鋰電池串并聯(lián)方式對電池組性能有什么影響?

由于單體電池電壓、容量的制約，為了滿足用電設(shè)備、儲能系統(tǒng)高電壓、大容量的要求，鋰電池通常采用串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合的方式來使用。然而，鋰電池在制造過程中不可避免的會出現(xiàn)不一致的情況，這種不一致的程度，會隨著使用時(shí)間的延長，循環(huán)壽命的增加，而被逐漸放大。鋰電池的典型參數(shù)，例如交流內(nèi)阻、直流內(nèi)阻、電壓等參數(shù)在不同的荷電狀態(tài)下也會不同。在鋰電池的木桶效應(yīng)之下，強(qiáng)者恒強(qiáng)，弱者愈弱，直到整個(gè)儲能系統(tǒng)失效、退役。而鋰電池的串、并聯(lián)方式，對電池系統(tǒng)的性能則影響巨大，既然如此，那鋰電池串并聯(lián)方式對電池組性能有什么影響呢?

一、并聯(lián)對鋰電池組性能的影響

在鋰電池的實(shí)際并聯(lián)成組應(yīng)用中，并聯(lián)支路由于受到電池一致性的影響，在工作中會出現(xiàn)電流不均衡的現(xiàn)象，并聯(lián)支路電流同時(shí)還受到本條支路和其他支路的參數(shù)影響。

鋰電池并聯(lián)成組時(shí)，在成組單體電池容量、初始狀態(tài)一致的情況下，電池內(nèi)阻會造成并聯(lián)支路平臺期較穩(wěn)定的不平衡電流，造成并聯(lián)支路SOC變化出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，由于電池極化內(nèi)阻在電池狀態(tài)末端的急劇變化，并聯(lián)支路在充電末端的較大的不平衡電流。并聯(lián)成組篩選時(shí)，可以通過分析電池歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻的分布以減小支路充電末端的不均衡電流值。在實(shí)際并聯(lián)電池組使用過程中，支路電池各個(gè)參數(shù)的不一致往往同時(shí)存在，并聯(lián)成組后的支路電流分配受多種不一致的參數(shù)影響。

二、串聯(lián)對鋰電池組性能的影響

設(shè)備或儲能系統(tǒng)工作需要一定的電壓，鋰電池的平臺電壓根據(jù)正負(fù)極材料的不同有所差異，例如以石墨為負(fù)極材料的鋰電池，正極材料選用磷酸鐵鋰時(shí)，平臺電壓為3.2V;正極材料選用三元材料時(shí)，平臺電壓是3.7V;負(fù)極材料變成鈦酸鋰時(shí)，平臺電壓又會隨著正極材料的變化而發(fā)生變化。單體電池電壓無法滿足設(shè)備、系統(tǒng)的使用要求，需要進(jìn)行串聯(lián)來達(dá)到額定工作電壓。

同樣的，受到單體電池生產(chǎn)制造過程中不一致性的影響，電池串聯(lián)使用中，單體電池SOC不一致，造成單體電池參數(shù)不同，隨著使用時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的增加，各單體電池容量衰減和老化程度各有不同，嚴(yán)重的會導(dǎo)致部分電池過充電或過放電。電池管理系統(tǒng)的存在，會較大程度上緩解電池不一致的問題。

電池串聯(lián)成組相對并聯(lián)成組簡單，串聯(lián)電池組工作電流一定，單體電池工作電流一樣，獨(dú)立工作沒有相互耦合影響，串聯(lián)電池組的單體電池電壓容易測量，常用于評價(jià)電池組一致性。

三、串并混聯(lián)對鋰電池組性能的影響

在純電動汽車、電網(wǎng)儲能應(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。典型的電池組串并聯(lián)方式有先并聯(lián)后串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)，當(dāng)然也有串并聯(lián)混合更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。北京奧運(yùn)會電動公交是采用先并后串的方式，儲能系統(tǒng)一般采用先串后并的連接方式。

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。電池篩選工藝和電池管理系統(tǒng)是提高串并聯(lián)電池組性能的關(guān)鍵。

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的兩端SOC區(qū)間形成的電流差異較大。另外一個(gè)顯著的影響因素就是并聯(lián)電池組由于實(shí)際工況中存在動態(tài)電流工況(加速、制動以及怠速過程)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。

先串后并的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于對系統(tǒng)各個(gè)單體電池進(jìn)行檢測和管理。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。

不過參考相關(guān)電動汽車電池組成組方式的文獻(xiàn)，從電池組連接的可靠性及電池電壓不一致性發(fā)展趨勢和電池組性能影響的角度分析，先并聯(lián)后串聯(lián)連接方式好于先串后并的連接方式。其中，在系統(tǒng)連接可靠性方面，先并后串高于單體電池，而先串后并可靠性低于單體電池;在電池電壓不一致性方面，先并后串的成組方式電壓分布較集中，沒有電壓過低的電池出現(xiàn)，而采用先串后并的成組方式的電池組電壓普遍低，電壓分布區(qū)間大。

以上可以看出，先串后并與先并后串各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用條件下宜根據(jù)使用情況、電池系統(tǒng)容量、充放電工況等，選擇合適的成組方式。