鋰離子電池成組設(shè)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，為電池組成組設(shè)計(jì)和方案論證提供參考；性能良好的熱控設(shè)計(jì)是電池長(zhǎng)時(shí)間可靠工作的重要保證，電池組成組設(shè)計(jì)中需對(duì)電池?zé)崽匦赃M(jìn)行試驗(yàn)和分析，選擇適用的熱控設(shè)計(jì)方式；根據(jù)鋰離子電池應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，介紹了提高電池一致性一些常用措施，實(shí)現(xiàn)電池成組后整體性能的最優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；組合設(shè)計(jì)；熱特性；一致性

近年來，鋰離子電池由于輸出電壓高且平穩(wěn)、自放電率小、無記憶效應(yīng)、無污染等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水下、地面及空間各個(gè)領(lǐng)域，而且隨著其性價(jià)比優(yōu)勢(shì)的提高，大規(guī)模的鋰離子電池組工程化應(yīng)用越來越多，如Tesla Model S 85車型上一共有7104節(jié)18650鋰離子電池，COSMOSkyMed高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星選用了2016節(jié)18650鋰離子電池。但是大規(guī)模鋰離子長(zhǎng)時(shí)間、大電流充放電時(shí)容易導(dǎo)致安全性、可靠性等問題，從而嚴(yán)重影響鋰離子電池組整體輸出性能。本文主要從組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、熱特性和一致性幾個(gè)方面對(duì)鋰離子電池成組設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 電池組組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了達(dá)到整機(jī)設(shè)備的電壓、能量、峰值功率等供電要求，需要足夠數(shù)量的鋰離子電池通過串并聯(lián)獲得，所以電池組組合拓?fù)涞男问斤@得尤為重要，是實(shí)現(xiàn)電池組可靠性要求的關(guān)鍵因素。通過對(duì)電池組合拓?fù)溥M(jìn)行可靠性建模和分析，為方案設(shè)計(jì)優(yōu)選、調(diào)整提供依據(jù)。

電池組的連接方式有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)，混聯(lián)包括先并后串和先串后并。數(shù)量較多、模型復(fù)雜的電池組，一般都由多個(gè)電池模塊組成，每個(gè)模塊又由多個(gè)單體電池組成，所以對(duì)電池組組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)分模塊、分層進(jìn)行，歸納對(duì)應(yīng)可靠性模型包括串聯(lián)模型、并聯(lián)模型。

鋰離子電池在進(jìn)行組合時(shí)，采用先并后串拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是，組合形式簡(jiǎn)單，且易于后期維護(hù)和模塊的更換，但當(dāng)一只電池發(fā)生失效，尤其是單體電池的內(nèi)短路，會(huì)造成整個(gè)模塊的大電流放電，導(dǎo)致熱失控發(fā)生危險(xiǎn)。采用先串后并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是，當(dāng)某只電池發(fā)生失效時(shí)，電池組只損失了一串電池的容量，電池組電壓不會(huì)發(fā)生變化，但當(dāng)電池串聯(lián)數(shù)量較多或成組模塊設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)電池發(fā)生異常時(shí)出現(xiàn)溫度過高，每節(jié)電池都設(shè)有保險(xiǎn)絲與其他電池并聯(lián)，通過自動(dòng)熔斷保險(xiǎn)絲的方法隔離發(fā)生異常的單體電池，保護(hù)整個(gè)電池組。

電池的基本失效率數(shù)據(jù)，可參考GJB/Z299C2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》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(shù)成熟程度很高時(shí)，可參考法國(guó)SAFT公司公布的該公司在衛(wèi)星電源領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用的VES140鋰離子蓄電池的基本失效率4.28×109/h。

對(duì)電池組組合采用模塊化的靈活設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性預(yù)計(jì)，除了可靠性外還需要考慮與電、機(jī)械、裝配、熱設(shè)計(jì)、安全、監(jiān)測(cè)等方面的相關(guān)問題。模塊化組合拓?fù)湫问降膬?yōu)化，可使其對(duì)電池排布設(shè)計(jì)、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(shù)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?cái)?shù)量越大，熱量集聚的現(xiàn)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(shí)，發(fā)熱量更高，密集擺放后造成的溫度不均衡現(xiàn)象就會(huì)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(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致熱失控，造成安全問題；在溫度過低時(shí)，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(xù)工作，仍會(huì)對(duì)電池的能量、功率輸出能力及循環(huán)壽命產(chǎn)生較大影響。因此需要對(duì)電池組熱特性充分分析，進(jìn)行熱控方案設(shè)計(jì)。

在確定單體電池?zé)崽匦浴⒔M件結(jié)構(gòu)、熱物參數(shù)等因素下，使用數(shù)值計(jì)算軟件，可仿真電池組成組設(shè)計(jì)后溫度場(chǎng)分布云圖。電池?zé)崽匦钥赏ㄟ^在絕熱環(huán)境下不同溫度、不同倍率充放電時(shí)的溫升情況測(cè)定比熱容和發(fā)熱量等參數(shù)。電池的發(fā)熱量與環(huán)境溫度、電流和充、放電深度等相關(guān)，圖1是某型號(hào)鋰離子電池在起始常溫絕熱環(huán)境下以不同倍率充電時(shí)的溫升情況，1C充電時(shí)的溫升明顯高于0.5C充電。通過絕熱環(huán)境下溫升情況的試驗(yàn)，可以獲得電池的發(fā)熱量。

熱控設(shè)計(jì)目的是使電池組工作在較穩(wěn)定的溫度環(huán)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(huán)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(nèi)波動(dòng)。熱控設(shè)計(jì)包括電池加熱和散熱兩個(gè)方面。

加熱可通過消耗電池自身的能量，如加熱板加熱、發(fā)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(zhì)可以分為：空氣介質(zhì)、液體介質(zhì)、相變材料（PCM），其中相變材料是利用相變潛熱達(dá)到被動(dòng)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(yīng)總體構(gòu)形、能量、重量等進(jìn)行相變材料熱控設(shè)計(jì)已成為應(yīng)用的熱點(diǎn)，圖2是加PCM和不加PCM兩種情況下電池溫升情況對(duì)比。

圖2 電池溫升與加PCM下電池溫升情況對(duì)比

針對(duì)電池組的應(yīng)用功能特點(diǎn)和整機(jī)設(shè)備要求，綜合精確地?zé)崽匦苑治龊涂刂萍夹g(shù)，設(shè)計(jì)熱控系統(tǒng)，并分解模塊化進(jìn)行等比例或縮小比例的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)熱控設(shè)計(jì)進(jìn)行完善和優(yōu)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(nèi)阻、自放電等特性最接近的情況下，才能實(shí)現(xiàn)電池成組后整體性能的最優(yōu)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(duì)的，在制造過程中即使同批、同型號(hào)電池的性能參數(shù)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(jìn)行組合，并采取一定的措施，減緩電池不一致性擴(kuò)大的趨勢(shì)或速度，保證電池在長(zhǎng)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(cè)單電池參數(shù)，對(duì)極端參數(shù)電池及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換，以保證電池組參數(shù)不一致性不隨使用時(shí)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(shè)計(jì)中預(yù)留單體電池電壓檢測(cè)通道，可對(duì)使用中發(fā)現(xiàn)的容量偏差較大的電池，進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)，使其性能與其他電池接近，或在維護(hù)時(shí)方便進(jìn)行分模塊并聯(lián)充電；

2）電池組擱置期間，按規(guī)定環(huán)境要求進(jìn)行貯存，每隔大約6個(gè)月進(jìn)行電池組電壓檢查、維護(hù)性充放電，及時(shí)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(duì)電池造成不可逆性損害；

4）良好的熱控設(shè)計(jì)可保證電池組的使用環(huán)境和溫度均勻；

5）采用電池組管理系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電池組充放電進(jìn)行智能管理。

4 結(jié)語

在項(xiàng)目中開展大規(guī)模的鋰離子電池成組設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，以上簡(jiǎn)述的組合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電池的熱特性和一致性應(yīng)綜合考慮，結(jié)合充放電工作方式、布線、外部接口和結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行分析，鋰離子電池作為高能量密度的儲(chǔ)能載體，電池成組設(shè)計(jì)是關(guān)系整機(jī)設(shè)備的性能、可靠性和安全性關(guān)鍵部分。

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