合肥學院楊續來教授：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，由數百個電池單體經串聯和并聯成組而成，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單體電池的電壓、容量和電阻等參數進行分選，然后將參數接近的單體電池放在一起進行配組，從而提高電池組中的單體電池一致性。然后，經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現串聯或并聯連接，然而這個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，合肥學院楊續來教授課題組研究LiFePO4/C單體電池間電連接阻抗對電池組性能的影響。通過調節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的電阻平均值為0.13mΩ，高于0.2mΩ的電連接點都設定為問題連接點(FECP)），結合溫度和電壓監測，研究了電連接阻抗的不一致性對電池組循環性能的影響，為更好的理解動力電池實際生產過程中虛焊問題提供參考。相關研究成果以“Identifying faulty electrical contact points in Li-ion Battery Packs”為題發表在Journal of The Electrochemical Society上。

【內容表述】

1.FECP對電池組局部溫度的影響

當FECP存在于串聯電路上，可以很容易地通過監測連接點溫度的變化而檢測出來(圖1b)，但是若FECP存在與并聯電路中，在充放電早期是不能通過溫度檢測來發現該問題連接點的存在，只有在充放電末期的電壓拐點出現后(圖1a)，并聯電路中的FECP才會呈現出溫度高于其他正常連接點的特征。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的溫度，導致與FECP相鄰電池的溫度高于其他電池，進而影響電池循環壽命或安全性能。

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，當并聯電池模塊中存在一個阻值為1.983mΩ的FECP，如圖2a所示，在電池組充電截止電壓到達11.0V時，兩個不含FECP并聯電池模塊的截止電壓分別為3.54V和3.52V，而含有FECP并聯電池模塊中單體電池電壓分別為3.87V和3.51V。若在實際應用中設定單體電池電壓的充電截止電壓為3.65V，此時存在FECP的3P3S電池組的電壓僅為10.57V，相當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，并聯電池模塊中存在FECP會導致整個電池組的容量明顯降低；同時放電過程中也會因FECP的存在而使得并聯模塊中部分單體電池率先達到放電截止電壓，從而使得整個電池組停止放電，這也是在實際應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，當電池組串聯電路上存在FECP時，電池組會出現明顯的“充電電壓平臺偏高，放電電壓平臺偏低”的極化現象，表明串聯電路中存在FECP會更為明顯的降低電池組的充放電功率特性，進而更加影響電池組循環壽命。

圖2.并聯電池模塊中FECP對電池組電壓的影響

3.FECP對電池組循環壽命的影響

研究了FECP對循環壽命的影響，在室溫下以1C倍率進行充放電循環測試，電池組中的FECP的阻值控制在0.4mΩ。結果表明，在沒有電池均衡管理系統控制的情況下，以容量衰減至80%或單體電池放電末端電壓降至2V為循環截止條件，正常3P3S和1P3S電池組循環壽命分別為1210次和1260次，均少于單體電池的1510次（充放電電壓區間為2.5-3.65V）(圖3a)，而3P并聯模塊中存在一個FECP的3P3S電池組及串聯電路上有一個FECP的1P3S電池組分別在1097次和381次時，因有單體電池放電末端電壓低于2.0V而自動停止循環。同時，隨著循環次數的增加，電池組放電結束時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的一個特征數據，存在FECP的電池組的放電壓差要遠遠高于正常電池組，但相同情況下電池組的放電壓差要遠高于充電壓差。

圖3.磷酸鐵鋰實驗電池組的室溫循環特性

【結論】

鋰離子電池組中虛焊點的存在會使得電池組內部出現局部溫度差和電壓差，進而使得存在虛焊點電池組的循環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，大容量的單體電池應該比小容量的單體電池對電池一致性更有利。

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