孫萬成，張建忠，楊清欣，張慕蓉，王興威

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

在電動(dòng)工具用鋰離子電池組的應(yīng)用中，各單體電池的性能總會(huì)存在差異[1]。隨著循環(huán)的進(jìn)行，容量偏低的鋰離子電池的性能會(huì)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(shè)計(jì)制造過程中，總會(huì)存在差異。即使通過嚴(yán)格的篩選，這種差異隨著循環(huán)的進(jìn)行逐步顯著[1]。目前電動(dòng)工具用鋰離子電池組通常要求組內(nèi)容量差在20 mAh以內(nèi)。

本文通過對(duì)電池組不同容量差異的10C放電循環(huán)進(jìn)行測(cè)試比較，對(duì)電池組容量差與其循環(huán)壽命、放電平臺(tái)的關(guān)系進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)

采用ISR18650PC-1300電池(江蘇海四達(dá)電源股份有限公司制造)組合成4串電池組，HT-V20C10D20-8動(dòng)力電池自動(dòng)檢測(cè)裝置(廣州擎天制造)測(cè)試電池組性能，HIOKI8421-51數(shù)據(jù)記錄儀(日本制造)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

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(cè)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(jìn)行比較測(cè)試如表1。

表1 樣品電池組單體電池容量 mAh

1.2 測(cè)試條件及方法

在(23±3)℃的條件下，電池組在不帶保護(hù)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(cè)每支電池的充、放電數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)放電平臺(tái)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(cè)試10C放電，結(jié)果見圖1。

從電池組放電曲線看，容量差在80 mAh以內(nèi)對(duì)電池組首次放電平臺(tái)幾乎沒有影響，但在300次以后略有差異，D組的放電平臺(tái)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(cè)試10C放電，結(jié)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(shí)，D、E、F的中值電壓幾乎一樣，300次以后D組電池的平臺(tái)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(jīng)過比較不同容量差的電池組在10C放電循環(huán)測(cè)試時(shí)，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(shí)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(duì)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(tái)低于同組內(nèi)的其他電池。

圖3 電池組首次10 C放電組內(nèi)電池放電曲線

經(jīng)過300次循環(huán)，容量差在30 mAh以內(nèi)的的電池組，組內(nèi)電池的10C放電時(shí)差異不大，但50 mAh以上的電池組組內(nèi)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(duì)循環(huán)壽命的影響

經(jīng)過 10C放電循環(huán) 300次測(cè)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(duì)循環(huán)壽命影響越大。容量差在30 mAh以內(nèi)對(duì)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(dǎo)致該電池長(zhǎng)時(shí)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(nèi)電池放電曲線

表2 第1次10 C放電到終止電壓時(shí)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(shí)同組電池的最低電壓值

圖6 第300次充電曲線

3 結(jié)論

綜上所述，在電池組循環(huán)測(cè)試中，容量差對(duì)電池組循環(huán)有較大影響。對(duì)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(duì)電池組壽命影響越大。30 mAh以內(nèi)的容量差對(duì)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?cái)?shù)越多，對(duì)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(guó)良.鋰離子電池荷電貯存性能的研究[J].電池，2007，37(4)：275-277.