锂离子电池组串联与并联连接方式研究

摘要：对锂离子电池组的连接方式进行了研究，分析了串联与并联复合连接方式的可靠性，并研究了复合连接中单体电池失效对电池组连接方式的影响。研究结果表明先并联后串联的连接方式在实际应用中更具优势。

关键词：锂离子电池组；连接方式；可靠性；失效

Abstract: The attended mode of lithium-ion batteries was studied and the reliability of hybrid attended mode with series-connected and parallel-connected was analyzed. The effect of failure of individual cell on the attended mode of lithium-ion batteries was researched. The result demonstrated that the hybrid attended mode with series-connected after parallel-connected was better than others in practical applications.

Key words: lithium-ion batteries; attended mode; reliability; failure

随着大型锂离子电池组的广泛应用，电池组的连接方式成为了研究的重点。如电量储能系统、电动汽车等大型电池组需要电池组的能量很大，因此电池组只有通过多只单体进行串并联来满足，而如何进行连接成为了难题。电池组的组合中主要需要考虑电池组的可靠性、电池失效对电池组的影响等。

本文依据锂离子电池组在实际使用中的要求，通过单体电池失效模式对电池组各种复合连接方式进行性能分析。

1、电池组串并联的可靠性分析

一个元件正常工作的概率称为这个元件的可靠性，一个系统能正常工作的概率称为这个系统的可靠性^，我们把组成系统中任一单元失效均导致系统失效的系统叫做串联系统。而一个系统由n个部件组成，只有当这n个部件都失效时，这个系统才失效，我们把这种系统叫做并联系统。而把由若干串联和并联分系统串联与并联起来的系统，叫做复合系统

图1表示一个由n个单元组成的电池串联系统的可靠性模型，假设图1中各单元之间是相互独立的，且第i个单元的可靠度为，i＝1，2…n。根据串联系统的定义，结合概率理论，我们可得系统的可靠度为:

一个由n个部件组成的并联系统可靠性模型，假设第i个部件的可靠度为，i＝1，2…n，且各部件之间是相互独立的。那么可得图2的可靠度为

在复合系统中，一种是先由一些单元串联起来组成分系统，然后把各分系统并联起来组成串-并联系统，如图3所示。对于复合系统的可靠度的求法，可先求出各串联分系统的可靠度，再把这些分系统并联起来，求出系统可靠度。另外一种是一些单元先并联起来组成分系统，然后把各分系统串联起来组成并电池串联系统，对于这样的复合系统可靠度，可先求出各并联分系统的可靠度，再把这些分系统电池串联起来，求出系统的可靠度。

从上述计算可看出，先并联后电池串联系统的连接可靠度要大于先串联后并联的情况。对于先并联后串联，系统的可靠度高于单体可靠度，而先串联后并联系统的可靠度低于单体电池可靠度，因此电池组在组合过程中要求尽量采用先并联后串联的方式。

2、串并联方式在电池组失效中的优点

电池组的失效方式一般有三种[3]：（1）短路失效；（2）断路失效；（3）容量快速衰减失效。

而导致短路失效的原因有单体电池的内短路或反极性等，导致断路失效的原因有单体电池的损坏、电池连接处由于震动等原因断开等，导致容量快速衰减失效的原因有单体电池性能的快速衰减或者由于自放电率高于其它电池等。就出现概率而言，短路失效的可能性较小，而震动导致的连接断开和自放电率差异的现象在实际中较常出现。

（1）短路失效

1、针对各失效原因对电池组的连接方式进行分析。当出现短路失效时，图3所示的先串联后并联的复合系统，假设B2单体电池短路失效，如图5所示。可以看出这样的连接方式没有安全性的问题，从电压上来看，仅仅是A组的电压要高于B组，因此会出现A组电池对B组电池进行放电的情况。在电池组充电末期，会出现B组电池相对于设计过充电的现象。过充电程度视串联数而定，串数越多的电池组过充的程度越小。而在放电末期的时候，会出现B组电池过放电的现象，同样，串数越多的电池组B组电池过放电的程度越低。因此这样的连接方式在短路失效中，B组电池存在着一定的滥用。但只要串联的数目较大，这种轻微的滥用不会对电池组的性能造成很明显的伤害。尤其是在非全充全放的系统中，该方式将大幅增加系统的可靠性。

2、先并联后电池串联的复合系统中，假设B2短路失效，可以看出由于B2发生短路，将导致A2发生短路，进行大电流放电。这种情况将是很危险的，然而由于短路失效中一个是电池的内短路，另外一个则是单体电池的反极现象。可以看出，如果采用先并联后串联的方式，则要出现反极的现象，需要A2单体电池也反极，因此不会出现只有其中一只单体电池反极导致的危险。而单体电池的内短路导致的短路失效将是这种连接方式最大的问题，将会产生较大的电流放电，从而导致大量的热发生。

3、因此短路失效对于先串联后电池并联的连接方式导致的是其它电池的轻微滥用。而对先并联后串联的连接方式导致的是和发生失效电池并联的电池组的大电流放电，出现安全问题，因此需要采取一定的措施来防止大电流的现象。如可以采用PTC材料来限制大电流的产生或者开关电路来切换短路电池，但是这样导致了复杂度和成本的上升。而对于模块化设计的电池组，先并联后电池串联的连接方式更易于更换和维修，因为电池组中一般总是电池串联的电池数目要大于并联的电池数目。而且由于并联可以缓解各单体电池的不一致性，提高电池组的循环寿命。

（2）断路失效

1、先电池串联后并联系统中发生断路失效，假设B2发生断路失效，可以看出B组电池将全部失去作用，这样使得其它所有电池的负荷加大。在充电过程中将使得其它电池组的充电电流变大，电池并联的组数越少，大电流充电的情况越严重，将导致电池的快速衰减。由于电池组在实际应用过程中经常出现断路失效的现象，因此先串联后并联的连接方式不适合电池组复合，尤其是串联的电池数目远大于并联的电池数目的电池组应用中。

2、先并联后串联的复合系统中发生断路失效，假设B2发生断路失效，如图8所示。可以看出只有第2组的其它电池会出现工作电流变大的现象，由于电池组在应用过程中，尤其是大型电池组，串联的电池数目要大于并联的电池数目。因此对于电池组，假设5并的电池组，其余4只单体电池的工作电流将为原来的1.25倍。大型电池组一般采用模块化结构，因此由于模块发生故障更换过程中也是并联模块经济。如果并的数目多，则其余电池的工作电流变化不大，如10并的电池组中工作电流变化仅为原来的1.1倍。而且由于电池管理系统中一般都存在着各单体电池的电压检测系统，因此可以有效防止单体电池的过充电。

3、从断路失效的分析来看，先电池并联后串联的系统要优于先串联后并联的系统。尤其是在模块化的大型电池组中，先并联后电池串联的电池组更易于维护且成本低。

（3）单体容量快速衰减失效

由于单体电池的性能发生变化，或者自放电率比其它电池高，导致了某单体电池的容量低于其它电池。则对于先串联后并联的复合系统，在充电过程中，由于这节电池的电压低，导致了该串联组中其它电池的过充电，过充电的程度和串联的数目有关。串联数越多，则其它电池过充电的程度越小。而放电过程中，由于该电池的电压低，因此会导致过放电。如果处于管理系统有过放保护的电池组中，则该串联组中的所有电池都被禁止放电，从而导致了电池组的容量下降。然而如果该电池的容量和其它电池容量差异较多，且管理系统中没有过放电保护，则会在放电过程中出现该电池的反极现象，即短路故障。

对于先电池并联后串联的复合系统，由于并联中其它电池对该电池进行充电，因此该电池与其它电池的容量差异将会被其它并联电池所稀释。并联的数目越多，该失效所表现的现象越不明显。
从上述的分析可知，先电池并联后串联的系统对于单体电池的失效行为的自我调节能力要优于先串联后并联的系统。由于电池组在实际使用过程中，较多出现的是由于震动导致连接失效的断路失效和由于自放电大导致的容量快速失效。而对于这两种失效，先并联后串联的系统要明显优于先串联后并联的系统。而且并联的数目越多，这种失效影响越小。而且对于串数较少的电池组应用系统中，先串联后并联的系统将会由于一节单体电池的短路失效导致整个电池组的电压降低，因此先并联后电池串联的系统具有很大的优势。

3、结论

锂离子电池组的连接方式成为了目前一个重要的研究点，11.1V锂电池组中单体电池容量的选择也需要参考连接方式。从电池可靠性方面和电池失效的方面看，先并联后串联的复合方式总体上优于先串联后并联的复合方式，但是在短路失效上先并联的方式存在着一定的安全性问题。实际使用中，可以采用PTC结合先并联后串联的复合系统来提高电池组的性能。

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