合肥大学杨续来教授、余新玲博士最新发文：聚焦电池模组故障连接！

第一作者：杨文静

通讯作者：杨续来，余新玲

通讯单位：合肥大学

近年来，锂离子电池(LIBs)在电动汽车和储能系统等各种应用中有显著的优势。为满足功率和能量需求，通常将数个电池通过串联/并联的方式形成电池模组。然而电池模组内部存在的电接触电阻(即连接阻抗，CI)会对模组的容量、功率、老化等性能产生显著影响。并联模组中的故障电接触点(FECP)有可能导致模组容量下降和降解率升高。类似地，串联模组中的FECP可能会阻碍模组的充电/放电功率，而并联模组中的FECP最终会导致模组的实际容量低于规定的设计容量。因此，有效识别并诊断电池模组中的FECP对于确保电池模组的安全高效运行至关重要。

近日，来自合肥大学的杨续来教授与余新玲博士等人使用方形磷酸铁锂/石墨电池组合成两两并联的模组，设计模组有不同的CI，探究FECP对2-并联模组在充放电过程中容量、电压及连接点温度的影响，同时在相同频率下测量并联模组和单体电池的电化学阻抗谱(EIS)。研究结果表明，并联模组中存在的FECP对模组的电压、容量、连接点温度及EIS特征有显著的负面影响。

相关研究成果以“Influence of connection impedance on the performance of parallel-connected lithium-ion battery modules”为题发表在Journal of Power Sources上。

将10只方形磷酸铁锂两两组合成5组并联模组，电池正负极连接片使用304-M6螺丝连接，CI大小由螺丝的松紧程度控制。正常连接的两只电池的CI为0.215 mΩ，螺丝越松CI越大，大于0.215 mΩ表示为FECP。使用5 V 100 A充放电测试系统(含电压和温度辅助通道)对并联模块进行电压、容量及连接点温度测试，充放电倍率分别为0.5 C、1 C和1.5 C，环境温度为 (25±2 ) °C；电化学工作站同时测试并联模块和单体电池的EIS，频率为 0.01Hz–2kHz。

由一致性良好的2只电池正常连接形成的并联模组M1有最高的容量和充放电率，一致性较差的2只电池正常连接形成的并联模组M4充放电率对比M1较差，存在故障连接点的并联模组M2，M3和M5的容量和充放电率显著低于M1和M4；充放电过程中并联模组M2，M3和M5分别与各模组中单体电池的中值电压差大于模组M1和M4，且M5和单体电池的中值电压差最大，如图3所示。这些现象说明并联模组中存在故障连接点对模组的电压、容量等性能产生的负面影响比电池不一致性更严重，同时并联模组中故障连接点越多电池极化越严重。

图4展示了各模组放电过程中连接点温度的变化。寄生焦耳热的存在使5组并联模组正负极连接点的温度、升温速率均随放电倍率的增大而升高。正负极连接阻抗相同的模组(M1, M4, M5)在放电过程中正极连接点温度始终略高于负极连接点温度，而负极连接阻抗大于正极连接阻抗的模组(M2和M3)在放电结束时负极连接点温度显著高于正极连接点温度。ΔT表示放电结束时正极和负极连接点温差，模组M1, M4和M5的ΔT均为正，模组M2和M3的ΔT均为负，且M2的ΔT远大于M3。因此可以通过识别模组连接点温度、升温速率以及正负极连接点温差判断模组连接质量和连接阻抗。

如图5所示，正负极连接阻抗相同的模组M1和M5中单体电池EIS保持一致，但连接阻抗较大的模组M5的欧姆内阻R0比M1大。存在一个故障连接点的模组M2和M3中单体电池EIS不一致，而M3中单体电池EIS的重叠度高于M2中单体电池的重叠度，这是由于M3的故障点连接阻抗大于M2的故障点连接阻抗。这些结果表明，并联模组连接阻抗对单体电池的EIS有显著影响，且连接阻抗越大，EIS特征变化越明显。

图5.并联模组和单体电池EIS。

电池模组连接质量的研究对提高电池系统的整体性能和可靠性有重要意义，同时对企业快速发现并定位电池系统虚焊、漏焊等问题、优化电池模组设计有一定的指导作用。在实验的基础上，可以利用仿真手段对由更多电池串并联而成的电池模组进行模拟分析预测，缩短实验时间，提高工作效率。

Wenjing Yang, Manquan Lang, Xinling Yu, Xulai Yang,Influence of connection impedance on the performance of parallel-connected lithium-ion battery modules,Journal of Power Sources,Volume 593,2024,233949,ISSN 0378-7753.

上述工作得到了安徽省高校协同创新项目、安徽省科技重大专项、安徽省重点研发计划等项目的支持。

杨续来，男，2010年博士毕业于中国科技大学化学系可再生洁净能源专业。主要研究方向为新能源材料和新能源汽车，现任新能源中国电机工程学会电力储能专委会委员、新能源汽车国家大数据联盟理事、国电池工业协会全国电池行业专家、合肥大学教授、安徽省第三批特支计划创新领军人才。2016年-2021年主持并参与国家重点研发计划课题及安徽省科技重大专项等项目，包括基于主动安全的三元电池及其系统集成技术研究、基于模型的电池设计与智能制造技术开发、锂离子电池模块热失控传播机制与防控方法。2017年5月参与GB/T33827-2017(锂电池用纳米负极材料中磁性物质含量的测定方法)制定工作，发表中文核心、SCI等学术论文18余篇，授权发明专利28余项。获得多项国家和省级奖项，包括合肥市科技进步一等奖、安徽省科技进步三等奖。

余新玲，女，2020年毕业于中国科技大学材料科学与工程专业，获工学博士学位。后在中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所从事博士后研究工作。主要研究方向为电化学储能材料与器件。近5年在Journal of Materials Chemistry A，Journal of Power Sources, Journal of Energy Storage，Advanced Functional Materials，Carbon，Chemical Engineering Journal等国际期刊上发表论文近20篇。近5年参与多项国家自然科学基金及安徽省科技重大专项等，主持安徽省自然科学基金1项，授权发明专利1项。

杨文静，2023年6月研究生毕业于合肥大学能源材料与化工学院，研究生师从先进制造学院杨续来教授和余新玲博士，主要研究方向为动力电池一致性分析，现在国科能源技术创新中心（合肥）有限公司从事电池仿真工作。研究生期间，在期刊Journal of The Electrochemical Society和机械工程学报上发表论文，同时多篇专利均已实审。