鋰離子電池成組設計與分析

周君

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714021

摘要：通過分析鋰離子電池組合拓撲結構的可靠性，為電池組成組設計和方案論證提供參考；性能良好的熱控設計是電池長時間可靠工作的重要保證，電池組成組設計中需對電池熱特性進行試驗和分析，選擇適用的熱控設計方式；根據鋰離子電池應用經驗，介紹了提高電池一致性一些常用措施，實現電池成組后整體性能的最優化。

關鍵詞：鋰離子電池；組合設計；熱特性；一致性

近年來，鋰離子電池由于輸出電壓高且平穩、自放電率小、無記憶效應、無污染等突出優點，廣泛應用于水下、地面及空間各個領域，而且隨著其性價比優勢的提高，大規模的鋰離子電池組工程化應用越來越多，如Tesla Model S 85車型上一共有7104節18650鋰離子電池，COSMOSkyMed高分辨率雷達衛星選用了2016節18650鋰離子電池。但是大規模鋰離子長時間、大電流充放電時容易導致安全性、可靠性等問題，從而嚴重影響鋰離子電池組整體輸出性能。本文主要從組合拓撲結構、熱特性和一致性幾個方面對鋰離子電池成組設計進行分析。

1 電池組組合拓撲結構

為了達到整機設備的電壓、能量、峰值功率等供電要求，需要足夠數量的鋰離子電池通過串并聯獲得，所以電池組組合拓撲的形式顯得尤為重要，是實現電池組可靠性要求的關鍵因素。通過對電池組合拓撲進行可靠性建模和分析，為方案設計優選、調整提供依據。

電池組的連接方式有串聯、并聯和混聯，混聯包括先并后串和先串后并。數量較多、模型復雜的電池組，一般都由多個電池模塊組成，每個模塊又由多個單體電池組成，所以對電池組組合拓撲結構分析時應分模塊、分層進行，歸納對應可靠性模型包括串聯模型、并聯模型。

鋰離子電池在進行組合時，采用先并后串拓撲結構的優勢是，組合形式簡單，且易于后期維護和模塊的更換，但當一只電池發生失效，尤其是單體電池的內短路，會造成整個模塊的大電流放電，導致熱失控發生危險。采用先串后并拓撲結構的優勢是，當某只電池發生失效時，電池組只損失了一串電池的容量，電池組電壓不會發生變化，但當電池串聯數量較多或成組模塊設計時，該組合形式有局限性。

以Tesla Model S 85車型為例，其底盤包括共16塊電池組，每塊電池組由77并6串組成，為防止單節電池發生異常時出現溫度過高，每節電池都設有保險絲與其他電池并聯，通過自動熔斷保險絲的方法隔離發生異常的單體電池，保護整個電池組。

電池的基本失效率數據，可參考GJB/Z299C2006《電子設備可靠性預計手冊》中給出的鋰電池的基本失效率1.50×106/h。另外選用的鋰離子電池技術成熟程度很高時，可參考法國SAFT公司公布的該公司在衛星電源領域取得廣泛應用的VES140鋰離子蓄電池的基本失效率4.28×109/h。

對電池組組合采用模塊化的靈活設計，以實現較高的可靠性預計，除了可靠性外還需要考慮與電、機械、裝配、熱設計、安全、監測等方面的相關問題。模塊化組合拓撲形式的優化，可使其對電池排布設計、集成和裝配成本造成的影響最小。

2 電池組熱特性

不同類型的單體電池的熱特性各不相同，在組成電池模塊后，由于組合數量、排列方式以及封裝方式不同，電池模塊的熱特性差異很大。組成模塊的單體電池數量越大，熱量集聚的現象越明顯，電池成組密集擺放，四周與中心的散熱條件不同，從而造成整體溫差，電池電流較大時，發熱量更高，密集擺放后造成的溫度不均衡現象就會更加明顯。如果電池組溫度過高或溫度分布不均勻，不僅影響鋰離子電池的一致性，使得電池模塊整體性能大幅降低，而且影響電池的使用壽命，嚴重時還將導致熱失控，造成安全問題；在溫度過低時，鋰離子電池是無法正常工作的，即便在稍高溫度（如0℃左右）下持續工作，仍會對電池的能量、功率輸出能力及循環壽命產生較大影響。因此需要對電池組熱特性充分分析，進行熱控方案設計。

在確定單體電池熱特性、組件結構、熱物參數等因素下，使用數值計算軟件，可仿真電池組成組設計后溫度場分布云圖。電池熱特性可通過在絕熱環境下不同溫度、不同倍率充放電時的溫升情況測定比熱容和發熱量等參數。電池的發熱量與環境溫度、電流和充、放電深度等相關，圖1是某型號鋰離子電池在起始常溫絕熱環境下以不同倍率充電時的溫升情況，1C充電時的溫升明顯高于0.5C充電。通過絕熱環境下溫升情況的試驗，可以獲得電池的發熱量。

熱控設計目的是使電池組工作在較穩定的溫度環境，從而具備較高的容量保持率和安全可靠性，保持電池之間的溫度均勻性。鋰離子電池充、放電工作的環境溫度維持在10℃到35℃之間最佳，電池間溫差變化在小范圍內波動。熱控設計包括電池加熱和散熱兩個方面。

加熱可通過消耗電池自身的能量，如加熱板加熱、發熱線纏繞加熱、電熱膜包覆加熱等方法，這些加熱方式有效且升溫迅速，能夠保證各處加熱均勻；散熱按照采用的傳熱介質可以分為：空氣介質、液體介質、相變材料（PCM），其中相變材料是利用相變潛熱達到被動熱控目的，相變材料在物相改變過程中，能夠吸收或者釋放潛熱，無寄生的功耗，具有很高的可靠性，因此在散熱受限條件下，為了適應總體構形、能量、重量等進行相變材料熱控設計已成為應用的熱點，圖2是加PCM和不加PCM兩種情況下電池溫升情況對比。

圖2 電池溫升與加PCM下電池溫升情況對比

針對電池組的應用功能特點和整機設備要求，綜合精確地熱特性分析和控制技術，設計熱控系統，并分解模塊化進行等比例或縮小比例的地面試驗驗證，根據試驗結果對熱控設計進行完善和優化。

3 電池組一致性

鋰離子電池性能好壞主要取決于成組后的單體電池性能一致性，只有所有單體電池在電壓、荷電量、容量、內阻、自放電等特性最接近的情況下，才能實現電池成組后整體性能的最優化。因此，保證單體電池性能的一致性非常重要。

電池組的一致性是相對的，在制造過程中即使同批、同型號電池的性能參數也不可能一致，但可以在電池成組和使用過程中，篩選出性能接近的單體電池進行組合，并采取一定的措施，減緩電池不一致性擴大的趨勢或速度，保證電池在長期貯存后仍然具備較高的整體可靠性。

在電池組使用過程中檢測單電池參數，對極端參數電池及時進行調整或更換，以保證電池組參數不一致性不隨使用時間而增大。介紹以下常用措施，提高電池一致性。

1）電池組成組設計中預留單體電池電壓檢測通道，可對使用中發現的容量偏差較大的電池，進行單獨維護，使其性能與其他電池接近，或在維護時方便進行分模塊并聯充電；

2）電池組擱置期間，按規定環境要求進行貯存，每隔大約6個月進行電池組電壓檢查、維護性充放電，及時排除有安全隱患的電池；

3）使用過程中避免電池過充電、過放電和短路，以免對電池造成不可逆性損害；

4）良好的熱控設計可保證電池組的使用環境和溫度均勻；

5）采用電池組管理系統對電池組進行安全監控、均衡及有效管理，包括充放電電流、單體電池電壓、SOC、溫度等進行監測，對電池組充放電進行智能管理。

4 結語

在項目中開展大規模的鋰離子電池成組設計應用時，以上簡述的組合拓撲結構、電池的熱特性和一致性應綜合考慮，結合充放電工作方式、布線、外部接口和結構等因素進行分析，鋰離子電池作為高能量密度的儲能載體，電池成組設計是關系整機設備的性能、可靠性和安全性關鍵部分。

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