18650鋰離子電池單只容量較小，常以電池組形式應用。圖1為航天電源、便攜式計算機電池包和電動汽車電池組應用的實物圖片。Tesla電動汽車則在多個型號、不同續航能力的電動汽車中選用松下18650電池作為動力電源，單體電池的一致性對于電池組工作的影響尤其重要。
安富強等研究了純電動汽車用的18650鋰離子電池在初始和老化過程中的一致性，分析電流、溫度和電壓對一致性的影響，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，并應考慮從老化的角度對電池進行分類。
本文用8只松下NCR18650A型2900mAh鋰離子電池設計一系列試驗，探究其在常溫常壓環境下，不采用熱控措施時循環電池的一致性。
試驗電池在常溫常壓環境下進行充放電，共循環500次。利用電池分容柜監測電池每次充放電過程中的容量和能量，溫度巡檢儀監測電池表面溫度變化。在規定條件下電池容量為：
式中：C為充電或放電容量；I為充電或放電某時刻的電流；t為充電或放電時間。電池能量為：
式中：W 為充電或放電能量；U(t)、I(t)為充電或放電某時刻的 電壓和電流；t 為充電或放電時間。試驗框圖見圖2。
8只電池利用測試儀8個通道，選擇恒流 - 恒壓充電模式，2A恒流充電至4.2 V，然后轉恒 壓充電至電流降為20mA，2A恒流放電至電壓2.75V，實時采集充放電數據。電池表面溫度采用鉑電阻測量，信號通過溫度巡檢儀采集，若充放電過程電池溫度過高便停止試驗。試驗采用的儀器如表1所示。
電池充電容量與循環次數的關系見圖3。放電容量與循環次數的關系見圖4。由圖3～圖4可知，在最初循環階段，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次循環之間就呈現出差異性，350次循環之后差異性開始變得顯著，500次循環后，個別電池容量已低至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稱容量70%以下，電池已老化無法使用。
電池充放電能量隨循環次數變化曲線見圖5～圖6，初始循環階段，電池充入能量11.2Wh，放出能量為10Wh；500次循環之后，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，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次循環之間呈現出差異性，350次循環之后差異 性開始變得顯著。
能量效率隨循環次數變化情況見圖7，最初循環電池的能 量效率均為 90%，隨著電池循環次數的增加，能量效率呈現下 降的趨勢，500次循環之后，2 只可以完成循環的電池能量效率為83%，而其他 6 節電池的能量效率在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，放電過程中有一部分能量以熱的形式散失。隨循環次數增加，電池內阻隨之變化，在300次以后，內阻差異大，使能量效率出現明顯差異。
電池充放電時間隨循環次數變化情況見圖8～圖9，電池充電時間在350次循環之前呈增長趨勢，由160min增長至280min，在350次循環以后電池的個體差異性開始體現，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
前文中電池試驗表明，500次循環后6只電池已無法正常循環。特斯拉電動汽車中應用的18650鋰離子電池能夠使用8年不限里程，1000次循環壽命。二者相差較大。特斯拉電池組有兩型，配備了電池管理系統。其一型電池組總能量為60kWh，內含6831只松下18650鋰離子電池，每69只單體并聯成一個模組，9個模組串聯構成一個模塊，11個模塊串聯構成整個電池組；另一型總能量為85kWh，內含8142只松下18650鋰離子電池。以60kWh電池組為例，假設完全放電，每次每只電池平均放電能量8783 Wh。循環初始每只放電能量為10Wh，在300次循環之前，每次每只循環放電能量仍可達到8Wh以上。可見，特斯拉電動汽車的電池管理系統設置能夠使得電池組以一定的放電深度制度進行循環，而非前文的完全充放電，延緩了電池衰老的過程。此外，特斯拉電動車對于60kWh 的電池組的保修限度為8年20余萬千米，根據出廠性能指標，60kWh電池組續航里程370km，20萬千米相當于540次續航里程之和。每只電池在循環壽命周期內的平均總輸出能量4.74kWh，試驗中8只電池500次循環內該值為3.74kWh。由于每次放電過程中電池能量有所保留，在特斯拉電池管理系統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。若采用標準接口110V/12A進行充電，電池組充電5小時26分鐘可續航行駛40.2 km，電池組滿充電需用時65h；采用高能充電模式，電池組充電23分鐘，可續航行駛40.2km，充電1小時，可續航103.0 km，充電5小時，可續航行駛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。試驗電池充電電流為2A。電池充電電流越大，電池循環壽命越短。試驗電池充電截止電壓為4.2V，容量29Ah。循環初始， 滿充電時間160min左右。300次循環出現最大充電時間280min，500次之后充電時間90min。汽車電池常規充電模式下，恒流12A充電65h，對于60kWh 的電池組，相當于每節電池充電容量為114.2 mAh，充電截止電壓比試驗電池設置的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冷卻液為50%水和50%乙二醇。冷卻管道鋪設在電池間，每個冷卻管道分為四個流道，雙向流動。管道的兩個端口既是進液口也是出液口。電池和管道之間填充導熱材料，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，避免電池組局部溫度過高。試驗中，鋰離子電池表面溫度會發生變化。第325次循環，電池充放電時表面溫升情況見圖10～圖11。
環境溫度為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，即與環境溫度的差值。電池每次循環后，會擱置一段時間，電池表面溫度會下降。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中的放電開始時刻，圖11中的充電開始時刻，電池的溫升均不為0℃。由圖10可知，放電結束時，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。由圖11可知，充電過程的電池表面溫升低于放電過程，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。溫度差異將導致單體電池的性能產生差別，環境溫度達 40℃以上時，差別更加明顯。
在常溫常壓無熱控條件下，采用8只松下18650鋰離子電池開展循環性能一致性試驗，分析循環過程中的充放電時間、容量和能量變化情況。
250~300次循環中，電池性能已經出現了差異，500次循環后，電池中已經有6只無法正常循環。這表明，隨著循環次數的增加，電池個體間性能的差異越來越明顯，電池一致性變差。
通過將試驗得到的數據與擁有電池管理系統的特斯拉汽車用電池組的充放電能量、充電時間和充電容量等數據進行比較發現，特斯拉電池組采用電池管理系統對電池進行充放電控制，并具有溫度控制措施，保證電池工作在良好的環境中，從而能夠延緩電池性能衰退，延長了電池循環使用壽命。參考：《18650型鋰離子電池循環性能一致性研究》，陳聰等，北京航空航天大學。
