淺談我國鋰電池系統的串并聯優化成組原理和方案

張少綿

摘 要：在純電動汽車、電網儲能應用中，單體電池串聯以滿足電壓需求，并聯以滿足容量需求，串并聯連接方式往往同時存在。因此我們致力于研究純電動汽車以及電網儲能用串并聯電池組的建模仿真方法，基于對串并聯電池組的建模仿真分析，探究影響鋰離子電池組性能的主要因素以及優化的電池成組方法。大容量鋰電池儲能系統在電力系統中的應用發展潛力巨大，盡管國內單體制造技術已相對成熟，但電池成組理論研究不多，成組后性能極大程度下降以及安全性問題也亟待解決。基于儲能系統電池成組的特點，分析了成組應用中影響電池組性能的因素，并從應用角度介紹了當前國內電池成組技術的現狀，提出了儲能系統中電池成組與集成技術的關鍵問題，并歸納了未來儲能系統中成組技術的發展方向。

關鍵詞：鋰離子電池；串并聯電池組；優化成組

在純電動汽車、電網儲能應用中，單體電池串聯以滿足電壓需求，并聯以滿足容量需求，串并聯連接方式往往同時存在。因此我們致力于研究純電動汽車以及電網儲能用串并聯電池組的建模仿真方法，基于對串并聯電池組的建模仿真分析，探究影響鋰離子電池組性能的主要因素以及優化的電池成組方法。

1.串并聯電池組拓撲結構

電池組典型的連接方式有先并聯后串聯、先串聯后并聯，如圖ab所示，混聯方式如圖c 所示。其中北京奧運會、上海世博會純電動公交車用電池即采用先并后串的連接方式，電網電池儲能中往往采用先串后并的連接方式。

從電池組連接的可靠性以及電池電壓不一致性發展趨勢和電池組性能影響的角度分析，先并聯后串聯連接方式優于先串聯后并聯連接方式，而先串后并的電池拓撲結構有利于對系統各個單體電池進行檢測和管理。先并后串連接方式的建模仿真可用于電動汽車整車仿真的動力電池部分，計算整個電池組的功率輸出；先串后并連接方式的建模仿真可用于電網儲能中并聯支路的投切后不均衡電流、電流均衡時間的仿真計算；再綜合考慮這兩種基本連接方式對混聯方式的電池組建模。

2.鋰電池系統的串并聯優化成組原理

串并聯電池組在使用過程中出現的電池單體過充電、過放電、超溫和過流問題，致使成組電池使用壽命大幅縮短甚至發生燃燒、爆炸等惡性事故，成組動力鋰電池使用壽命縮短、安全性下降已經成為制約其推廣應用和產業發展的關鍵。電池篩選成組與適應動力鋰離子電池的有效電池管理是提高串并聯電池組性能的兩個重要方面。串聯電池組中由于單體電池容量、初始SOC、內阻、極化的不一致性，在充放電過程中需要電池管理系統檢測單體電池電壓與充放電設備通信以防部分單體電池的過充或過放，串聯電池組在良好的電池管理條件下，使用過程中避免濫用如大電流倍率、環境溫度過高等，串聯電池組不會因為連接成組而造成快于單體電池的壽命衰退，但是部分電池性能的短板效應會減小串聯電池組的容量利用率，可以通過帶均衡功能的電池管理系統提高。

并聯電池組中由于支路電流受到支路電池參數耦合影響，成組后支路電池容量、初始SOC、內阻和極化的差異會造成支路電流工況的差異，大多數單體并聯的支路電池參數雖然較為一致，整個充放電過程的平均電流倍率與并聯電池組的外施電流倍率差異不大，但是在充放電的電池電壓平臺的兩端SOC區間形成的電流差異較大。例如，充電末端90%.100%SOC區間由于平臺電流差異的累積導致末端支路電流的差異，極其容易出現沒有充滿的電池過流充電，已經充滿的電池過充充電。另外一個顯著的影響因素就是并聯電池組由于實際工況中存在動態電流工況（加速、制動以及怠速過程）產生了電流的環流，環流同樣是充放電也一定程度的損傷了電池組壽命。假設lOOWh的總充放能量會出現5Wh的環流，電池循環壽命將比單體實驗壽命降低5%左右。先串后并的連接方式中并聯支路的串聯電池數目越多整條支路電池參數如內阻、極化更接近統一批次電池參數平均值的整數倍，并聯支路的容量差異和初始SOC差異成為導致并聯電流不平衡的主要因素。同一批次電池參數正態分布在先串后并的各個支路當中，顯著降低了整個串并聯電池組的電流不平衡程度。我們需要考慮的是在實際的使用過程當中，電動汽車和電池儲能系統均會出現電池的維護和更新，也會出現不同批次電池同時工作的狀況，以下分別進行討論：

當少數單體電池性能下降時，例如，兩個支路各是256串，第一個支路有5個電池容量下降5%，但是改支路剩余25 1個電池與第二個支路服從相同分布，由于串聯電池組整體的正態分布沒有收到顯著影響，那么這兩個支路的電流分布應該沒有顯著改變，當充電或者放電過程進行到5個性能較差的電池電壓達到截止條件時，整個串并聯電池組也達到了截止條件，將導致電池組容量利用率降低5%左右。我們認為這種情況下電池管理均衡器的效率和均衡能力決定了整組電池的性能：當不同電池批次同時工作時，為了降低電池系統的運行成本，在可控和可預計的范圍內將出現不同批次、新舊老化程度不同、支路容量差異或者梯次利用篩選分類的電池串聯支路并聯工作的情況，由于不同支路的電池參數的樣本期望和方差因不同成組方式產生較大差異，我們認為通過串并聯電池組的建模仿真可以預測不同成組方法的電流不平衡的程度，不同參數分布的串聯支路的自身特性及其并聯后的耦合特性決定了電池組的容量利用率以及支路電流不平衡、電流平衡時間等電池組的循環穩定性。如何兼顧串并聯電池組的使用效率和使用壽命是電池組優化應用的研究重點。

3.總結

大容量鋰電池儲能系統在電力系統中的應用發展潛力巨大，盡管國內單體制造技術已相對成熟，但電池成組理論研究不多，成組后性能極大程度下降以及安全性問題也亟待解決。基于儲能系統電池成組的特點，分析了成組應用中影響電池組性能的因素，并從應用角度介紹了當前國內電池成組技術的現狀，提出了儲能系統中電池成組與集成技術的關鍵問題，并歸納了未來儲能系統中成組技術的發展方向。

參考文獻：

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