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电池串并联可靠性与安全性分析1.doc

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电池串并联可靠性与安全性分析1

锂离子电池串并联可靠性与安全性分析 前言: 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: (1) 并联模型的数学模型为: (2) 串并联模型的数学模型为: (3) 并串联模型的数学模型为: (4) 以上式中Rs(t)表示系统的可靠度,R=(1,2,3…,n)表示第i个单元的可靠度。m为并联电池数,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×r2×r3×r4×r5 (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,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=0.904 100Ah单体电池的可靠度也应当为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: 单体电池的可靠度相同,Ri=0.99; 单体电池可靠性相互独立; 电池的所有故障表现为断路; 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)4]108=0.999 采用先串并联模式组合: 则m=4,n=108,按照公式(3), Rs=1-[1-0.99108]4=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

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