锂离子电池成组设计与分析

周君

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714021

摘要：通过分析锂离子电池组合拓扑结构的可靠性，为电池组成组设计和方案论证提供参考；性能良好的热控设计是电池长时间可靠工作的重要保证，电池组成组设计中需对电池热特性进行试验和分析，选择适用的热控设计方式；根据锂离子电池应用经验，介绍了提高电池一致性一些常用措施，实现电池成组后整体性能的最优化。

关键词：锂离子电池；组合设计；热特性；一致性

近年来，锂离子电池由于输出电压高且平稳、自放电率小、无记忆效应、无污染等突出优点，广泛应用于水下、地面及空间各个领域，而且随着其性价比优势的提高，大规模的锂离子电池组工程化应用越来越多，如Tesla Model S 85车型上一共有7104节18650锂离子电池，COSMOSkyMed高分辨率雷達卫星选用了2016节18650锂离子电池。但是大规模锂离子长时间、大电流充放电时容易导致安全性、可靠性等问题，从而严重影响锂离子电池组整体输出性能。本文主要从组合拓扑结构、热特性和一致性几个方面对锂离子电池成组设计进行分析。

1 电池组组合拓扑结构

为了达到整机设备的电压、能量、峰值功率等供电要求，需要足够数量的锂离子电池通过串并联获得，所以电池组组合拓扑的形式显得尤为重要，是实现电池组可靠性要求的关键因素。通过对电池组合拓扑进行可靠性建模和分析，为方案设计优选、调整提供依据。

电池组的连接方式有串联、并联和混联，混联包括先并后串和先串后并。数量较多、模型复杂的电池组，一般都由多个电池模块组成，每个模块又由多个单体电池组成，所以对电池组组合拓扑结构分析时应分模块、分层进行，归纳对应可靠性模型包括串联模型、并联模型。

锂离子电池在进行组合时，采用先并后串拓扑结构的优势是，组合形式简单，且易于后期维护和模块的更换，但当一只电池发生失效，尤其是单体电池的内短路，会造成整个模块的大电流放电，导致热失控发生危险。采用先串后并拓扑结构的优势是，当某只电池发生失效时，电池组只损失了一串电池的容量，电池组电压不会发生变化，但当电池串联数量较多或成组模块设计时，该组合形式有局限性。

以Tesla Model S 85车型为例，其底盘包括共16块电池组，每块电池组由77并6串组成，为防止单节电池发生异常时出现温度过高，每节电池都设有保险丝与其他电池并联，通过自动熔断保险丝的方法隔离发生异常的单体电池，保护整个电池组。

电池的基本失效率数据，可参考GJB/Z299C2006《电子设备可靠性预计手册》中给出的锂电池的基本失效率1.50×106/h。另外选用的锂离子电池技术成熟程度很高时，可参考法国SAFT公司公布的该公司在卫星电源领域取得广泛应用的VES140锂离子蓄电池的基本失效率4.28×109/h。

对电池组组合采用模块化的灵活设计，以实现较高的可靠性预计，除了可靠性外还需要考虑与电、机械、装配、热设计、安全、监测等方面的相关问题。模块化组合拓扑形式的优化，可使其对电池排布设计、集成和装配成本造成的影响最小。

2 电池组热特性

不同类型的单体电池的热特性各不相同，在组成电池模块后，由于组合数量、排列方式以及封装方式不同，电池模块的热特性差异很大。组成模块的单体电池数量越大，热量集聚的现象越明显，电池成组密集摆放，四周与中心的散热条件不同，从而造成整体温差，电池电流较大时，發热量更高，密集摆放后造成的温度不均衡现象就会更加明显。如果电池组温度过高或温度分布不均匀，不仅影响锂离子电池的一致性，使得电池模块整体性能大幅降低，而且影响电池的使用寿命，严重时还将导致热失控，造成安全问题；在温度过低时，锂离子电池是无法正常工作的，即便在稍高温度（如0℃左右）下持续工作，仍会对电池的能量、功率输出能力及循环寿命产生较大影响。因此需要对电池组热特性充分分析，进行热控方案设计。

在确定单体电池热特性、组件结构、热物参数等因素下，使用数值计算软件，可仿真电池组成组设计后温度场分布云图。电池热特性可通过在绝热环境下不同温度、不同倍率充放电时的温升情况测定比热容和发热量等参数。电池的发热量与环境温度、电流和充、放电深度等相关，图1是某型号锂离子电池在起始常温绝热环境下以不同倍率充电时的温升情况，1C充电时的温升明显高于0.5C充电。通过绝热环境下温升情况的试验，可以获得电池的发热量。

热控设计目的是使电池组工作在较稳定的温度环境，从而具备较高的容量保持率和安全可靠性，保持电池之间的温度均匀性。锂离子电池充、放电工作的环境温度维持在10℃到35℃之间最佳，电池间温差变化在小范围内波动。热控设计包括电池加热和散热两个方面。

加热可通过消耗电池自身的能量，如加热板加热、发热线缠绕加热、电热膜包覆加热等方法，这些加热方式有效且升温迅速，能够保证各处加热均匀；散热按照采用的传热介质可以分为：空气介质、液体介质、相变材料（PCM），其中相变材料是利用相变潜热达到被动热控目的，相变材料在物相改变过程中，能够吸收或者释放潜热，无寄生的功耗，具有很高的可靠性，因此在散热受限条件下，为了适应总体构形、能量、重量等进行相变材料热控设计已成为应用的热点，图2是加PCM和不加PCM两种情况下电池温升情况对比。

图2 电池温升与加PCM下电池温升情况对比

针对电池组的应用功能特点和整机设备要求，综合精确地热特性分析和控制技术，设计热控系统，并分解模块化进行等比例或缩小比例的地面试验验证，根据试验结果对热控设计进行完善和优化。

3 电池组一致性

锂离子电池性能好坏主要取决于成组后的单体电池性能一致性，只有所有单体电池在电压、荷电量、容量、内阻、自放电等特性最接近的情况下，才能实现电池成组后整体性能的最优化。因此，保证单体电池性能的一致性非常重要。

电池组的一致性是相对的，在制造过程中即使同批、同型号电池的性能参数也不可能一致，但可以在电池成组和使用过程中，筛选出性能接近的单体电池进行组合，并采取一定的措施，减缓电池不一致性扩大的趋势或速度，保证电池在长期贮存后仍然具备较高的整体可靠性。

在电池组使用过程中检测单电池参数，对极端参数电池及时进行调整或更换，以保证电池组参数不一致性不随使用时间而增大。介绍以下常用措施，提高电池一致性。

1）电池组成组设计中预留单体电池电压检测通道，可对使用中发现的容量偏差较大的电池，进行单独维护，使其性能与其他电池接近，或在维护时方便进行分模块并联充电；

2）电池组搁置期间，按规定环境要求进行贮存，每隔大约6个月进行电池组电压检查、维护性充放电，及时排除有安全隐患的电池；

3）使用过程中避免电池过充电、过放电和短路，以免对电池造成不可逆性损害；

4）良好的热控设计可保证电池组的使用环境和温度均匀；

5）采用电池组管理系统对电池组进行安全监控、均衡及有效管理，包括充放电电流、单体电池电压、SOC、温度等进行监测，对电池组充放电进行智能管理。

4 结语

在项目中开展大规模的锂离子电池成组设计应用时，以上简述的组合拓扑结构、电池的热特性和一致性应综合考虑，结合充放电工作方式、布线、外部接口和结构等因素进行分析，锂离子电池作为高能量密度的储能载体，电池成组设计是关系整机设备的性能、可靠性和安全性关键部分。

参考文献：

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