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1、锂离子电池串并联可靠性与安全性分析、心 、刖曰：新能源汽车和大型储能的发展对大容量电池蓄电池的应用需求越来越迫切。直接制作 大容量的蓄电池，除了生产工艺、生产设备的不成外，造成电池生产成品率低，制作成本高 外，大容量电池由于能量储存量大，电池内部温度、电流的分布不均匀性以及较高程度的不 安全性能是应用过程中存在的主要问题。在现有技术水平下，不可避免地需要将大量电池进 行串并联组合，以形成更高电压、更高容量的蓄电池组，来满足应用要求。这就要求电池必 须进行串联或串并联组合。许多人对大量锂离子电池的串并联组合提出质疑，认为电池的一 致性、可靠性、安全性均存在较大的问题，不提倡电池的并联应用。本文对
2、电池的串并联组合应用从数学分析、电池制作、电池性能以及安全性检测等各 方面进行了详细分析，认为电池的可靠性和安全性并未因为电池并联的数量增加而下降。 1不同组合的数学模型图1为常用的几种组合的数学模型：图1电池串并联模型假设模型中单体电池出现故障的概率是相同的，并且是相互独立的，不考虑每个单元的复杂程度、环境的严酷程度以及工作时间的长短等因素。 串联模型的数学模型为：Rs(t) = Hr (t)(1)i=1并联模型的数学模型为：Rs (t)= 1m - r (t)(2)i = 1 串并联模型的数学模型为：m(3)(4)Rs(t) = 1 - 1一计 R (t)L i=1并串联模型的数学模型为：
3、Rs(t)= HLh - R (t )mii =13，n)表示第i个单元的可靠度。m为以上式中Rs(t)表示系统的可靠度，R= (1，2, 并联电池数，n为串联电池数。2单体电池的可靠性分析电池的可靠性与组成电池的各部件有关。每种电池主要由五部件组成：外壳、隔膜、 正极组、负极组、电解液等。假设其可靠性分别为r1、r2、r3、r4、r5。各部件组合的可靠性 代表了电池的可靠性，从可靠性逻辑关系看，它们应当是串联关系，即：电池的可靠性 R=r1 Xr2Xr3Xr4Xr5(5)外壳出现故障的现象通常为漏液，其概率相对很低，尤其对于圆柱形、方形电池，产 品在组装前的分选检测过程中出现此故障已经剔除，
4、所以其可靠性为1。电解液出现故障的 概率同样很低，主要为电解液添加量的精度，在产品生产过程中也容易控制，可靠性也假设 为1。所以，电池的可靠性主要受正负电极与隔膜的影响。电极和隔膜出现的主要缺陷为其表面质量、边缘毛刺等，这些缺陷有可能会引起电池 出现内部微短路或短路。这些缺陷产生的概率是与其表面积成正比的。即对于同一类型的电 池，例如100Ah单体电池和10Ah的单体电池，假设两种电池的电极、隔膜等基本参数(厚 度、密度等)相同。若10Ah电池的可靠度为R10=0.99，则由10只10Ah电池并联形成的 100Ah电池可靠度为：R100=0.9910=0.904100Ah单体电池的可靠度也应当
5、为0.904。小容量电池并联形成大容量的电池并没有降 低组合电池的可靠性。因此，在电池制作与生产中，并不是电池容量做的越大越好，各厂家应根据自己的技 术、工艺特点，生产最成熟、可靠性最高的基础产品，通过基础产品的组合设计来满足各种 不同的应用需求。如A123生产最为成熟的是18650电池，其容量只有1Ah多，在电动车上 均采用并联使用，形成大容量的电池。3串并联组合与串并联组合的可靠性分析小容量电池通过串并联组合形成高容量、高电压系统，有两种组合方式，一种为先串 联再并联，另一种为先并联再串联(串并联)。两种组合方式形成电池组的可靠度相差很大。例如，采用10Ah的标称电压为3.6V的锂离子电池
6、组合成标称容量为40Ah、电压为 388V的动力电源系统，电池总数为432只(108串、4并)。基于以下假设：(1) 单体电池的可靠度相同，R=0.99；1(2) 单体电池可靠性相互独立；(3) 电池的所有故障表现为断路；(4) 系统有电流输出即表示电池组可正常工作。则采用不同的串并联方式可靠性分别为：先并联后串联组合：则 m=4，n=108，按照公式(4)， Rs=1- (1-0.99) 4108=0.999采用先串并联模式组合：S则 m=4，n=108，按照公式(3)，Rs=1-1-0.991084=0.808可以看出，先并联后串联系统的组合可靠性大于先串联后并联的情况。基于上述建设， 从
7、组合可靠性角度考虑，适宜采用先并联后串联的连接方法。另外，从电池组的管理成本考虑，由于锂离子电池必须控制到每一节单体电池。对于 先串联后并联的系统，每只电池均需监测、控制，而对于串并联组合系统，并联的4只电池 可以统一进行监测、控制，所以其管理系统成本要低，系统的线束设计也相对容易。采用先 串联再并联的方法，对组合电池的无环流设计也提出了较高的要求，设计也更复杂。所以，小容量电池组合成高容量、高电压系统，通常采用先并联、后串联的组合模式。4大容量电池串联与小容量电池串并联组合的可靠性分析单体电池通常出现的故障为微短路、短路以及过充电或过放电等。大多数情况下，在 电池组中，这些电池出现故障会对周
8、围其他电池造成一定程度的影响，甚至造成电池的连锁 故障而引起电池组整组失效甚至出现安全性问题。所以，在电池组中单体电池的可靠性并不 是相互独立的。假设设计360V20Ah的电源系统，方案一为采用容量为2Ah圆柱电池进行串并联组合 （10并，100串），方案二为直接采用100只容量为20Ah的单体电池串联。假设2Ah电池 的可靠度为0.999，20Ah的可靠度为0.99910=0.99。若串联电池的可靠性相互独立（实际应用中较容易做到），并联电池的可靠性不独立（一 只电池失效而导致并联电池单元失效），则两种电源系统的可靠性分别为：R=（0.99910） 100=0.366R2=（0.99）100
9、=0-366两种方案的可靠度是相同的。这也是目前常用电池组的串并联组合结构。系统的可靠 性较低。若要系统的可靠性大于0.9, 一种方法是减少串联电池数量，如减少到10串，显然 不可取；另一种方法是提高单体电池可靠性，20Ah的可靠性要达到0.999, 2Ah电池的可靠 性要达到0.9999。若在设计中做到单体电池的可靠性独立，即并联组合中若有电池出现故障并不影响其 他电池的工作。同样以上面两种方案为例，则其可靠性分别为：假设方案1的电池单元中若有2只电池或2只以上的电池损坏，则并联组失效（设系 统容量低于正常的80%终止）。R = （0.99910 + C9 x 0.9999 x 0.001）
10、1。= 0.991方案2的可靠性未发生变化。R 技99）100=0.366从上面分析可以得出两个结论，一是小容量电池串并联组成的高电压、大容量系统的可 靠性并不低于直接采用大容量电池串联组合成的电源系统；二是电池并联组合中，若能设计 到单只电池出现故障不影响其他电池（相互独立），则可以较大幅度提高电池组串并联组合 的可靠性。在本例中，采用2Ah的圆柱形电池，若电池出现内部短路、过充电、过放电等引起压 力升高，极耳与电池盖帽之间的焊接点会被拉断，从而使此电池与并联及串联回路断开，不 影响其他电池的工作，只是该并联块的容量有所降低；另一方面，因为采用圆柱形电池，组 合时电池之间形成了一定间隙，单只
11、电池出现故障产生的热量不能很快传递到周围电池，所 以并不影响其他电池的安全性。因此只要设计合理，采用小电池并联模式并不会增大电源系统的故障率，反而有可能大 幅度提高整个系统的可靠性。5大容量电池串联与小容量电池并串联电池组的安全性分析电池或电池组的安全性直接与两个因素有关，一是贮存的能量，二是温度。一般来说，电池安全性是和电池中储存的能量成反比的，即所能释放的能量越大，其安 全性就越差，也就是和电池重量成反比。在电动汽车应用中，随着电池体积的增加，散热性 能变差，爆炸的可能性大幅增加，所以，车用动力电池必须提高其安全性，用量愈大，要求 达到的安全型指标就越高。例如20Ah电池充满电的能量相当于
12、60gTNT爆炸所产生的能量， 2Ah电池的能量相当于6gTNT的能量，出现故障即使其能量在较长时间内释放出来，两者所 产生的危害后果是差别比较大的。电池与外界的热量交换是通过电池的表面进行的，电池越大，表面积所占比例越小，电 池内部产生的热量越不容易散发到外面去。并且，电池越大，包含的能量也越多，瞬间释放 出来产生的危险性更大。小容量电池、特别是圆柱形电池组合时，电池之间形成较多的空隙； 方形电池通常为直接接触组合（或中间放置绝缘板等）。当电池出现故障时，大容量电池释 放出大量热量，很容易引起周围电池发生连锁反应；而小容量电池由于释放热量少，电池之 间又有较多空隙，不容易产生连锁反应。对电池组的短路、部分短路、穿刺、过充电等安全 性测试也证实了这种现象。6大容量电池串联与小容量电池并串联电池组的电性能分析采用小容量电池并联除了有可能提高系统的可靠性安全性外，其电性能也会得到改善。 一是电池组的导电能力得到提高，因为采用小电池并联连接，导电连接部分的导电面积无形 中加大了许多；二是小容量电池的电极表面的电流分布比大电池相对更均匀，电池内部的温 度均匀性、散热能力等要远好于大电池，因此系统的循环寿命也会表现较好。但采用小容量电池并联，一方面电池的组合成本会有较大程度的提高，另一方面，电 池组体积也会增大许多，对于电动汽车有限的安装空间，可以容纳的电池更少。
