圆柱18650型锂离子电池循环性能一致性研究

导读：特斯拉汽车动力电池组多由18650型锂离子电池组成。在常温常压无热控条件下，用8只松下18650型锂离子电池开展循环试验，对容量、能量和充放电时间随循环次数变化规律进行分析总结，以期找出影响电池一致性因素建立量化模型。

18650锂离子电池单只容量较小，常以电池组形式应用。图1为航天电源、便携式计算机电池包和电动汽车电池组应用的实物图片。Tesla电动汽车则在多个型号、不同续航能力的电动汽车中选用松下18650电池作为动力电源，单体电池的一致性对于电池组工作的影响尤其重要。

安富强等研究了纯电动汽车用的18650锂离子电池在初始和老化过程中的一致性，分析电流、温度和电压对一致性的影响，得出为提高18650电池的一致性，必须把充放电倍率和 温度控制在一定范围内，并应考虑从老化的角度对电池进行分类。

本文用8只松下NCR18650A型2900mAh锂离子电池设计一系列试验，探究其在常温常压环境下，不采用热控措施时循环电池的一致性。

一、研究方法

试验电池在常温常压环境下进行充放电，共循环500次。利用电池分容柜监测电池每次充放电过程中的容量和能量，温度巡检仪监测电池表面温度变化。在规定条件下电池容量为：

式中：C为充电或放电容量；I为充电或放电某时刻的电流；t为充电或放电时间。电池能量为：

式中：W 为充电或放电能量；U(t)、I(t)为充电或放电某时刻的 电压和电流；t 为充电或放电时间。试验框图见图2。

8只电池利用测试仪8个通道，选择恒流 - 恒压充电模式，2A恒流充电至4.2 V，然后转恒 压充电至电流降为20mA，2A恒流放电至电压2.75V，实时采集充放电数据。电池表面温度采用铂电阻测量，信号通过温度巡检仪采集，若充放电过程电池温度过高便停止试验。试验采用的仪器如表1所示。

二、试验结果

电池充电容量与循环次数的关系见图3。放电容量与循环次数的关系见图4。由图3～图4可知，在最初循环阶段，电池 的充电容量均为2900mAh，放电容量均为2860mAh，具有良好的一致性。

在250～300次循环之间就呈现出差异性，350次循环之后差异性开始变得显著，500次循环后，个别电池容量已低至100mAh，仅有2只电池的容量在2000mAh以上；图中虚线为电池容量降至标称容量70%以下，电池已老化无法使用。

电池充放电能量随循环次数变化曲线见图5～图6，初始循环阶段，电池充入能量11.2Wh，放出能量为10Wh；500次循环之后，仅有2只电池可以充入能量8Wh，放出能量6.6Wh。

其余6只电池未能正常完成循环，这几只电池充入能量范围0.4~2.5Wh，放出能量范围为0.3~2Wh。电池的充放电能 量在250~300次循环之间呈现出差异性，350次循环之后差异 性开始变得显著。

能量效率随循环次数变化情况见图7，最初循环电池的能 量效率均为 90%，随着电池循环次数的增加，能量效率呈现下 降的趋势，500次循环之后，2 只可以完成循环的电池能量效率为83%，而其他 6 节电池的能量效率在70%~80%之间。

由图3～图4可知，6只电池容量已降至70%以下，进入老化期，能量效率有小幅回弹。这期间电池已不能正常循环，放电过程中有一部分能量以热的形式散失。随循环次数增加，电池内阻随之变化，在300次以后，内阻差异大，使能量效率出现明显差异。

电池充放电时间随循环次数变化情况见图8～图9，电池充电时间在350次循环之前呈增长趋势，由160min增长至280min，在350次循环以后电池的个体差异性开始体现，除了2只电池充电容量和充电能量衰减较少外，其他电池充电容量和能量大幅衰减，充电时间降低至200min以下，最低至5min。

三、与特斯拉所用电池对比

3.1 放电能量差异

前文中电池试验表明，500次循环后6只电池已无法正常循环。特斯拉电动汽车中应用的18650锂离子电池能够使用8年不限里程，1000次循环寿命。二者相差较大。

特斯拉电池组有两型，配备了电池管理系统。其一型电池组总能量为60kWh，内含6831只松下18650锂离子电池，每69只单体并联成一个模组，9个模组串联构成一个模块，11个模块串联构成整个电池组；另一型总能量为85kWh，内含8142只松下18650锂离子电池。以60kWh电池组为例，假设完全放电，每次每只电池平均放电能量8783 Wh。循环初始每只放电能量为10Wh，在300次循环之前，每次每只循环放电能量仍可达到8Wh以上。

可见，特斯拉电动汽车的电池管理系统设置能够使得电池组以一定的放电深度制度进行循环，而非前文的完全充放电，延缓了电池衰老的过程。此外，特斯拉电动车对于60kWh 的电池组的保修限度为8年20余万千米，根据出厂性能指标，60kWh电池组续航里程370km，20万千米相当于540次续航里程之和。每只电池在循环寿命周期内的平均总输出能量4.74kWh，试验中8只电池500次循环内该值为3.74kWh。由于每次放电过程中电池能量有所保留，在特斯拉电池管理系统下的锂离子电池衰老减慢，总放电能量有所提升。

3.2 充电方式差异

特斯拉电动车可以采用不同充电制式，Model S有四种充电模式，分别是110V/12A、240V/24A、240V/40A和240V/80A。若采用标准接口110V/12A进行充电，电池组充电5小时26分钟可续航行驶40.2 km，电池组满充电需用时65h；采用高能充电模式，电池组充电23分钟，可续航行驶40.2km，充电1小时，可续航103.0 km，充电5小时，可续航行驶482.8km。

汽车上电池组采用大电流80A充电方式，每只电池平均承载电流为1.16A。试验电池充电电流为2A。电池充电电流越大，电池循环寿命越短。试验电池充电截止电压为4.2V，容量29Ah。循环初始， 满充电时间160min左右。300次循环出现最大充电时间280min，500次之后充电时间90min。汽车电池常规充电模式下，恒流12A充电65h，对于60kWh 的电池组，相当于每节电池充电容量为114.2 mAh，充电截止电压比试验电池设置的4.2V要低很多。充电截止电压越高，电池衰退速度越快。

3.3 电池热管理系统影响

特斯拉电池组中的液冷系统冷却液为50%水和50%乙二醇。冷却管道铺设在电池间，每个冷却管道分为四个流道，双向流动。管道的两个端口既是进液口也是出液口。电池和管道之间填充导热材料，如此可提高电池组热容，增大电池和管道的接触面积，使温度分布更为均匀。电池组温差控制在±2℃以内，避免电池组局部温度过高。试验中，锂离子电池表面温度会发生变化。第325次循环，电池充放电时表面温升情况见图10～图11。

环境温度为24℃，电池表面温升是指电池表面温度相比其初始值的升高量，即与环境温度的差值。电池每次循环后，会搁置一段时间，电池表面温度会下降。由于电池充放电完成后的表面温度不同，温度下降幅度也不同。

图10中的放电开始时刻，图11中的充电开始时刻，电池的温升均不为0℃。由图10可知，放电结束时，电池表面温度最低为30.4℃， 温升为6.4℃；表面温度最高为33.5℃，温升为9.5℃；温升范围在6~10℃之内。由图11可知，充电过程的电池表面温升低于放电过程，在3.5~6℃之间。锂离子电池的工作温度范围一般为0~40℃。电池温度越高，容量衰减越快。温度差异将导致单体电池的性能产生差别，环境温度达 40℃以上时，差别更加明显。

四、结论

在常温常压无热控条件下，采用8只松下18650锂离子电池开展循环性能一致性试验，分析循环过程中的充放电时间、容量和能量变化情况。

250~300次循环中，电池性能已经出现了差异，500次循环后，电池中已经有6只无法正常循环。这表明，随着循环次数的增加，电池个体间性能的差异越来越明显，电池一致性变差。

通过将试验得到的数据与拥有电池管理系统的特斯拉汽车用电池组的充放电能量、充电时间和充电容量等数据进行比较发现，特斯拉电池组采用电池管理系统对电池进行充放电控制，并具有温度控制措施，保证电池工作在良好的环境中，从而能够延缓电池性能衰退，延长了电池循环使用寿命。

参考：《18650型锂离子电池循环性能一致性研究》，陈聪等，北京航空航天大学。