張金龍，李端凱，佟 微，漆漢宏,*，張純江，于溫方

(1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2. 國家電網(wǎng)吉林省電力有限公司 松原供電公司,吉林 松原 138000)

0 引言

毋庸置疑，蓄電池是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)能手段，而在眾多類型的蓄電池中，以磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池為代表的鋰離子電池，憑借其比能量較高、壽命較長、充放電倍率較高以及成本適中等優(yōu)點(diǎn)，受到了相關(guān)科研和技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，具有很好的發(fā)展前景和強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭[1-3]。需要指出的是，作為能量存儲(chǔ)環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的動(dòng)力來源，電池組的各項(xiàng)工作狀態(tài)和控制決策直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，因此，電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)對(duì)于新能源發(fā)電、EV等新能源技術(shù)是不可或缺的。

雖然鋰離子電池具有多項(xiàng)優(yōu)勢，但同時(shí)業(yè)界也逐漸注意到鋰離子電池單體之間存在的老化差異現(xiàn)象：當(dāng)采用完全相同的工作機(jī)制對(duì)同品牌同型號(hào)的不同單體分別進(jìn)行持續(xù)循環(huán)充放電時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各單體可用容量的衰減速度會(huì)呈現(xiàn)出明顯的差別，這會(huì)造成串聯(lián)電池組內(nèi)部分單體循環(huán)壽命提前結(jié)束，受短板效應(yīng)(也稱木桶效應(yīng))的制約，電池組整體的壽命也會(huì)隨之終止。蓄電池所表現(xiàn)出的這種老化差異特性對(duì)于工程實(shí)際中應(yīng)用電池組的系統(tǒng)如電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電儲(chǔ)能及無人飛行器等系統(tǒng)都具有重要意義：鋰電池的老化差異現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電池組整體壽命縮短，并且會(huì)通過電池的電壓、容量、內(nèi)阻、溫度等內(nèi)外特性體現(xiàn)出來，影響電池組正常運(yùn)行；在實(shí)際工況中，這些老化差異程度還可能會(huì)隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大，使得電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)被加速破壞，電池組整體工作性能迅速惡化，進(jìn)而可能導(dǎo)致整個(gè)用電系統(tǒng)的故障，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重事故。因此，全面深入地分析研究電池單體老化差異特性，采用合理的方法標(biāo)定電池老化差異程度，挖掘電池老化差異現(xiàn)象中隱含的共性特征，具有很強(qiáng)的工程意義，特別是對(duì)于延長電池組的壽命，提高電池使用效率，保障電池組及整個(gè)系統(tǒng)健康穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但直到目前，相關(guān)的科研工作并不多，該問題尚未引起業(yè)內(nèi)人士的充分重視。

1 鋰離子電池老化差異特性及成因

本文針對(duì)三種不同品牌和型號(hào)的LiFePO4/C電池設(shè)計(jì)了加速老化實(shí)驗(yàn)(為保護(hù)企業(yè)信息，在此將三種電池分別標(biāo)記為品牌A、B和C)，每種品牌取8個(gè)樣本單體，采用完全相同的加速老化應(yīng)力強(qiáng)度(充電：CCCV，4C/3.75V；放電4C，1.8V；室溫25 ℃)和工作機(jī)制，對(duì)各單體分別進(jìn)行加速老化，并按一定規(guī)則及時(shí)標(biāo)定電池的剩余容量，所得電池老化差異特性如圖1～3所示。

圖1 A品牌18650型LiFePO4電池的老化差異
Fig.1 Aging diversity of LiFePO418650 batteries:brand A

圖2 B品牌18650型LiFePO4電池的老化差異
Fig.2 Aging diversity of LiFePO418650 batteries:brand B

圖3 C品牌26650型LiFePO4電池的老化差異
Fig.3 Aging diversity of LiFePO426650 batteries: brand C

圖中SOH(State of Health)為電池健康狀態(tài)，一般描述為電池實(shí)際可用容量與新電池額定容量之比。由圖1～3可見，在加速老化的工作條件下，各品牌電池不同單體間的老化差異特性均十分明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各單體的容量衰減速率存在很大差異。此外還可以發(fā)現(xiàn)，同樣是LiFePO4/C電池，不同品牌電池的容量衰減過程和老化特性也各不相同。可以推斷，在正常的工作條件下，串聯(lián)電池組中各單體在循環(huán)工作過程中也會(huì)存在不同程度的老化差異特性。

電池單體間老化差異特性的成因是多方面的，綜合相關(guān)的研究，在此將可能導(dǎo)致單體老化差異的原因總結(jié)為以下幾個(gè)方面：首先，在電池制造過程中，受生產(chǎn)工藝、設(shè)備精度等因素的限制，所生產(chǎn)出的各電池單體在微觀結(jié)構(gòu)上不可避免地會(huì)存在細(xì)微的差異，如電池材料及內(nèi)部活性物質(zhì)的不均勻分布、電極和電解質(zhì)活性程度的差異、電極厚度的差異等，這些因素會(huì)影響電池對(duì)充/放電截止電壓以及充/放電倍率等工作應(yīng)力的承受能力，進(jìn)而導(dǎo)致電池老化差異現(xiàn)象的發(fā)生。其次，新電池存在的不一致性在電池的實(shí)際使用過程中會(huì)不斷擴(kuò)大，如對(duì)于新電池而言，其內(nèi)阻可能存在微小差異，隨著充放電循環(huán)的不斷進(jìn)行，在內(nèi)阻偏大的電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致該單體的容量衰減速率高于其他單體，如此持續(xù)形成惡性循環(huán)，最終便會(huì)呈現(xiàn)出明顯的老化差異。第三，當(dāng)串聯(lián)電池組中各單體電壓或SOC均衡控制效果較差，甚至是缺少均衡控制和保護(hù)方案時(shí)，一些單體會(huì)發(fā)生過充電或過放電的情況，而高強(qiáng)度的電壓應(yīng)力必然會(huì)導(dǎo)致電池老化進(jìn)程的加速，導(dǎo)致老化差異的出現(xiàn)。此外，在電池的長期存儲(chǔ)和閑置過程中還會(huì)發(fā)生自放電現(xiàn)象，有時(shí)甚至出現(xiàn)內(nèi)短路的情況，這會(huì)導(dǎo)致電池容量出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的衰減，這也與電池間的老化差異特性存在一定聯(lián)系。

2 鋰離子電池老化差異研究現(xiàn)狀

整體來看，到目前為止，在電池老化過程中，特別是串聯(lián)電池組中各單體表現(xiàn)出的老化差異特性尚未引起人們的足夠重視，與之直接相關(guān)的科研工作也并不多。但近兩年來，隨著新能源產(chǎn)業(yè)及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，蓄電池儲(chǔ)能及BMS技術(shù)得以大范圍應(yīng)用和推廣，這同時(shí)也使得電池組應(yīng)用過程中存在的一些細(xì)節(jié)問題逐漸凸顯出來，而電池組單體間的老化差異特性就是其中之一，業(yè)內(nèi)相關(guān)的科研和技術(shù)人員也越來越重視這一問題。綜合來看，國內(nèi)外與電池老化差異特性相關(guān)的研究工作包括以下一些內(nèi)容：

2003年，北京理工大學(xué)的孫逢春院士課題組通過北京電動(dòng)公交的運(yùn)行試驗(yàn)，針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組內(nèi)電池單體的不一致性進(jìn)行了研究[4]，主要從端電壓、容量和內(nèi)阻3個(gè)方面分析了電池的差異特性，該研究指出，對(duì)于同品牌同型號(hào)的多個(gè)單體電池，其充滿電后的平衡電壓呈正態(tài)分布趨勢，而且隨著電池老化的進(jìn)程，這一正態(tài)分布的分散化程度會(huì)增大，并提出了抑制電池組單體間不一致性的措施；在單體容量衰減差異方面，該文獻(xiàn)主要針對(duì)其形成原因進(jìn)行了闡述。在文獻(xiàn)[5]中，北京航空航天大學(xué)的初超等人采用80節(jié)8Ah的錳酸鋰電池串聯(lián)進(jìn)行差異性實(shí)驗(yàn)，在常溫下分別對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行1C、2C、3C和4C不同倍率充放電，重點(diǎn)分析了單體電壓之間的差異，提出了一種基于電池組整體離散度和單體離散度的分析方法，但該文獻(xiàn)并未涉及電池老化差異和容量衰減的問題。中國工程物理研究所的楊固長等人以鈷酸鋰-碳軟包電池為實(shí)驗(yàn)材料，測試了電池的3A放電容量、充滿電狀態(tài)下50天存儲(chǔ)期的自放電率、以及不同存儲(chǔ)時(shí)間后電池端電壓的壓降，統(tǒng)計(jì)這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合分析，建立相應(yīng)的篩選標(biāo)準(zhǔn)和流程，來評(píng)估每個(gè)單體電池的實(shí)際可用容量和自放電率，進(jìn)而淘汰質(zhì)量較差的單體[6]，可以認(rèn)為，該方法在一定程度上能夠預(yù)見電池的老化差異，所建立的電池篩選方案也有助于抑制電池組內(nèi)的老化差異問題。天津力神公司的王蓓等人將20只電池分成兩組進(jìn)行串聯(lián)充放電實(shí)驗(yàn)[7]，分別在1C的常規(guī)倍率條件下和工況條件下進(jìn)行循環(huán)老化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在串聯(lián)磷酸鐵鋰電池組中，單體電池間的不一致性會(huì)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，文獻(xiàn)建議定期拆解串聯(lián)電池組，及時(shí)替換性能較差的單體，來延長電池組的壽命，但該文獻(xiàn)對(duì)于電池老化差異的分析主要是通過其電壓外特性來完成的，并未涉及電池容量衰減的直接信息。

最近幾年，國內(nèi)關(guān)于電池老化差異特性研究工作較深入的是北京交通大學(xué)的姜久春教授團(tuán)隊(duì)，文獻(xiàn)[8]采用35Ah復(fù)合材料電池為研究對(duì)象，在不同的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)區(qū)間以及不同的充放電倍率條件下設(shè)計(jì)特定方案展開循環(huán)老化測試，并在0 ℃環(huán)境下進(jìn)行低溫應(yīng)力沖擊，分析了基于不同衰退路徑下的動(dòng)力電池低溫應(yīng)力差異性，定量分析和描述了多個(gè)電池單體在不同SOC區(qū)間、不同倍率和不同溫度條件下容量衰退速率之間的差異特性。該文獻(xiàn)研究結(jié)果表明：動(dòng)力電池在不同SOC區(qū)間循環(huán)工作時(shí)其衰退路徑存在較大差異；另外，電池的低溫衰退特性與其之前經(jīng)歷的循環(huán)衰退并不存在繼承關(guān)系和一致性。在文獻(xiàn)[9]中，通過對(duì)鋰離子電池在多種應(yīng)力強(qiáng)度條件下進(jìn)行循環(huán)壽命試驗(yàn)，揭示了不同充電倍率和截止電壓對(duì)電池老化機(jī)理、容量衰減和內(nèi)阻增加的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池的充電倍率和充電截止電壓存在臨界值，當(dāng)充電應(yīng)力超過該臨界值時(shí)，電池的老化速度將大幅增加；該文獻(xiàn)中采用容量增量法分析了多種工作應(yīng)力強(qiáng)度下電池的老化機(jī)理，并指出當(dāng)電池老化到一定程度時(shí)，充電倍率和充電截止電壓的降低可以有效延遲電池的老化進(jìn)程；該文獻(xiàn)最后基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了可定量描述電池容量衰減速率與充電應(yīng)力強(qiáng)度之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。文獻(xiàn)[10]針對(duì)在電動(dòng)乘用車上使用超過三年的兩個(gè)LiFePO4電池組，重點(diǎn)從容量和內(nèi)阻兩個(gè)方面分析了電池的一致性和老化特性，該研究表明，對(duì)于經(jīng)過長期使用的電池組，其容量與其內(nèi)阻的差異特性并不一致，通過分析該文獻(xiàn)還得出了如下結(jié)論：1)電池模塊的可用容量和內(nèi)阻分布分別符合威布爾和正態(tài)分布；2)SOC不平衡是電池組容量衰減過程中的主導(dǎo)因素。該文獻(xiàn)采用容量增量(Incremental Capacity，IC)法和IC曲線峰值區(qū)域面積分析法，構(gòu)造了一種可以描述電池模塊老化差異的一致性評(píng)價(jià)方法，并提出了一種精確的電池篩選策略。該研究為評(píng)估報(bào)廢電池的經(jīng)濟(jì)效益提供了數(shù)據(jù)支持，也進(jìn)一步完善了電池的梯次利用技術(shù)。

上海理工大學(xué)的鄭岳久等人也針對(duì)電池組的不一致性開展了較為全面的研究，并側(cè)重分析了電池組容量衰減問題[11]，該研究將電池狀態(tài)參數(shù)分為三類(初始狀態(tài)、當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間累積性的參數(shù))來綜合分析電池的不一致性，指出電池的不一致性具有耦合性、統(tǒng)計(jì)性、權(quán)重性、不可逆性及漸變性等特性。該研究將電池可用容量作為描述電池組不一致性的主要物理量，并指出電池組容量衰減的3個(gè)主要原因分別是：1)由于SOC或電壓的不均衡，串聯(lián)電池組中各單體的容量不能得到充分利用；2)各單體可用容量的差異是導(dǎo)致電池組容量衰減的重要因素；3)各單體容量衰減速度的差異也會(huì)加速電池組整體的容量衰退。該文獻(xiàn)建立了一套可描述96個(gè)單體串聯(lián)構(gòu)成的電池包模型，并通過仿真分析了不同狀態(tài)和參數(shù)條件下電池包容量衰減的過程。該研究的重點(diǎn)在于分析和描述單體差異與整體電池包可用容量之間的關(guān)系，而對(duì)于個(gè)別單體之間的老化差異特性的分析并不多。

香港城市大學(xué)的Yang Fangfang等人圍繞鋰離子電池的庫倫效率與其容量衰減之間的關(guān)系展開了深入研究[12]。該研究針對(duì)LiFePO4電池以及NMC三元鋰離子電池兩種樣本展開循環(huán)老化測試，并結(jié)合測試數(shù)據(jù)展開分析，該研究表明，兩種鋰離子電池的庫倫效率與其各自的老化特性之間存在密切聯(lián)系，并指出電池庫倫效率長期的變化特征可用于標(biāo)定電池的老化速率，平穩(wěn)的庫倫效率曲線對(duì)應(yīng)著恒定的老化速率，而庫倫效率的快速下降也對(duì)應(yīng)著電池的加速老化過程。該文獻(xiàn)最終建立了可描述庫倫效率與電池容量衰減之間關(guān)系的模型，該研究為分析單體電池的老化差異特性提供了可參考的思路。

國外一些學(xué)者和技術(shù)人員也圍繞鋰離子電池工作及老化過程中的不一致性展開了相關(guān)研究。德國亞琛大學(xué)的T. Baumh?fer等人[13]針對(duì)48節(jié)NMC三元材料18650型電池開展分析測試，指出不僅電池的工作機(jī)制和工作應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)影響電池老化特性，在電池生產(chǎn)制造過程中形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異也會(huì)導(dǎo)致電池在老化過程中出現(xiàn)差異；他們采用一種數(shù)據(jù)挖掘算法建立了單體電池初始性能與其循環(huán)壽命之間的定量關(guān)系，選取了包括電池阻抗譜特征參數(shù)在內(nèi)的4項(xiàng)特征對(duì)電池循環(huán)壽命進(jìn)行預(yù)測，并進(jìn)而依據(jù)所估算的循環(huán)壽命對(duì)新電池進(jìn)行篩選分組，以保持各電池組內(nèi)單體良好的一致性。

日本東京大學(xué)的S.Miyatake等人[14]研究了電池組放電容量與組內(nèi)電池單體連接拓?fù)渲g的關(guān)系，該研究采用兩種不同品牌的18650型鋰離子電池樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別在串聯(lián)、并聯(lián)以及混合串并聯(lián)連接的條件下對(duì)電池組進(jìn)行放電測試，對(duì)比分析了不同連接拓?fù)淝闆r下各電池單體及整個(gè)電池組的放電外特性和可用容量，建立了一套數(shù)學(xué)模型用于估算不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下電池組的實(shí)際可用容量。該研究側(cè)重分析單體差異及電池連接形式對(duì)電池組整體容量的影響。

美國麻省理工學(xué)院的R.Gogoana等人將電池內(nèi)阻視為影響電池循環(huán)壽命的最主要因素，當(dāng)充放電電流較高時(shí)，內(nèi)阻偏大的單體內(nèi)部很容易出現(xiàn)較大的溫升，進(jìn)而導(dǎo)致電池可用容量的衰減。R.Gogoana在文獻(xiàn)[15]中指出了內(nèi)阻匹配對(duì)于保障并聯(lián)電池組良好循環(huán)壽命的重要性：對(duì)于并聯(lián)連接的兩個(gè)單體，當(dāng)兩電池內(nèi)阻間存在20%的差異時(shí)，電池組的循環(huán)壽命相對(duì)電池內(nèi)阻完全匹配的情況會(huì)減少約40%；該文獻(xiàn)中還建立了一種固態(tài)電解質(zhì)交互模型將電池內(nèi)阻與容量衰退聯(lián)系了起來，通過電池的內(nèi)阻差異來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池循環(huán)壽命的預(yù)測。該研究工作的不足之處在于其僅適用于并聯(lián)電池組；另外，該研究以循環(huán)次數(shù)作為電池壽命指標(biāo)，這恰恰忽略了電池老化過程中容量衰減速率的差異，可以預(yù)見，當(dāng)采用該方法對(duì)大量串聯(lián)單體進(jìn)行壽命預(yù)測時(shí)，由于老化差異的存在，很容易引入較大誤差。

卡塔爾的Pierre Kubiak等人[16]對(duì)惡劣氣候下卡塔爾地區(qū)太陽能發(fā)電廠的250 kW/500 kWh儲(chǔ)能鋰離子電池組進(jìn)行研究，所用電池組額定壽命約為10年，該文獻(xiàn)基于電池組存儲(chǔ)3年后的原始數(shù)據(jù)對(duì)電池老化特性展開研究，分別從電池包、電池串和電池單體3個(gè)層面進(jìn)行分析，結(jié)果表明隨著時(shí)間推移電池串的剩余容量出現(xiàn)了一定差異，并推測該差異可能是部分電池在高SOC存儲(chǔ)狀態(tài)下的自放電造成的；該文獻(xiàn)通過分析SOC在95%～10%區(qū)間各單體的平衡電勢變化量，對(duì)整個(gè)電池包中性能較差、容量衰減較快的單體進(jìn)行了定位。

美國威斯康星-麥迪遜大學(xué)的W. J. Larry等人[17]以鈷酸鋰電池組為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究了放電電流中疊加交流分量時(shí)對(duì)電池的老化速率的影響，該研究認(rèn)為放電電流的有效值是影響電池老化的重要因素，并指出采用無源濾波電路或其他措施降低放電電流中的交流分量可以有效延緩電池老化進(jìn)程，延長電池的使用壽命；該文獻(xiàn)還定量分析了放電電流有效值對(duì)電池老化特性的影響，但該研究僅側(cè)重單因素對(duì)個(gè)別單體老化特性的影響，并沒有關(guān)注相同工況下多單體間存在的老化差異特性。

德國慕尼黑科技大學(xué)的Simon F. Schuster等人對(duì)比了1908節(jié)電動(dòng)汽車使用過3年的鋰離子電池與484節(jié)同型號(hào)新電池的工作性能[18]，并通過概率統(tǒng)計(jì)的方法分析了大量單體間存在的差異特性。該研究經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析指出，新電池的可用容量及等效電導(dǎo)呈現(xiàn)正態(tài)分布，而隨著電池的老化，該分布特性會(huì)逐漸趨于一種左偏的Weibull分布；除此之外，電池內(nèi)阻及阻抗譜特征等電池參數(shù)分布的分散度也會(huì)隨著電池老化呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。該研究中采用的統(tǒng)計(jì)分布思想對(duì)于分析電池的老化差異特性具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，但該方法需要大量的電池樣本才能獲取具有良好精度的統(tǒng)計(jì)特性，在樣本數(shù)量很少的情況下并不適用。后來，與Schuster同一部門的Christian Campestrini等人在文獻(xiàn)[19]中進(jìn)一步分析了電池組老化特性與組內(nèi)單體老化特性之間的關(guān)系，并提出了單體差異狀態(tài)(State of Inhomogeneity,SOI)的概念：

(1)

其中,X可以是指電池單體的可用容量、內(nèi)阻或者溫度等，該指標(biāo)可用于描述單體間相關(guān)參數(shù)或狀態(tài)的差異程度。該文獻(xiàn)以松下NCR18650型鎳鈷鋁三元鋰離子電池為研究對(duì)象，由112節(jié)單體構(gòu)成8串14并的電池組，并采用US06高速路況負(fù)載電流對(duì)電池組進(jìn)行循環(huán)老化，測試結(jié)果表明工作在較高SOC區(qū)間以及無再生制動(dòng)條件下的電池老化得最快；此外，測試結(jié)果還表明，與獨(dú)立單體的老化速率相比，并聯(lián)模塊以及整個(gè)電池組的容量衰減速率均有不同程度的減緩。

此外，德國BMW公司的Sebastian Paul等人基于電池組熱電老化模型和Monte Carlo思想對(duì)單體間存在的老化差異特性展開研究[20]，將電池存儲(chǔ)過程中的容量衰減特性與電池在正常使用過程中的容量衰減特性結(jié)合起來，通過概率密度分布的方法來綜合分析大量電池單體可用容量及其直流內(nèi)阻在電池老化過程中的分布特性。該研究還針對(duì)由96節(jié)LiFePO4電池串聯(lián)的構(gòu)成的電池組開展了實(shí)驗(yàn)測試，采用電動(dòng)汽車在高速公路路況條件下的實(shí)際負(fù)載對(duì)電池組進(jìn)行循環(huán)測試，并分析了電池組在工作過程中各單體的內(nèi)阻差異和溫度差異，以及由此導(dǎo)致的各單體容量衰減速率的差異。該研究最后還將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與所建電池組模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所建電池組模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

法國波爾多大學(xué)的Akram Eddahech等人針對(duì)負(fù)極材料同為石墨，正極材料各不相同的鎳鈷錳(NMC)、鎳鈷鋁(NCA)、錳酸鋰(LMO)和LiFePO4四種鋰離子電池的老化特性展開研究[21]，該研究采用相同的工作機(jī)制對(duì)四種電池進(jìn)行充放電循環(huán)老化，并對(duì)比了老化前后電池的充放電電壓-容量曲線，測試結(jié)果表明在相同的CCCV充電模式下，隨著電池的不斷老化，NMC、NCA和LMO三種電池的恒壓充電階段明顯增加，而LiFePO4電池的恒壓充電階段則隨電池老化有所縮短；該研究還結(jié)合dQ/dV曲線及阻抗譜曲線特征分析了4種電池的電化學(xué)老化機(jī)理；此外，該研究還從能量效率的角度對(duì)比了4種電池的老化性能，能量效率定義為標(biāo)準(zhǔn)放電過程輸出的能量與標(biāo)準(zhǔn)充電過程充入能量的比值：

(2)

測試結(jié)果表明，隨著電池老化，LMO和NMC電池的能量效率出現(xiàn)了明顯下降；相對(duì)而言，NCA和LiFePO4電池的能量效率則比較穩(wěn)定，受電池老化的影響并不明顯，這也說明NCA和LiFePO4電池在其額定功率范圍內(nèi)具有更加良好和穩(wěn)定的輸出性能。

3 總結(jié)

整體來看，國內(nèi)外對(duì)于電池工作過程中的差異特性的研究主要還是側(cè)重于SOC差異以及電壓外特性差異；也有一些研究是側(cè)重工作應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)電池老化特性的影響；當(dāng)然，隨著電池組應(yīng)用的日益廣泛，一些科研人員也開始關(guān)注電池組工作過程中單體電池老化特性及容量衰減特性的差異，有的研究側(cè)重分析大量電池單體老化差異的統(tǒng)計(jì)特性，還有的研究則側(cè)重分析單體差異特性與整個(gè)電池組老化特性之間的關(guān)系；但是總的來看，直接研究相同工作機(jī)制下同品牌同型號(hào)多單體之間老化差異特性、尋求電池老化差異現(xiàn)象潛在共性特征并加以應(yīng)用的工作并不多。鑒于電池老化差異特性的成因較復(fù)雜，涉及到多種因素，同時(shí)又涉及到單體、串聯(lián)電池串、并聯(lián)電池塊及串并聯(lián)電池組等多個(gè)層次，因此分析難度較大；另一方面，電池老化差異特性對(duì)電池應(yīng)用系統(tǒng)又具有重要意義，因此圍繞鋰離子電池老化差異特性展開細(xì)致深入的分析是十分必要的，并且需要采取必要措施對(duì)該問題進(jìn)行處理。

要想改善電池單體間老化差異特性、抑制電池老化差異對(duì)電池組工作性能的影響，主要可以從兩個(gè)方面入手，一是從電池材料、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝等基礎(chǔ)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提升單體一致性；二是從BMS的角度完善電池管理策略，包括新電池的篩選及成組技術(shù)、應(yīng)力強(qiáng)度與老化差異指標(biāo)之間定量關(guān)系的分析、電池工作應(yīng)力區(qū)間的優(yōu)化配置、BMS細(xì)節(jié)控制方案的改進(jìn)、SOH準(zhǔn)確估算以及嚴(yán)重老化電池的及時(shí)替換等。

從相關(guān)科研工作發(fā)展的趨勢講，該方向正在引起越來越多的科研人員的關(guān)注，與蓄電池老化及老化差異相關(guān)的研究也將會(huì)從不同的角度深入開展。從宏觀角度講，貫穿電池單體、串聯(lián)電池串、并聯(lián)電池模塊以及串并聯(lián)電池組的多層次建模技術(shù)是該方向未來的研究熱點(diǎn)之一，該建模技術(shù)中需融合電池單體工作特性(包括老化特性)、單體差異對(duì)各層級(jí)性能的影響、電池組物理連接和布局結(jié)構(gòu)對(duì)熱特性的影響、以及電池組安全管理等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的綜合性和學(xué)科交叉性。從微觀角度講，基于電池內(nèi)部電化學(xué)機(jī)理對(duì)電池老化特性的研究也是目前正在興起的研究思路，研究重心主要集中于工作應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)電池老化進(jìn)程的影響、多單體間老化差異特性的電化學(xué)機(jī)理、電池老化特性多尺度建模及簡化等幾個(gè)方面。目前，英國劍橋大學(xué)和華威大學(xué)、瑞典查爾姆斯理工大學(xué)等科研院所正在針對(duì)相關(guān)課題進(jìn)行科研立項(xiàng)；而國內(nèi)的清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京理工大學(xué)和北京交通大學(xué)等高校在相關(guān)領(lǐng)域的研究工作也在持續(xù)推進(jìn)?？梢灶A(yù)見，隨著蓄電池應(yīng)用的不斷推廣及其細(xì)節(jié)工程問題的呈現(xiàn)，與電池老化特性和老化差異特性相關(guān)的研究將具有更加廣闊的發(fā)展空間。