到 RED。
根据 RED 的规定，不再有上限或下限电压的限制， 这意味着所有的广播接收器，不论是 AC 或 DC 电源， 将必须符合所对应的电气安全要求。
使用放电容量相差较大且不带保护电路的电池串 联进行循环测试：其中 2 号电池放电容量约为 1、3 号 电池容量的一半。测试结果表明，2 号电池在充电时最 高电压达到了 4.51 V。如果该电池组拥有保护电路（市
面一般的过压充电保护值都在 4.51 V 以下），针对该 电池组进行循环测试过程中将会触发保护装置动作，强 制停止测试。
电池组中的电池本身的放电容量会随着电池组循 环次数而衰减。电池 2 在电池组循环寿命测试放电过程 中，每次放电终止时电压越来越低，直至进入欠压放电； 充电过程电池 2 又率先达到乃至超过恒压充电电压；电 池 2 的容量衰减较快，其充放电电流倍率较高。上述因 素叠加，随着循环次数增加，电池组放电容量加速衰减。 因此，单个电池循环寿命较差的电池组、组成电池间一 致性较差的电池组，都将会率先进入容量快速衰减状态。
池的循环寿命。该标准对锂离子电池组和电池提出了不 一样的循环寿命要求：电池 400 次循环，电池组 300 次 循环后，要求放电容量不低于额定容量的 60%。
其他标准针对电池组的组成电池的一致性提 出 了 要 求 或 者 建 议， 例 如 美 国 军 用 电 池 标 准 MILPRF-32383 中，对于锂离子电池组，要求其内部每个 电池的容量应在所有电池平均容量的 ±2.5% 范围内； GJB 4477-2002 中，要求在生产过程中应对单体电池内 阻一致性进行控制，组成蓄电池组的各个单体电池的容 量偏差不应超过该组单体电池平均容量值的 ±3%。其 他标准中，如 GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离 子电池和电池组 安全要求》附录 B 和 QCT 743-2006《电 动汽车用锂离子蓄电池》的附录 A 中，都有相应的电 池组组成电池一致性要求或分析方法。
测试与测量
锂离子电池组循环寿命快速评估方法研究
Research on Quick Evaluation Method of Li-ion Battery' s Cycle Life
中国电子技术标准化研究院 郭佩
摘要 分析现有标准中锂离子电池组循环寿命测试方法和对电池一致性的要求及建议，研究串联锂离子电
4 锂离子电池组循环寿命快速评估方法研究
基于前文的分析，对于电池组的循环寿命进行评 估方法，应该考虑两个方面的内容：
一是组成电池的循环能力。组成电池组的电池容 量衰减越慢，锂离子电池组循环寿命越好。电池组循环 寿命低于任何一个组成电池的循环寿命，也就是低于最 差电池的循环寿命。获得电池组组成电池的循环寿命结 果，可以直接引用电池制造商的测试数据，如果没有相 应数据，则可以采用大电流拟合曲线法，快速估测出单 体电池的循环能力。
在电池组出厂前，制造商一般都要进行筛选和配 组，不会存在上述案例中电池极端不一致性的情况。正 常出厂的电池组内部电池初始一致性比较好，充电截止 时的电池端电压不会显著扩大，很难因为单个电池过压 充电导致触发保护装置动作，一般保护电路的电池过压 充电保护电压与充电限制电压的差值在 0.2 V 以内。
放电截止时落后的单个电池电压随循环次数增加 在不断降低。在电池组初始一致性配组不好的情况下， 保护电路对单个电池的欠压保护限值设置得与电池组组 成电池放电截止电压比较接近时（例如电池组放电截止 电压 3.0 V/ 电池，电池欠压保护动作电压为 2.8 V 甚至 更高），将有可能在循环寿命测试阶段出现寿命突然终 止的情况。一般在进行电池组循环寿命测试时，电池组 保护电路对电池的欠压放电保护限值设置较低，这样在 试验完成时，组成电池的终端电压可能依然没有达到触 发保护装置动作的条件。
3 电池保护电流限值对于锂离子电池组循环寿 命测试的影响
一般电池保护电路只针对电池的安全电压和回路 的安全电流做出保护，安全保护限值本身不会影响电池 组及内部电池的循环寿命测试（带有自动均衡的保护电 路会显著改善电池组的循环性能，其机理更加复杂，不 在本文研究范围内）。随着循环测试循环次数的增加， 其单个电池间不一致性更加显著，当电池电压逐渐接近 保护限值时，可能造成保护装置动作而切断回路，循环 寿命测试将突然终止。
1 标准对循环寿命及电池一致性的要求
锂离子电池的标准中往往会针对电池循环寿命提 出要求。通常是考核电池按照指定条件进行充放电循环， 其放电容量达到初始放电容量一定比例时的充放电循环 次数。例如，GJB 4477-2002《锂离子蓄电池组通用规 范》要求循环次数 400 次时的放电容量限值为额定容量 的 70%。而 GB/T 18287-2013《移动电话用锂离子蓄电 池及蓄电池组总规范》指出，由于组成电池的差异会对 电池循环寿命造成影响，电池组循环寿命应低于组成电
池组中组成电池之间的差异情况，总结出串联电池组循环寿命因为单体电池容量加速衰减而迅速下降的 原因，并针对锂离子电池组循环寿命测试周期过长的问题给出了一种快速评估其循环寿命的方法。 关键词锂离子电池组；循环寿命；源自池一致性；快速评估 Abstract
Test method of cycle life and cell consistent requirements in the existing standards about li-ion battery are introduced. Inner cell differences in the series li-ion battery pack are studied, and the reason why the capacity of battery pack decays and declines rapidly on the cycle life test are summarize. Based on the analysis, a rapid assessment method of the cycle life of lithium ion battery is given.
二是针对组成电池的一致性进行评估。初始一致性 较差，并且一致性程度随着循环进行而迅速恶化的电池组， 落后电池将迅速进入容量快速衰减通道，从而影响整个电 池组的循环性能。前文针对放电终止时组成电池的负载电 压进行了研究，笔者认为这是唯一能够在电池组充放电循 环中既方便监测又具有一致性代表意义的参数。
研究放电终止时组成电池的一致性随着循环测试 进行出现的变化，可以得到电池组组成电池的不一致程 度的初始值和蔓延情况。图 2 是 1 串由两个单个电池组 成的锂离子电池组进行循环测试中采集的放电结束时电 池端电压差（采样周期 5 s）与循环次数绘成的曲线图。 由图 2 可知，放电结束时电池端电压差 y 随着循环进行 次数 x 大致呈线性关系。
[3] Directive 2014/35/EU of the European Parliament and of the Council of 26 February 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of electrical equipment designed for use within certain voltage limits[S/OL]. 2014-05-29[2015-08-10] http://eur-lex.europa. eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1439860715586&uri=CELEX:3 2014L0035.
[2] Directive 2014/53/EU of the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of radio equipment and repealing Directive 1999/5/ EC[S/OL]. 2014-05-22[2015-08-10]. http://eur-lex.europa. eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1439860537934&uri=CELE: 32014L0053.
Keywords
li-ion battery; cycle life; cell balance; quick evaluation
引言
锂离子电池和电池组在多次循环使用后，其容量 会逐渐减少，当容量减少到一定程度时可认为电池寿命 终止。许多标准规定了锂离子电池和电池组循环寿命的 测试方法和要求，但往往试验周期过长，完成一项循环 寿命测试需要耗时半年乃至更长时间。对于锂离子电池， 现有的研究表明，通过增加循环寿命测试的充放电电流， 可以大大减少每个循环测试的时间；通过拟合曲线的方 法，可能仅需要进行部分测试循环即可估算出循环寿命 [1]。然而，对于多个电池串联起来的锂离子电池组，由 于组成电池组的电池间的不一致性，其循环寿命的标准 要求及表现与单体电池不同，且电池组循环寿命的影响 因素更为复杂。本文将对串联锂离子电池组循环寿命的 影响因素进行分析，并结合分析提出一种快速评估锂离 子电池组循环寿命的方法。
[1] Directive 2004/108/EC of the European Parliament and of the Council on the approximation of the laws of the Member States relating to electromagnetic compatibility and repealing Directive 89/336/EEC[S/OL]. 2004-01-25[2015-08-10]. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L: 2004:390:0024:0037:EN:PDF.
为了证明上述分析，我们对某个由 2 个单个电池组 成的电池组进行了充 / 放电循环测试，得到下述结论：
2015 年第 4 期 安全与电磁兼容 41
TESTING & MEASUREMENT
图 1 电池充放电测试的典型电压曲线
1）串联电池组放电至 6.0 V 时，由于电池不一致， 电池 1 放电至（3.0+δ1/2）V, 电池 2 放电至（3.0-δ1/2）V, δ1 是放电终止时的电池端电压差值。大量测试数据表明， δ1 随着循环次数增加不断增大。
2）串联电池组充电至 8.4 V 时，由于电池不一致， 电池 1 充电至（4.2-δ2/2）V, 电池 2 充电至（4.2+δ2/2）V, δ2 是充电终止时的电池端电压差值。大量循环测试数据 表明，δ2 也可能为负数，绝对值较小且没有随循环周期 数增大而有大的起伏。
之前的研究表明，单体锂离子电池的使用环境温 度、充电电流、充电电压、放电截止电压、使用方式、 存放时的荷电状态、存放时的环境温度、充电方式，都 对锂离子电池的寿命衰减有影响，欠压放电、过压充电、 高倍率充放电都会加速单体锂离子电池的容量衰减。
2 电池一致性对电池组循环寿命的影响
对电池组进行充放电循环测试时，一般通过数据 采集器监测电池组中单个电池的电压数据。图 1 是比较 典型的充放电测试中电池电压曲线。
图 1 表明，串联电池组中存在单个电池放电时电压 下降较其他电池更快的现象，放电终止前该电池与其他 电池存在明显的电压差值。而在充电时电压上升较快， 但是与其他电池的电压差值并不明显。
上述曲线拟合之后的结果为：y=0.0009x+0.0198。 （下转第 47 页）
42 SAFETY & EMC No.4 2015
认证与标志
RED 的全面实施，所有在 9 kHz 以下的发射器的适用指 令将从 EMC 指令移到 RED。
根据 RED 的规定，不再有上限或下限电压的限制， 这意味着所有的广播接收器，不论是 AC 或 DC 电源， 将必须符合所对应的电气安全要求。
使用放电容量相差较大且不带保护电路的电池串 联进行循环测试：其中 2 号电池放电容量约为 1、3 号 电池容量的一半。测试结果表明，2 号电池在充电时最 高电压达到了 4.51 V。如果该电池组拥有保护电路（市
面一般的过压充电保护值都在 4.51 V 以下），针对该 电池组进行循环测试过程中将会触发保护装置动作，强 制停止测试。
电池组中的电池本身的放电容量会随着电池组循 环次数而衰减。电池 2 在电池组循环寿命测试放电过程 中，每次放电终止时电压越来越低，直至进入欠压放电； 充电过程电池 2 又率先达到乃至超过恒压充电电压；电 池 2 的容量衰减较快，其充放电电流倍率较高。上述因 素叠加，随着循环次数增加，电池组放电容量加速衰减。 因此，单个电池循环寿命较差的电池组、组成电池间一 致性较差的电池组，都将会率先进入容量快速衰减状态。
池的循环寿命。该标准对锂离子电池组和电池提出了不 一样的循环寿命要求：电池 400 次循环，电池组 300 次 循环后，要求放电容量不低于额定容量的 60%。
其他标准针对电池组的组成电池的一致性提 出 了 要 求 或 者 建 议， 例 如 美 国 军 用 电 池 标 准 MILPRF-32383 中，对于锂离子电池组，要求其内部每个 电池的容量应在所有电池平均容量的 ±2.5% 范围内； GJB 4477-2002 中，要求在生产过程中应对单体电池内 阻一致性进行控制，组成蓄电池组的各个单体电池的容 量偏差不应超过该组单体电池平均容量值的 ±3%。其 他标准中，如 GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离 子电池和电池组 安全要求》附录 B 和 QCT 743-2006《电 动汽车用锂离子蓄电池》的附录 A 中，都有相应的电 池组组成电池一致性要求或分析方法。
测试与测量
锂离子电池组循环寿命快速评估方法研究
Research on Quick Evaluation Method of Li-ion Battery' s Cycle Life
中国电子技术标准化研究院 郭佩
摘要 分析现有标准中锂离子电池组循环寿命测试方法和对电池一致性的要求及建议，研究串联锂离子电
4 锂离子电池组循环寿命快速评估方法研究
基于前文的分析，对于电池组的循环寿命进行评 估方法，应该考虑两个方面的内容：
一是组成电池的循环能力。组成电池组的电池容 量衰减越慢，锂离子电池组循环寿命越好。电池组循环 寿命低于任何一个组成电池的循环寿命，也就是低于最 差电池的循环寿命。获得电池组组成电池的循环寿命结 果，可以直接引用电池制造商的测试数据，如果没有相 应数据，则可以采用大电流拟合曲线法，快速估测出单 体电池的循环能力。
在电池组出厂前，制造商一般都要进行筛选和配 组，不会存在上述案例中电池极端不一致性的情况。正 常出厂的电池组内部电池初始一致性比较好，充电截止 时的电池端电压不会显著扩大，很难因为单个电池过压 充电导致触发保护装置动作，一般保护电路的电池过压 充电保护电压与充电限制电压的差值在 0.2 V 以内。
放电截止时落后的单个电池电压随循环次数增加 在不断降低。在电池组初始一致性配组不好的情况下， 保护电路对单个电池的欠压保护限值设置得与电池组组 成电池放电截止电压比较接近时（例如电池组放电截止 电压 3.0 V/ 电池，电池欠压保护动作电压为 2.8 V 甚至 更高），将有可能在循环寿命测试阶段出现寿命突然终 止的情况。一般在进行电池组循环寿命测试时，电池组 保护电路对电池的欠压放电保护限值设置较低，这样在 试验完成时，组成电池的终端电压可能依然没有达到触 发保护装置动作的条件。
3 电池保护电流限值对于锂离子电池组循环寿 命测试的影响
一般电池保护电路只针对电池的安全电压和回路 的安全电流做出保护，安全保护限值本身不会影响电池 组及内部电池的循环寿命测试（带有自动均衡的保护电 路会显著改善电池组的循环性能，其机理更加复杂，不 在本文研究范围内）。随着循环测试循环次数的增加， 其单个电池间不一致性更加显著，当电池电压逐渐接近 保护限值时，可能造成保护装置动作而切断回路，循环 寿命测试将突然终止。
1 标准对循环寿命及电池一致性的要求
锂离子电池的标准中往往会针对电池循环寿命提 出要求。通常是考核电池按照指定条件进行充放电循环， 其放电容量达到初始放电容量一定比例时的充放电循环 次数。例如，GJB 4477-2002《锂离子蓄电池组通用规 范》要求循环次数 400 次时的放电容量限值为额定容量 的 70%。而 GB/T 18287-2013《移动电话用锂离子蓄电 池及蓄电池组总规范》指出，由于组成电池的差异会对 电池循环寿命造成影响，电池组循环寿命应低于组成电
池组中组成电池之间的差异情况，总结出串联电池组循环寿命因为单体电池容量加速衰减而迅速下降的 原因，并针对锂离子电池组循环寿命测试周期过长的问题给出了一种快速评估其循环寿命的方法。 关键词锂离子电池组；循环寿命；源自池一致性；快速评估 Abstract
Test method of cycle life and cell consistent requirements in the existing standards about li-ion battery are introduced. Inner cell differences in the series li-ion battery pack are studied, and the reason why the capacity of battery pack decays and declines rapidly on the cycle life test are summarize. Based on the analysis, a rapid assessment method of the cycle life of lithium ion battery is given.
二是针对组成电池的一致性进行评估。初始一致性 较差，并且一致性程度随着循环进行而迅速恶化的电池组， 落后电池将迅速进入容量快速衰减通道，从而影响整个电 池组的循环性能。前文针对放电终止时组成电池的负载电 压进行了研究，笔者认为这是唯一能够在电池组充放电循 环中既方便监测又具有一致性代表意义的参数。
研究放电终止时组成电池的一致性随着循环测试 进行出现的变化，可以得到电池组组成电池的不一致程 度的初始值和蔓延情况。图 2 是 1 串由两个单个电池组 成的锂离子电池组进行循环测试中采集的放电结束时电 池端电压差（采样周期 5 s）与循环次数绘成的曲线图。 由图 2 可知，放电结束时电池端电压差 y 随着循环进行 次数 x 大致呈线性关系。
[3] Directive 2014/35/EU of the European Parliament and of the Council of 26 February 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of electrical equipment designed for use within certain voltage limits[S/OL]. 2014-05-29[2015-08-10] http://eur-lex.europa. eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1439860715586&uri=CELEX:3 2014L0035.
[2] Directive 2014/53/EU of the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on the harmonisation of the laws of the Member States relating to the making available on the market of radio equipment and repealing Directive 1999/5/ EC[S/OL]. 2014-05-22[2015-08-10]. http://eur-lex.europa. eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1439860537934&uri=CELE: 32014L0053.
Keywords
li-ion battery; cycle life; cell balance; quick evaluation
引言
锂离子电池和电池组在多次循环使用后，其容量 会逐渐减少，当容量减少到一定程度时可认为电池寿命 终止。许多标准规定了锂离子电池和电池组循环寿命的 测试方法和要求，但往往试验周期过长，完成一项循环 寿命测试需要耗时半年乃至更长时间。对于锂离子电池， 现有的研究表明，通过增加循环寿命测试的充放电电流， 可以大大减少每个循环测试的时间；通过拟合曲线的方 法，可能仅需要进行部分测试循环即可估算出循环寿命 [1]。然而，对于多个电池串联起来的锂离子电池组，由 于组成电池组的电池间的不一致性，其循环寿命的标准 要求及表现与单体电池不同，且电池组循环寿命的影响 因素更为复杂。本文将对串联锂离子电池组循环寿命的 影响因素进行分析，并结合分析提出一种快速评估锂离 子电池组循环寿命的方法。