虚焊对磷酸铁锂电池组性能的影响

【研究背景】动力电池是电动汽车的重要组成部分，由数百个电池单体经串联和并联成组而成，但是因单体电池间存在容量或/和阻抗的差异，使得电池组的循环寿命往往比差于单体电池。因此，单体电池在成组前一般都要根据单体电池的电压、容量和电阻等参数进行分选，然后将参数接近的单体电池放在一起进行配组，从而提高电池组中的单体电池一致性。然后，经过分选和配组后的单体电池再通过电阻焊、超声波或激光焊等工艺实现串联或并联连接，然而这个过程中的电连接一致性同样会影响电池组的性能。

【工作简介】近日，合肥学院杨续来教授课题组研究LiFePO4/C单体电池间电连接阻抗对电池组性能的影响。通过调节单体电池间连接螺丝松紧度的方式来控制电连接阻抗大小（电池组中正常电连接点的电阻平均值为0.13mΩ，高于0.2 mΩ的电连接点都设定为问题连接点(FECP)），结合温度和电压监测，研究了电连接阻抗的不一致性对电池组循环性能的影响，为更好的理解动力电池实际生产过程中虚焊问题提供参考。相关研究成果以“Identifying faulty electrical contact points in Li-ion Battery Packs”为题发表在Journal of The Electrochemical Society上。

【内容表述】1. FECP对电池组局部温度的影响当FECP存在于串联电路上，可以很容易地通过监测连接点温度的变化而检测出来(图1b)，但是若FECP存在与并联电路中，在充放电早期是不能通过温度检测来发现该问题连接点的存在，只有在充放电末期的电压拐点出现后(图1a)，并联电路中的FECP才会呈现出温度高于其他正常连接点的特征。尽管如此，充放电过程中电池组中存在的FECP的温度最终定会高于其他正常连接点的温度，导致与FECP相邻电池的温度高于其他电池，进而影响电池循环寿命或安全性能。

图1. FECP对电池组局部温度的影响
2. FECP对电池组电压一致性的影响在3P3S的LiFePO4/C电池组中，当并联电池模块中存在一个阻值为1.983mΩ的FECP，如图2a所示，在电池组充电截止电压到达11.0V时，两个不含FECP并联电池模块的截止电压分别为3.54V和3.52V，而含有FECP并联电池模块中单体电池电压分别为3.87V和3.51V。若在实际应用中设定单体电池电压的充电截止电压为3.65V，此时存在FECP的3P3S电池组的电压仅为10.57V，相当于只充到了电池组理论容量的85.7%；相比而言，不含有FECP电池组的充放电曲线一致性较好(图2b)。因此，并联电池模块中存在FECP会导致整个电池组的容量明显降低；同时放电过程中也会因FECP的存在而使得并联模块中部分单体电池率先达到放电截止电压，从而使得整个电池组停止放电，这也是在实际应用中车辆仪表盘显示电池处于某SOC，但用户一踩电门车辆SOC却突然跳到零的原因之一。此外，当电池组串联电路上存在FECP时，电池组会出现明显的“充电电压平台偏高，放电电压平台偏低”的极化现象，表明串联电路中存在FECP会更为明显的降低电池组的充放电功率特性，进而更加影响电池组循环寿命。

图2. 并联电池模块中FECP对电池组电压的影响
3. FECP对电池组循环寿命的影响研究了FECP对循环寿命的影响，在室温下以1C倍率进行充放电循环测试，电池组中的FECP的阻值控制在0.4mΩ。结果表明，在没有电池均衡管理系统控制的情况下，以容量衰减至80%或单体电池放电末端电压降至2V为循环截止条件，正常3P3S和1P3S电池组循环寿命分别为1210次和1260次，均少于单体电池的1510次（充放电电压区间为2.5-3.65V）(图3a)，而3P并联模块中存在一个FECP的3P3S电池组及串联电路上有一个FECP的1P3S电池组分别在1097次和381次时，因有单体电池放电末端电压低于2.0V而自动停止循环。同时，随着循环次数的增加，电池组放电结束时单体电池的最高电压和最低电压之间的电压差越来越大(图3b)，这也是电池健康状态的一个特征数据，存在FECP的电池组的放电压差要远远高于正常电池组，但相同情况下电池组的放电压差要远高于充电压差。

图3. 磷酸铁锂实验电池组的室温循环特性
【结论】锂离子电池组中虚焊点的存在会使得电池组内部出现局部温度差和电压差，进而使得存在虚焊点电池组的循环寿命等性能低于正常电池组。在某种程度上，因减少了电池外部电连接点，大容量的单体电池应该比小容量的单体电池对电池一致性更有利。
Xulai Yang*, Wenjing Yang and Rui Xue. Identifying Faulty Electrical Contact Points in Li-Ion Battery Packs. Journal of The Electrochemical Society, 2022.https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac9a02.