18650鋰離子電池單只容量較小，常以電池組形式應(yīng)用。圖1為航天電源、便攜式計(jì)算機(jī)電池包和電動(dòng)汽車電池組應(yīng)用的實(shí)物圖片。Tesla電動(dòng)汽車則在多個(gè)型號(hào)、不同續(xù)航能力的電動(dòng)汽車中選用松下18650電池作為動(dòng)力電源，單體電池的一致性對(duì)于電池組工作的影響尤其重要。
安富強(qiáng)等研究了純電動(dòng)汽車用的18650鋰離子電池在初始和老化過(guò)程中的一致性，分析電流、溫度和電壓對(duì)一致性的影響，得出為提高18650電池的一致性，必須把充放電倍率和 溫度控制在一定范圍內(nèi)，并應(yīng)考慮從老化的角度對(duì)電池進(jìn)行分類。
本文用8只松下NCR18650A型2900mAh鋰離子電池設(shè)計(jì)一系列試驗(yàn)，探究其在常溫常壓環(huán)境下，不采用熱控措施時(shí)循環(huán)電池的一致性。
試驗(yàn)電池在常溫常壓環(huán)境下進(jìn)行充放電，共循環(huán)500次。利用電池分容柜監(jiān)測(cè)電池每次充放電過(guò)程中的容量和能量，溫度巡檢儀監(jiān)測(cè)電池表面溫度變化。在規(guī)定條件下電池容量為：
式中：C為充電或放電容量；I為充電或放電某時(shí)刻的電流；t為充電或放電時(shí)間。電池能量為：
式中：W 為充電或放電能量；U(t)、I(t)為充電或放電某時(shí)刻的 電壓和電流；t 為充電或放電時(shí)間。試驗(yàn)框圖見(jiàn)圖2。
8只電池利用測(cè)試儀8個(gè)通道，選擇恒流 - 恒壓充電模式，2A恒流充電至4.2 V，然后轉(zhuǎn)恒 壓充電至電流降為20mA，2A恒流放電至電壓2.75V，實(shí)時(shí)采集充放電數(shù)據(jù)。電池表面溫度采用鉑電阻測(cè)量，信號(hào)通過(guò)溫度巡檢儀采集，若充放電過(guò)程電池溫度過(guò)高便停止試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的儀器如表1所示。
電池充電容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖3。放電容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖3～圖4可知，在最初循環(huán)階段，電池 的充電容量均為2900mAh，放電容量均為2860mAh，具有良好的一致性。
在250～300次循環(huán)之間就呈現(xiàn)出差異性，350次循環(huán)之后差異性開(kāi)始變得顯著，500次循環(huán)后，個(gè)別電池容量已低至100mAh，僅有2只電池的容量在2000mAh以上；圖中虛線為電池容量降至標(biāo)稱容量70%以下，電池已老化無(wú)法使用。
電池充放電能量隨循環(huán)次數(shù)變化曲線見(jiàn)圖5～圖6，初始循環(huán)階段，電池充入能量11.2Wh，放出能量為10Wh；500次循環(huán)之后，僅有2只電池可以充入能量8Wh，放出能量6.6Wh。
其余6只電池未能正常完成循環(huán)，這幾只電池充入能量范圍0.4~2.5Wh，放出能量范圍為0.3~2Wh。電池的充放電能 量在250~300次循環(huán)之間呈現(xiàn)出差異性，350次循環(huán)之后差異 性開(kāi)始變得顯著。
能量效率隨循環(huán)次數(shù)變化情況見(jiàn)圖7，最初循環(huán)電池的能 量效率均為 90%，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，能量效率呈現(xiàn)下 降的趨勢(shì)，500次循環(huán)之后，2 只可以完成循環(huán)的電池能量效率為83%，而其他 6 節(jié)電池的能量效率在70%~80%之間。
由圖3～圖4可知，6只電池容量已降至70%以下，進(jìn)入老化期，能量效率有小幅回彈。這期間電池已不能正常循環(huán)，放電過(guò)程中有一部分能量以熱的形式散失。隨循環(huán)次數(shù)增加，電池內(nèi)阻隨之變化，在300次以后，內(nèi)阻差異大，使能量效率出現(xiàn)明顯差異。
電池充放電時(shí)間隨循環(huán)次數(shù)變化情況見(jiàn)圖8～圖9，電池充電時(shí)間在350次循環(huán)之前呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，由160min增長(zhǎng)至280min，在350次循環(huán)以后電池的個(gè)體差異性開(kāi)始體現(xiàn)，除了2只電池充電容量和充電能量衰減較少外，其他電池充電容量和能量大幅衰減，充電時(shí)間降低至200min以下，最低至5min。
3.1 放電能量差異
前文中電池試驗(yàn)表明，500次循環(huán)后6只電池已無(wú)法正常循環(huán)。特斯拉電動(dòng)汽車中應(yīng)用的18650鋰離子電池能夠使用8年不限里程，1000次循環(huán)壽命。二者相差較大。特斯拉電池組有兩型，配備了電池管理系統(tǒng)。其一型電池組總能量為60kWh，內(nèi)含6831只松下18650鋰離子電池，每69只單體并聯(lián)成一個(gè)模組，9個(gè)模組串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)模塊，11個(gè)模塊串聯(lián)構(gòu)成整個(gè)電池組；另一型總能量為85kWh，內(nèi)含8142只松下18650鋰離子電池。以60kWh電池組為例，假設(shè)完全放電，每次每只電池平均放電能量8783 Wh。循環(huán)初始每只放電能量為10Wh，在300次循環(huán)之前，每次每只循環(huán)放電能量仍可達(dá)到8Wh以上。可見(jiàn)，特斯拉電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)設(shè)置能夠使得電池組以一定的放電深度制度進(jìn)行循環(huán)，而非前文的完全充放電，延緩了電池衰老的過(guò)程。此外，特斯拉電動(dòng)車對(duì)于60kWh 的電池組的保修限度為8年20余萬(wàn)千米，根據(jù)出廠性能指標(biāo)，60kWh電池組續(xù)航里程370km，20萬(wàn)千米相當(dāng)于540次續(xù)航里程之和。每只電池在循環(huán)壽命周期內(nèi)的平均總輸出能量4.74kWh，試驗(yàn)中8只電池500次循環(huán)內(nèi)該值為3.74kWh。由于每次放電過(guò)程中電池能量有所保留，在特斯拉電池管理系統(tǒng)下的鋰離子電池衰老減慢，總放電能量有所提升。特斯拉電動(dòng)車可以采用不同充電制式，Model S有四種充電模式，分別是110V/12A、240V/24A、240V/40A和240V/80A。若采用標(biāo)準(zhǔn)接口110V/12A進(jìn)行充電，電池組充電5小時(shí)26分鐘可續(xù)航行駛40.2 km，電池組滿充電需用時(shí)65h；采用高能充電模式，電池組充電23分鐘，可續(xù)航行駛40.2km，充電1小時(shí)，可續(xù)航103.0 km，充電5小時(shí)，可續(xù)航行駛482.8km。汽車上電池組采用大電流80A充電方式，每只電池平均承載電流為1.16A。試驗(yàn)電池充電電流為2A。電池充電電流越大，電池循環(huán)壽命越短。試驗(yàn)電池充電截止電壓為4.2V，容量29Ah。循環(huán)初始， 滿充電時(shí)間160min左右。300次循環(huán)出現(xiàn)最大充電時(shí)間280min，500次之后充電時(shí)間90min。汽車電池常規(guī)充電模式下，恒流12A充電65h，對(duì)于60kWh 的電池組，相當(dāng)于每節(jié)電池充電容量為114.2 mAh，充電截止電壓比試驗(yàn)電池設(shè)置的4.2V要低很多。充電截止電壓越高，電池衰退速度越快。特斯拉電池組中的液冷系統(tǒng)冷卻液為50%水和50%乙二醇。冷卻管道鋪設(shè)在電池間，每個(gè)冷卻管道分為四個(gè)流道，雙向流動(dòng)。管道的兩個(gè)端口既是進(jìn)液口也是出液口。電池和管道之間填充導(dǎo)熱材料，如此可提高電池組熱容，增大電池和管道的接觸面積，使溫度分布更為均勻。電池組溫差控制在±2℃以內(nèi)，避免電池組局部溫度過(guò)高。試驗(yàn)中，鋰離子電池表面溫度會(huì)發(fā)生變化。第325次循環(huán)，電池充放電時(shí)表面溫升情況見(jiàn)圖10～圖11。
環(huán)境溫度為24℃，電池表面溫升是指電池表面溫度相比其初始值的升高量，即與環(huán)境溫度的差值。電池每次循環(huán)后，會(huì)擱置一段時(shí)間，電池表面溫度會(huì)下降。由于電池充放電完成后的表面溫度不同，溫度下降幅度也不同。圖10中的放電開(kāi)始時(shí)刻，圖11中的充電開(kāi)始時(shí)刻，電池的溫升均不為0℃。由圖10可知，放電結(jié)束時(shí)，電池表面溫度最低為30.4℃， 溫升為6.4℃；表面溫度最高為33.5℃，溫升為9.5℃；溫升范圍在6~10℃之內(nèi)。由圖11可知，充電過(guò)程的電池表面溫升低于放電過(guò)程，在3.5~6℃之間。鋰離子電池的工作溫度范圍一般為0~40℃。電池溫度越高，容量衰減越快。溫度差異將導(dǎo)致單體電池的性能產(chǎn)生差別，環(huán)境溫度達(dá) 40℃以上時(shí)，差別更加明顯。
在常溫常壓無(wú)熱控條件下，采用8只松下18650鋰離子電池開(kāi)展循環(huán)性能一致性試驗(yàn)，分析循環(huán)過(guò)程中的充放電時(shí)間、容量和能量變化情況。
250~300次循環(huán)中，電池性能已經(jīng)出現(xiàn)了差異，500次循環(huán)后，電池中已經(jīng)有6只無(wú)法正常循環(huán)。這表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池個(gè)體間性能的差異越來(lái)越明顯，電池一致性變差。
通過(guò)將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與擁有電池管理系統(tǒng)的特斯拉汽車用電池組的充放電能量、充電時(shí)間和充電容量等數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，特斯拉電池組采用電池管理系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行充放電控制，并具有溫度控制措施，保證電池工作在良好的環(huán)境中，從而能夠延緩電池性能衰退，延長(zhǎng)了電池循環(huán)使用壽命。參考：《18650型鋰離子電池循環(huán)性能一致性研究》，陳聰?shù)?，北京航空航天大學(xué)。
