锂电池不一致的电芯串并在一起使用，会出现哪些问题呢？

电芯性能的不一致，都是在生产过程中形成，在使用过程中加深。同一个电池组内的电芯，弱者恒弱，且加速变弱。单体电芯之间参数的离散程度，随着老化程度的加深而加大。

动力锂电池，已经稳稳占据了电动汽车电源江湖老大的地位。使用寿命长，能量密度高，还极具改进潜力。安全性可以改，能量密度可以继续上升。在可预见的时间里（传说大约2020年左右）就可以赶上燃油车的续航能力和性价比，步入电动汽车的第一个成熟阶段。然而锂电池也有锂电池的烦恼。

为什么锂电池多数都是小个子

我们看到的锂电池，圆柱电池，软包电池、方形电池，一般都长相清秀，完全找不到传统铅酸电池那样的大块头，这是为什么？

能量密度高，锂电池往往不敢设计成大容量。铅酸电池的能量密度在40Wh/kg左右，而锂电池，已经超过150Wh/kg。能量集中度提高，对安全性的要求水涨船高。

首先，单只能量过高的锂电池，遇到意外，引发热失控，电池内部急剧反应，短时间内，过多的能量无处释放，是非常危险的。尤其在安全技术，管控能力发展还不够充分的时候，每只电池的容量都应该克制。

其次，被锂电池壳体包裹起来的能量，一旦出现意外，消防员、灭火剂无法触及、无能为力，只能在发生事故时隔离现场，任事故电池自行反应，能量燃尽为止。

当然，出于安全考虑，当前的锂电池已经设计了多重安全手段。拿圆柱电池为例。

安全阀，当电池内部反应超出正常范围，温度上升，并且伴随生成副反应气体，压力达到设计值，安全阀自动开启，泄掉压力。安全阀打开的一刻，电池完全失效。

热敏电阻，有的电芯配置热敏电阻，一旦出现过流，电阻在达到某一个温度以后，阻值陡增，所在回路电流下降，阻止温度的进一步升高。

熔断器，电芯配备具有过流熔断功能的熔丝，一旦出现过流风险，电路断开，避免恶性事故的发生。

锂电池一致性问题

锂电池不能做成一大只，只好把众多小电芯组织起来，大家劲往一处使，精诚合作，也能带着电动汽车飞起。这时候，就需要面对一个问题，一致性。

我们日常的经验是，两节干电池，正负极连接起来，手电筒就能发光，有谁管它一致不一致的事情。而锂电池的大规模应用，情形却并非如此简单。

锂电池参数的不一致主要是指容量、内阻、开路电压的不一致。不一致的电芯串并在一起使用，会出现如下问题。

1） 容量损失，电芯单体组成电池组，容量符合“木桶原理”，最差的那颗电芯的容量决定整个电池组的能力。

为了防止电池过充过放，电池管理系统的逻辑如此设置：放电时，当最低的单体电压达到放电截止电压时，整个电池组停止放电；充电时，当最高单体电压触及充电截止电压时，停止充电。

拿两只电池串联举例。一只电池容量1C，另外一只容量只有0.9C。串联关系，两只电池通过同样大小的电流。

充电时，容量小的电池必然先充满，达到充电截止条件，系统不再继续充电。放电时，容量小的电池也必然先放光全部可用能量，系统即刻停止放电。

这样，容量小的电芯始终在满充满放，容量大的电芯却一直使用部分容量。整个电池组的容量总有一部分处于闲置状态

2） 寿命损失，类似的，电池组的寿命，由寿命最短的那颗电芯决定。很大可能性，寿命最短的电芯，就是那颗容量小的电芯。小容量电芯，每次都是满充满放，出力过猛，很大可能最先到达寿命的重点。一直电芯寿命终结，一组焊接在一起的电芯，也就跟着寿终正寝。

3） 内阻增大，不同的内阻，流过相同的电流，内阻大的电芯发热量相对比较多。电池温度过高，造成劣化速度加快，内阻又会进一步升高。内阻和温升，形成一对负反馈，使高内阻电芯加速劣化。

上面三个参数，并不完全独立，老化程度深的电芯内阻比较大，容量衰减也更多。分开说明，只是想表述清楚它们各自的影响方向。

如何应对不一致性

电芯性能的不一致，都是在生产过程中形成，在使用过程中加深。同一个电池组内的电芯，弱者恒弱，且加速变弱。单体电芯之间参数的离散程度，随着老化程度的加深而加大。

当前，工程师应对单体电芯不一致，主要从三个方面考虑。单体电池分选，成组后热管理，出现少量不一致时电池管理系统提供均衡功能。

1）分选

不同批次的电芯，理论上不放在一起使用。即使相同批次的电芯，也需要经过筛选，把参数相对集中的电芯放在一个电池组里，同一个电池包里。

分选的目的，是把参数相近的电芯挑选出来。分选方法，被研究了很多年，主要分静态分选和动态分选两大类。

静态分选，针对电芯的开路电压，内阻，容量等特性参数进行筛选，选取目标参数，引入统计算法，设定筛选标准，最后将同一批次的电芯区分成若干组。

动态筛选，是针对电芯在充放电过程中表现出来的特性进行筛选，有的选择恒流恒压充电过程，有的选取脉冲冲击充放电过程，有的对比自身的充电和放电曲线之间的关系。

动静结合分选，用静态筛选做初步分组，在此基础上进行动态筛选，这样划分出来的组别更多，筛选准确性更高，但成本也会相应上升。

这里就小小体现了一把动力锂电池生产规模的重要性。大规模出货，使得厂家可以进行更精细的分选，得到性能更接近的电池组。如果产量太小，分组过多，一个批次都无法装备一个电池包，再好的方法也无法施展了。

2）热管理

针对内阻不一致电芯，产生热量不相同问题。热管理系统的加入，可以调节整个电池组的温差，使之保持在一个较小的范围里。生成热量较多的电芯，依然温升偏高，但不会与其他电芯拉开差距，劣化水平就不会出现明显的差距。

3）均衡

电芯单体的不一致，某些电芯端电压，总是超前于其他电芯，最先到达控制阈值，导致整个系统容量变小。为了解决这个问题，电池管理系统BMS设计了均衡功能。

某一颗电芯率先到达充电截止电压，而其余众电芯电压明显滞后，BMS起动充电均衡功能，或者接入电阻，放掉高电压电芯的部分电量，或者把能量转移走，放到低电压电芯上去。这样，充电截止条件被解除，充电过程重新开始，电池包充入更多电量。

直到现在，电芯的不一致性，仍然是行业内研究的重要领域。电芯能量密度再高，遇到不一致性来搅局，电池包能力也会大打折扣。

是什么决定了新能源汽车的续航里程？新能源汽车的续航主要取决于可用电量和整车能耗。

续航能力↑=可用电量↑÷能耗↓

在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。

图1 电池包系统在整车中的布局▌什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。

电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量，基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)

电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积，基本单位为Wh/L(瓦时/升)

电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。

▌什么是单体能量密度？

电池的能量密度常常指向两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统的能量密度。

电芯是一个电池系统的最小单元。M个电芯组成一个模组，N个模组组成一个电池包，这是车用动力电池的基本结构。

图2 动力电池系统构造示意图

单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。

根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。

▌什么是系统能量密度？

系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积

▌究竟是什么限制了锂电池的能量密度？

电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。

一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。

图3 方壳电芯结构图

我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢？

现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。

根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。

磷酸铁锂的电压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能量密度高下立分：16%的差额。

当然，除了化学体系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能量密度。一般来说，压实密度越大，在有限空间内，电池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。

在《大国重器II》第四集中，宁德时代采用了6微米铜箔，利用先进的工艺水平，提升了能量密度。

如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。

▌如何提高能量密度呢？

新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面，我们会从单体和系统两个维度进行讲解。

——单体能量密度，主要依靠化学体系的突破

01 增大电池尺寸

电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。我们最熟悉的例子莫过于：率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。

图4 不同尺寸的圆柱电池对比

但是电芯“变胖”或者“长个”只是治标，并不治本。釜底抽薪的办法，是从构成电池单元的正负极材料以及电解液成分中，找到提高能量密度的关键技术。

02 化学体系变革

前面提到，电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料。

高镍正极

三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族，我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。

在图5中几种典型三元材料中可以看出，镍的占比越来越高，钴的占比越来越低。镍的含量越高，意味着电芯的比容量就越高。另外，由于钴资源稀缺，提高镍的比例，将降低的降低钴的使用量。

图5 不同正极材料的克容量对比

硅碳负极

硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g，远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g，因此成为石墨负极的有力替代者。

目前，用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式，已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model3就采用了硅碳负极。

在未来，如果想要百尺竿头更进一步——突破单体电芯350Wh/kg的关口，业内同行们可能需要着眼于锂金属负极型的电池体系，不过这也意味着整个电池制作工艺的更迭与精进。

图6 锂离子电池电池体系的高能化发展趋势

03 系统能量密度：提升电池包的成组效率

电池包的成组考验的是电池“攻城狮“们对单体电芯和模组排兵布阵的能力，需要以安全性为前提，最大程度地利用每一寸空间。

电池包的“瘦身”主要有以下几种方式。

优化排布结构

从外形尺寸方面，可以优化系统内部的布置，让电池包内部零部件排布更加紧凑高效。

拓扑优化

我们通过仿真计算在确保刚强度及结构可靠性的前提下，实现减重设计。通过该技术，可以实现拓扑优化和形貌优化最终帮助实现电池箱体轻量化。

选材

我们可以选择低密度材料，如电池包上盖已经从传统的钣金上盖逐步转变为复合材料上盖，可以减重约35%。针对电池包下箱体，已经从传统的钣金方案逐步转变为铝型材的方案，减重量约40%，轻量化效果明显。

整车一体化设计

整车一体化设计与整车结构设计通盘考虑，尽可能共享、共用结构件，例如防碰撞设计，实现极致的轻量化

图7 整车集成模态仿真

图8 整车集成模态仿真

电池是一个很全方位的产品，你要提升某一方面的性能，可能会牺牲其他方面的性能，这是电池设计研发的理解基础。动力电池属于车载专用，因而能量密度不是衡量电池品质的唯一尺度。