锂离子电池组连接方式的研究

1、锂离子电池组连接方式的研究摘要:对锂离子电池组的连接方式进行了研究, 分析了串联与并联复合连接方式的可靠 性, 并研究了复合连接中单体电池失效对电池组连接方式的影响。 研究结果表明先并联后串 联的连接方式在实际应用中更具优势。关键词:锂离子电池组;连接方式;可靠性;失效Abstract: The attended mode of lithium-ion batteries was studied and the reliability of hybrid attended mode with series-connected and parallel-connected was analyze

2、d. The effect of failure of individual cell on the attended mode of lithium-ion batteries was researched. The result demonstrated that the hybrid attended mode with series-connected after parallel-connected was better than others in practical applications.Key words: lithium-ion batteries; attended m

3、ode; reliability; failure随着大型锂离子电池组的广泛应用, 电池组的连接方式成为了研究的重点。 如电量储能 系统、 电动汽车等大型电池组需要电池组的能量很大, 因此电池组只有通过多只单体进行串 并联来满足,而如何进行连接成为了难题。电池组的组合中主要需要考虑电池组的可靠性、 电池失效对电池组的影响等。本文 依据 锂离子电池组在实际 使 用中的要 求 , 通过单体电池失效 模 式对电池组 各种 复合 连接方式进行性能分析。1、电池组串并联的可靠性分析一个元件正常工作 的 概率称 为 这个元件 的可靠性, 一个 系统能 正常工作 的 概率称 为 这个 系统的可靠性 1。 我

4、们把 组成系统中 任一 单 元 失效 均导致 系统失效的系统 叫做 串联系统。而 一个 系统 由 n 个部件 组成, 只有 当这 n 个部件都 失效 时 , 这个 系统 才 失效, 我们把这种 系统 叫做 并联系统。而 把由若干 串联 和 并联分系统并联 或 串联 起 来的系统, 叫做 复合系统 2。 图 1 串联系统 模 型图 1表 示一个由 n 个 单 元 组成的串联系统的可靠性 模 型, 假设图 1中 各 单 元之间是相互 独立 的, 且第 i 个 单 元 的可靠 度 为锂锂锂锂锂锂锂 (1图 2表 示一个由 n 个部件 组成的并联系统可靠性 模 型, 假设第 i 个部件 的可靠 度 为

5、 , i =1, 2 n , 且各部件之间是相互独立 的。 那么 可 得图 2的可靠 度 为 图 2 并联系统 模 型图 3 先串联后并联复合系统以 50串 5并的电池组为 例 , 计算两种 连接方式的可靠性, 即 m =5, n =50, 假设各 单 体电池的可靠 度一致 , 都 为 0.9, 则图 3连接的系统的可靠 度 为 :=0.9995 (4 图 4 先并联后串联复合系统从上述计算 可 看出 , 先并联后串联系统的连接可靠 度 要大 于 先串联后并联的 情况 。 对 于 先并联后串联, 系统的可靠 度高于 单体可靠 度 , 而先串联后并联系统的可靠 度低于 单体电池 可靠 度 ,因此

6、电池组在组合过 程 中要 求 尽 量 采 用先并联后串联的方式。2、串并联方式在电池组失效中的优点电池组的失效方式 一 般 有 三 种 3:(1 短路 失效; (2 断路 失效; (3 容 量 快速衰 减 失效。而 导致 短路 失效的 原 因有单体电池的 内短路 或 反极 性等, 导致 断路 失效的 原 因有单体电 池的 损坏 、 电池连接 处 由于 震 动等 原 因 断开 等, 导致 容 量 快速衰减 失效的 原 因有单体电池性 能的 快速衰减 或 者 由于 自放 电 率高于 其它 电池等。 就 出 现 概率 而 言 , 短路 失效的可能性 较小 , 而 震 动 导致 的连接 断开 和 自放

7、 电 率 差异 的 现象 在实际中 较 常出 现 。(1短路失效针 对 各 失效 原 因对电池组的连接方式进行分析。 当出 现短路 失效 时 , 图 3所示 的先串联 后并联的复合系统, 假设 B2单体电池 短路 失效,如 图 5所示 。可 以看出这样 的连接方式 没 有 安全 性的 问 题, 从 电 压 上 来 看 , 仅仅 是 A 组的电 压 要 高于 B 组,因此 会 出 现 A 组电池对 B 组电池进行 放 电的 情况 。 在电池组 充 电 末期 , 会 出 现 B 组电池 相 对 于设计 过 充 电的 现象 。 过 充 电 程度 视 串联 数 而 定 , 串 数越 多的电池组过 充

8、的 程度 越小 。 而在 放 电 末期 的 时 候 , 会 出 现 B 组电池过 放 电的 现象 , 同 样 ,串 数越 多的电池组 B 组电池过 放 电的 程度 越 低 。因此 这样 的 连接方式在 短路 失效中, B 组电池 存 在着 一定 的 滥 用。 但 只要串联的 数目较 大, 这种 轻微 的 滥 用 不会 对电池组的性能 造 成很明 显 的 伤害 。 尤其 是 在 非全充全放 的系统中, 该 方式 将 大 幅 增加 系统的可靠性。 图 5 先串联后并联系统中 短路 失效图 4所示 的先并联后串联的复合系统中, 假设 B2短路 失效,如 图 6所示 。可 以看出由 于 B2发生短路

9、, 将 导致 A2发生短路 ,进行大电 流放 电。 这种情况 将 是 很 危险 的, 然 而 由于 短路 失效中 一个是 电池的 内短路 , 另外一个则是 单体电池的 反极现象 。 可 以看出 , 如果 采 用 先并联后串联的方式, 则 要 出 现反极 的 现象 ,需要 A2单体电池 也反极 ,因此 不会 出 现 只有 其 中 一 只单体电池 反极 导致 的 危险 。 而单体电池的 内短路 导致 的 短路 失效 将 是这种 连接方式 最 大的 问 题, 将会产生较 大的电 流放 电, 从 而 导致 大量的 热发生 。 图 6 先并联后串联系统中 短路 失效因此 短路 失效对 于 先串联后并联的

10、连接方式 导致 的 是 其它 电池的 轻微滥 用。 而对先并联 后串联的连接方式 导致 的 是和 发生 失效电池并联的电池组的大电 流放 电, 出 现安全问 题, 因 此需要 采取 一定 的 措施 来 防止 大电 流 的 现象 。 如可 以 采 用 PTC 材料 来 限制 大电 流 的 产生 或 者 开关 电 路 来 切换短路 电池, 但 是这样导致 了复 杂 度和 成本的 上 升 。 而对 于模 块化 设计 的电池 组, 先并联后串联的连接方式更 易 于 更 换 和 维修 , 因为电池组中 一 般 总 是 串联的电池 数目 要大 于 并联的电池 数目 。 而 且由于 并联可 以 缓解 各 单

11、体电池的 不 一致 性, 提 高 电池组的 循环寿 命 。(2断路失效图 3所示 的先串联后并联系统中 发生断路 失效, 假设 B2发生断路 失效,如 图 7所示 。 可 以看出 B 组电池 将全 部 失 去 作 用, 这样使得 其它 所 有电池的 负荷 加 大。 在 充 电过 程 中 将 使 得 其它 电池组的 充 电电 流 变 大, 并联的组 数越 少 , 大电 流充 电的 情况 越 严 重, 将 导致 电池的 快速衰减 。 由于 电池组在实际应用过 程 中 经 常出 现断路 失效的 现象 , 因此先串联后并联的连 接方式 不 适 合电池组复合, 尤其 是 串联的电池 数目 远 大 于 并

12、联的电池 数目 的电池组应用中。 图 7 先串联后并联系统中 断路 失效而 图 4所示 的先并联后串联的复合系统中 发生断路 失效, 假设 B2发生断路 失效,如 图 8所示 。可 以看出 只有 第 2组的 其它 电池 会 出 现 工作 电 流 变 大的 现象 , 由于 电池组在应用过 程 中, 尤其 是 大型电池组,串联的电池 数目 要大 于 并联的电池 数目 。因此对 于 电池组, 假设 5并的电池组, 其 余 4只单体电池的 工作 电 流将 为 原 来的 1.25倍 。大型电池组 一 般采 用 模 块化 结 构 , 因此 由于模 块发生 故障 更 换 过 程 中 也 是 并联 模 块 经

13、济 。 如果并的 数目 多, 则 其 余 电池的 工作 电 流 变 化不 大,如 10并的电池组中 工作 电 流 变 化仅 为 原 来的 1.1倍 。而 且由于 电池 管 理 系统中 一 般 都 存 在着 各 单体电池的电 压 检测 系统, 因此可 以 有效 防止 单体电池的过 充 电。 图 8 先并联后串联系统中 断路 失效从 断路 失效的分析来 看 , 先并联后串联的系统要优 于 先串联后并联的系统。 尤其 是 在 模 块化 的大型电池组中,先并联后串联的电池组更 易 于 维 护 且 成本 低 。（3）单体容量快速衰减失效 由于单体电池的性能发生变化， 或者自放电率比其它电池高， 导致了某

14、单体电池的容量 低于其它电池。则对于先串联后并联的复合系统，在充电过程中，由于这节电池的电压低， 导致了该串联组中其它电池的过充电，过充电的程度和串联的数目有关。串联数越多，则其 它电池过充电的程度越小。而放电过程中，由于该电池的电压低，因此会导致过放电。如果 处于管理系统有过放保护的电池组中， 则该串联组中的所有电池都被禁止放电， 从而导致了 电池组的容量下降。 然而如果该电池的容量和其它电池容量差异较多， 且管理系统中没有过 放电保护，则会在放电过程中出现该电池的反极现象，即短路故障。 对于先并联后串联的复合系统， 由于并联中其它电池对该电池进行充电， 因此该电池与 其它电池的容量差异将会被其它并联电池所稀释。 并联的数目越多， 该失效所表现的现象越 不明显。 从上述的分析可知， 先并联后串联的系统对于单体电池的失效行为的自我调节能力要优于先 串联后并联的系统。 由于电池组在实际使用过程中， 较多出现的是由于震动导致连接失效的 断路失效和由于自放电大导致的容量快速失效。 而对于这两种失效， 先并联后串联的系统要 明显优于先串联后并联的系统。而且并联的数目越多，这种失效影响越小。而且对于串数较 少的电池组应用系统中， 先串联后并联的系统将会由于一节单体电池的短路失效导致整个电 池组的电压降低