合肥學(xué)院楊續(xù)來教授：虛焊對磷酸鐵鋰電池組性能的影響

【研究背景】

動力電池是電動汽車的重要組成部分，由數(shù)百個(gè)電池單體經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)成組而成，但是因單體電池間存在容量或/和阻抗的差異，使得電池組的循環(huán)壽命往往比差于單體電池。因此，單體電池在成組前一般都要根據(jù)單體電池的電壓、容量和電阻等參數(shù)進(jìn)行分選，然后將參數(shù)接近的單體電池放在一起進(jìn)行配組，從而提高電池組中的單體電池一致性。然后，經(jīng)過分選和配組后的單體電池再通過電阻焊、超聲波或激光焊等工藝實(shí)現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)連接，然而這個(gè)過程中的電連接一致性同樣會影響電池組的性能。

【工作簡介】

近日，合肥學(xué)院楊續(xù)來教授課題組研究LiFePO4/C單體電池間電連接阻抗對電池組性能的影響。通過調(diào)節(jié)單體電池間連接螺絲松緊度的方式來控制電連接阻抗大小（電池組中正常電連接點(diǎn)的電阻平均值為0.13mΩ，高于0.2mΩ的電連接點(diǎn)都設(shè)定為問題連接點(diǎn)(FECP)），結(jié)合溫度和電壓監(jiān)測，研究了電連接阻抗的不一致性對電池組循環(huán)性能的影響，為更好的理解動力電池實(shí)際生產(chǎn)過程中虛焊問題提供參考。相關(guān)研究成果以“Identifying faulty electrical contact points in Li-ion Battery Packs”為題發(fā)表在Journal of The Electrochemical Society上。

【內(nèi)容表述】

1.FECP對電池組局部溫度的影響

當(dāng)FECP存在于串聯(lián)電路上，可以很容易地通過監(jiān)測連接點(diǎn)溫度的變化而檢測出來(圖1b)，但是若FECP存在與并聯(lián)電路中，在充放電早期是不能通過溫度檢測來發(fā)現(xiàn)該問題連接點(diǎn)的存在，只有在充放電末期的電壓拐點(diǎn)出現(xiàn)后(圖1a)，并聯(lián)電路中的FECP才會呈現(xiàn)出溫度高于其他正常連接點(diǎn)的特征。盡管如此，充放電過程中電池組中存在的FECP的溫度最終定會高于其他正常連接點(diǎn)的溫度，導(dǎo)致與FECP相鄰電池的溫度高于其他電池，進(jìn)而影響電池循環(huán)壽命或安全性能。

圖1.FECP對電池組局部溫度的影響

2.FECP對電池組電壓一致性的影響

在3P3S的LiFePO4/C電池組中，當(dāng)并聯(lián)電池模塊中存在一個(gè)阻值為1.983mΩ的FECP，如圖2a所示，在電池組充電截止電壓到達(dá)11.0V時(shí)，兩個(gè)不含F(xiàn)ECP并聯(lián)電池模塊的截止電壓分別為3.54V和3.52V，而含有FECP并聯(lián)電池模塊中單體電池電壓分別為3.87V和3.51V。若在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)定單體電池電壓的充電截止電壓為3.65V，此時(shí)存在FECP的3P3S電池組的電壓僅為10.57V，相當(dāng)于只充到了電池組理論容量的85.7%；相比而言，不含有FECP電池組的充放電曲線一致性較好(圖2b)。因此，并聯(lián)電池模塊中存在FECP會導(dǎo)致整個(gè)電池組的容量明顯降低；同時(shí)放電過程中也會因FECP的存在而使得并聯(lián)模塊中部分單體電池率先達(dá)到放電截止電壓，從而使得整個(gè)電池組停止放電，這也是在實(shí)際應(yīng)用中車輛儀表盤顯示電池處于某SOC，但用戶一踩電門車輛SOC卻突然跳到零的原因之一。此外，當(dāng)電池組串聯(lián)電路上存在FECP時(shí)，電池組會出現(xiàn)明顯的“充電電壓平臺偏高，放電電壓平臺偏低”的極化現(xiàn)象，表明串聯(lián)電路中存在FECP會更為明顯的降低電池組的充放電功率特性，進(jìn)而更加影響電池組循環(huán)壽命。

圖2.并聯(lián)電池模塊中FECP對電池組電壓的影響

3.FECP對電池組循環(huán)壽命的影響

研究了FECP對循環(huán)壽命的影響，在室溫下以1C倍率進(jìn)行充放電循環(huán)測試，電池組中的FECP的阻值控制在0.4mΩ。結(jié)果表明，在沒有電池均衡管理系統(tǒng)控制的情況下，以容量衰減至80%或單體電池放電末端電壓降至2V為循環(huán)截止條件，正常3P3S和1P3S電池組循環(huán)壽命分別為1210次和1260次，均少于單體電池的1510次（充放電電壓區(qū)間為2.5-3.65V）(圖3a)，而3P并聯(lián)模塊中存在一個(gè)FECP的3P3S電池組及串聯(lián)電路上有一個(gè)FECP的1P3S電池組分別在1097次和381次時(shí)，因有單體電池放電末端電壓低于2.0V而自動停止循環(huán)。同時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池組放電結(jié)束時(shí)單體電池的最高電壓和最低電壓之間的電壓差越來越大(圖3b)，這也是電池健康狀態(tài)的一個(gè)特征數(shù)據(jù)，存在FECP的電池組的放電壓差要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常電池組，但相同情況下電池組的放電壓差要遠(yuǎn)高于充電壓差。

圖3.磷酸鐵鋰實(shí)驗(yàn)電池組的室溫循環(huán)特性

【結(jié)論】

鋰離子電池組中虛焊點(diǎn)的存在會使得電池組內(nèi)部出現(xiàn)局部溫度差和電壓差，進(jìn)而使得存在虛焊點(diǎn)電池組的循環(huán)壽命等性能低于正常電池組。在某種程度上，因減少了電池外部電連接點(diǎn)，大容量的單體電池應(yīng)該比小容量的單體電池對電池一致性更有利。

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