淺談我國(guó)鋰電池系統(tǒng)的串并聯(lián)優(yōu)化成組原理和方案

張少綿

摘 要：在純電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用中，單體電池串聯(lián)以滿足電壓需求，并聯(lián)以滿足容量需求，串并聯(lián)連接方式往往同時(shí)存在。因此我們致力于研究純電動(dòng)汽車以及電網(wǎng)儲(chǔ)能用串并聯(lián)電池組的建模仿真方法，基于對(duì)串并聯(lián)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(yōu)化的電池成組方法。大容量鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮螅M管國(guó)內(nèi)單體制造技術(shù)已相對(duì)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?；趦?chǔ)能系統(tǒng)電池成組的特點(diǎn)，分析了成組應(yīng)用中影響電池組性能的因素，并從應(yīng)用角度介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)電池成組技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組與集成技術(shù)的關(guān)鍵問題，并歸納了未來儲(chǔ)能系統(tǒng)中成組技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；串并聯(lián)電池組；優(yōu)化成組

在純電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用中，單體電池串聯(lián)以滿足電壓需求，并聯(lián)以滿足容量需求，串并聯(lián)連接方式往往同時(shí)存在。因此我們致力于研究純電動(dòng)汽車以及電網(wǎng)儲(chǔ)能用串并聯(lián)電池組的建模仿真方法，基于對(duì)串并聯(lián)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(yōu)化的電池成組方法。

1.串并聯(lián)電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電池組典型的連接方式有先并聯(lián)后串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)，如圖ab所示，混聯(lián)方式如圖c 所示。其中北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)純電動(dòng)公交車用電池即采用先并后串的連接方式，電網(wǎng)電池儲(chǔ)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(fā)展趨勢(shì)和電池組性能影響的角度分析，先并聯(lián)后串聯(lián)連接方式優(yōu)于先串聯(lián)后并聯(lián)連接方式，而先串后并的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單體電池進(jìn)行檢測(cè)和管理。先并后串連接方式的建模仿真可用于電動(dòng)汽車整車仿真的動(dòng)力電池部分，計(jì)算整個(gè)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(wǎng)儲(chǔ)能中并聯(lián)支路的投切后不均衡電流、電流均衡時(shí)間的仿真計(jì)算；再綜合考慮這兩種基本連接方式對(duì)混聯(lián)方式的電池組建模。

2.鋰電池系統(tǒng)的串并聯(lián)優(yōu)化成組原理

串并聯(lián)電池組在使用過程中出現(xiàn)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(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故，成組動(dòng)力鋰電池使用壽命縮短、安全性下降已經(jīng)成為制約其推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。電池篩選成組與適應(yīng)動(dòng)力鋰離子電池的有效電池管理是提高串并聯(lián)電池組性能的兩個(gè)重要方面。串聯(lián)電池組中由于單體電池容量、初始SOC、內(nèi)阻、極化的不一致性，在充放電過程中需要電池管理系統(tǒng)檢測(cè)單體電池電壓與充放電設(shè)備通信以防部分單體電池的過充或過放，串聯(lián)電池組在良好的電池管理?xiàng)l件下，使用過程中避免濫用如大電流倍率、環(huán)境溫度過高等，串聯(lián)電池組不會(huì)因?yàn)檫B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(yīng)會(huì)減小串聯(lián)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(tǒng)提高。

并聯(lián)電池組中由于支路電流受到支路電池參數(shù)耦合影響，成組后支路電池容量、初始SOC、內(nèi)阻和極化的差異會(huì)造成支路電流工況的差異，大多數(shù)單體并聯(lián)的支路電池參數(shù)雖然較為一致，整個(gè)充放電過程的平均電流倍率與并聯(lián)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(tái)的兩端SOC區(qū)間形成的電流差異較大。例如，充電末端90%.100%SOC區(qū)間由于平臺(tái)電流差異的累積導(dǎo)致末端支路電流的差異，極其容易出現(xiàn)沒有充滿的電池過流充電，已經(jīng)充滿的電池過充充電。另外一個(gè)顯著的影響因素就是并聯(lián)電池組由于實(shí)際工況中存在動(dòng)態(tài)電流工況（加速、制動(dòng)以及怠速過程）產(chǎn)生了電流的環(huán)流，環(huán)流同樣是充放電也一定程度的損傷了電池組壽命。假設(shè)lOOWh的總充放能量會(huì)出現(xiàn)5Wh的環(huán)流，電池循環(huán)壽命將比單體實(shí)驗(yàn)壽命降低5%左右。先串后并的連接方式中并聯(lián)支路的串聯(lián)電池?cái)?shù)目越多整條支路電池參數(shù)如內(nèi)阻、極化更接近統(tǒng)一批次電池參數(shù)平均值的整數(shù)倍，并聯(lián)支路的容量差異和初始SOC差異成為導(dǎo)致并聯(lián)電流不平衡的主要因素。同一批次電池參數(shù)正態(tài)分布在先串后并的各個(gè)支路當(dāng)中，顯著降低了整個(gè)串并聯(lián)電池組的電流不平衡程度。我們需要考慮的是在實(shí)際的使用過程當(dāng)中，電動(dòng)汽車和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)均會(huì)出現(xiàn)電池的維護(hù)和更新，也會(huì)出現(xiàn)不同批次電池同時(shí)工作的狀況，以下分別進(jìn)行討論：

當(dāng)少數(shù)單體電池性能下降時(shí)，例如，兩個(gè)支路各是256串，第一個(gè)支路有5個(gè)電池容量下降5%，但是改支路剩余25 1個(gè)電池與第二個(gè)支路服從相同分布，由于串聯(lián)電池組整體的正態(tài)分布沒有收到顯著影響，那么這兩個(gè)支路的電流分布應(yīng)該沒有顯著改變，當(dāng)充電或者放電過程進(jìn)行到5個(gè)性能較差的電池電壓達(dá)到截止條件時(shí)，整個(gè)串并聯(lián)電池組也達(dá)到了截止條件，將導(dǎo)致電池組容量利用率降低5%左右。我們認(rèn)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(dāng)不同電池批次同時(shí)工作時(shí)，為了降低電池系統(tǒng)的運(yùn)行成本，在可控和可預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)將出現(xiàn)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(lián)支路并聯(lián)工作的情況，由于不同支路的電池參數(shù)的樣本期望和方差因不同成組方式產(chǎn)生較大差異，我們認(rèn)為通過串并聯(lián)電池組的建模仿真可以預(yù)測(cè)不同成組方法的電流不平衡的程度，不同參數(shù)分布的串聯(lián)支路的自身特性及其并聯(lián)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(shí)間等電池組的循環(huán)穩(wěn)定性。如何兼顧串并聯(lián)電池組的使用效率和使用壽命是電池組優(yōu)化應(yīng)用的研究重點(diǎn)。

3.總結(jié)

大容量鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮?，盡管國(guó)內(nèi)單體制造技術(shù)已相對(duì)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?；趦?chǔ)能系統(tǒng)電池成組的特點(diǎn)，分析了成組應(yīng)用中影響電池組性能的因素，并從應(yīng)用角度介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)電池成組技術(shù)的現(xiàn)狀，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池成組與集成技術(shù)的關(guān)鍵問題，并歸納了未來儲(chǔ)能系統(tǒng)中成組技術(shù)的發(fā)展方向。

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