动力锂离子电池组的设计与应用

安全性结论
1、电池容量越高，贮存能量越多，安全性越差
2、保护措施
外置保护电路 内装置PTC（但会增加电池内阻） 电解液添加阻燃剂（会影响电池性能）
3、热管理的重要性
4、外部保护不能解决电池内部问题
电池设计
质量控制 PACK设计
安全性比较
小容量电池
容易实现多充保护措施(单体电池保护设计）
电池容量低，出现问题能量释放少，对周围电池
影响小
大容量电池
保护措施少 内部问题释放能量大，连锁反应引起周围电池故
障，安全失控
安全性随使用循环变坏

随着动力电池使用次数的增多，电池的内阻增大， 容量逐渐降低，电池性能逐渐变坏。

循环后的安全性对热扰动性敏感性更大。 电池的安全性是相对的， 一定循环次数之前的电 池安全测试是合格的，而经过一定循环次数后电池 将呈现出不安全因素。

锂离子电池为何可并联应用？
锂离子电池的充电特点
电压严格限制，受温度等变动影响不大；
超出电压容易受损。 充电电压单调变化（镍氢电池充电后期 会出现电压下降现象） 充电效率高，充电过程中基本无副反应
1.6 1.55 1.5 1.45
0.1C 0.5C 1C
电压V
1.4 1.35 1.3 1.25 1.2 0 20 40 60 80 %容量 100 120 140 160
1 注重电池与组合、系统整体设计 2 注重应用过程中的均一性设计（温度、电流）
Prius电池结构的改进
均衡的目的和意义
现有的均衡技术

不能解决电池实际容量的差别
电池组容量由最低电池容量确定，不可能因为均衡而使
电池组容量超过最低单体容量


均衡对保护是否有作用
有专门的充放电保护，不能起到作用
电池管理成本
锂电池需要管理到每只单体
先串联后并联需要增加管理系统成本
先串联后并联的电路无环流处理
单体电池具有独立可靠性的比较

组合要求：
100只电池串联 两种电池形式
1：10只10Ah电池并联成100Ah 2：100Ah单体电池

假设条件：
电池可靠性仅与电极面积大小有关。 10Ah电池可靠性为0.999,则100Ah电池可靠性约为0.99。

安全性本质：电池中的能量
以20Ah锂离子电池为例:

20Ah （3.6V） 72Wh 259.2KJ 1 克TNT 4.20KJ

20Ah锂离子电池的能量 61.7克TNT能量
20Ah锂离子电池仅存储的电能相当于61.7克TNT炸药的能量。 以上计算还未计电解液燃烧所含能量，及正极活性物质分解的能量。
电池包内环境温度的差异
通常控制电池包内温差不超过5℃
5℃的差别电池之间衰减速度差别就达30%
单体电池具有独立可靠性的比较

单体电池可靠性独立（并联电池有1只故障，并不影 响其他电池的应用）：
方案1的可靠性
若有2只电池或2只以上的电池损坏，则并联组失效（按 容量80%终止假设） R1＝（0.99910+ C1090.9999 *0.001）100＝0.991 方案2的可靠性 R2＝（0.99）100＝0.366
电解液的能量


锂离子电池的电解液用量 6mL/AH
汽油的密度 0.71克/mL 1 克汽油 42KJ


1 克TNT 4.183KJ
1 Ah电池的电解液能量 178.9KJ 1 Ah电池的电解液能量 42.6克 TNT

20 Ah电池的电解液能量 832克 TNT
注意：该能量不具备直接爆炸条件
如何将电池内阻等参数结合进去 放电均衡的高效果实现
电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大
宏观环境的差异

实际适用环境温度与试验温度的差异 温度对寿命影响符合Arrhenius公式 dM A0 e E / RT dT 20℃与21 ℃的寿命系数： f=exp（E/R（1/294-1/293））= exp[-50000/8.314（1/294-1/293）]=1.0723 ） 升高1℃，失效速度增加约7%。温度每升高10℃其 退化速度就增加1倍 电池组热管理的主要原因之一。
Baidu Nhomakorabeai 1
m
Rs(t ) 1 1 Ri (t )
i 1
n

m

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。
并串联与串并联比较
可靠性比较
设单个电池的可靠度相同，Ri=0.99，100只电池串联，4只电池并联：
并串联可靠度：0.999999 串并联可靠度：0.8385
电动汽车对电池安全性的要求

安全性是电动汽车第一指标。

电动汽车电池的使用特点： 高速移动、剧烈震动、高温工作、
快速充放电，潜在着撞击、刺伤、短路、跌落、浸水、火烧、 甚至枪击的可能性。

因此，电动汽车对动力电池的安全性要求极高，对百万分之一 的非安全概率都会造成极其严重的后果，它意味着大陆年产100 万辆新能源汽车每年都要发生多起安全事故。
均衡电流的大小

弥补电池自放电引起的差别
假设电池自放电每月最大差别10%，电池组容量500Ah。 充电时间5~8h，均衡时间4h，每次充电后均衡完全，则：
均衡电流=（50/（30*4））=417mA
每次均衡充电满足4h，均衡电流400~500mA即可。
均衡的研究与发展
目前通常仅依靠电压或电压差别来考虑均衡
相对来讲，纯电动汽车用软包装和方形电池居多， 混合电动车用圆柱和方形（金属壳体）居多。
电池组合形式
圆柱电池的并串联组合形式

最常用的方法：并排焊接
问题1：焊接的不可靠性 问题2：导电连接体局部电流密度过大 问题3：一个方向组合，叠层组合难度大 问题4：连接件的锈蚀
改装Prius车电源系统（圆柱锂离子电池）
小容量电池串并联与大容量电池的安全性
突发性安全事故
过充电、过放电、外部短路等可以通过外电路保
护 穿刺、挤压、冲击等外部环境造成的安全问题 单体电池内部短路或电池组内部分短路的自身安 全性问题
最常见的是电池内部为短路、短路等引起的安全性问
题
热量分布均匀性
小电池并联与大电池的安全性比较
不同结构的电池特性
结构特点比较
圆柱形
安全性 耐压性 功率性能 组合体积 组合成本 形状 散热性能 工艺性 组合特点 应用领域 安全阀双重保护，PTC 高 好 大 高 标准壳体 良好 成熟，易于自动化生产 体积大，散热表面大
方形
软包装
泄气阀 外壳保护 中 差 较好 一般 小 小 低 低 金属或塑料壳体，改 可以制作成各种 变较难 大小电池 一般 差
不同组合方式的数学模型
可靠性方面
串联数学模型： 并联数学模型： 串并联数学模型： 并串联数学模型：
Rs(t ) Ri (t )
i 1
n
Rs(t ) 1 1 Ri (t )
m
Rs(t ) 1 1 Ri (t ) i 1
n
一般 一般 组合体积小，组合工 组合工艺较简单 艺简单 ，机械强度低 广泛（动力类及消费类） 动力电池 动力电池
电池结构
软包装
圆柱
方形
电池结构
代表性厂家
圆柱形产品：A123、Valance、力神、
CENS、微宏等 方形电池：星恒、雷天、洛阳天空、力神、 ATL、国轩等 软包装：中信国安、万向、双登、丰江等
新能源汽车 锂离子电池组的设计与应用
目录
锂离子电池为何可并联应用？ 电池串并联组合的可靠性 大容量电池与小容量电池并联特征 小电池并联与大电池的安全性比较 不同结构的电池特性 电池组合形式 均衡的目的和意义 电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大？ 纯电动汽车用动力电源系统的设计
圆柱形电池的串并联组合形式
1、采用一种蜂窝状的结构，电池之间通过蜂窝状结构实现并 联，上、下盖板设计有正负电极及固定件。 2、螺栓、螺柱结构设计
圆柱电池组合形式
福特车电源系统（Ni-MH)
圆柱电池组合形式
焊接方式的圆柱串并联组合系统
圆柱形电池的串并联组合形式

柔性防振动串并联组合设计 密封散热结构设计

外壳、电解液等部件的可靠性在电池分选、配组时控制， 可以控制为1 可靠性大部分是由电极的不可靠性（如毛刺等）引起。
电极和隔膜的可靠性仅与其应用面积有关； 同样容量下，小电池并联与大电池电极面积是基本相同的
结论：小电池并联与大电池可靠性相同

电池制作工艺上，小电池的可靠性与成品率要高于大电池 小电池并联在温度、寿命方面比大电池更有优势。
连接可靠， 导流面积大
多方向组合 连接
防震弹片式串并联组合
方形电池组合形式
Prius车电源系统
方形电池组合形式
混合电动客车用车电源系统（Ni-MH)
软包装电池组合形式
串并联组合设计注意点
如何降低电池组合的内阻
串联容量的一致性 并联内阻的均匀性 单体电池电流的均匀性
国内与国外电池及系统设计的差别
并联电池需注意的问题
电池并联设计必须保证通过每只电池的电流
大小理论上一致。即保证并联电池的内阻基 本一致 并联电池的自放电基本一致。 并联电池容量不能差别太大。
电池串并联组合的可靠性
影响单体电池可靠性的主要因素

单体电池的可靠性与各部件的可靠性有关：
外壳（r1)、隔膜(r2)、正极组(r3)、负极组(r4)、电解液(r5)等 电池的可靠性=r1×r2×r3×r4×r5
锂电池为何能并联？
充电为最高电压限制，并联电池电压一致
充电、放电电压单方向变化 电压限制参数受温度等外界因素影响不大
并联电池的优点

小电池并联比直接采用大电池安全性更好 小电池并联比直接采用大电池的电流通过能力强 使用过程中并联电池之间电流可以根据各电池的能 力自行分配，提高系统的综合性能 小电池并联形成的大电池，在相对电流分布、温度 分布方面更均匀，从而使系统寿命和可靠性更高。 生产加工方便：可以仅生产几种规格的小容量电池， 根据需求并联成不同的容量 设计合理，可以进行单只电池维护与更换，降低维 护成本。
小容量电池的特点

优点
电池表面积/体积大，散热性能好
圆柱：比表面积/体积=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半 径； 方形电池时，比表面积、体积=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、 c分别指电池的长、宽、高） 安全系数高

缺点
大容量电池需并联应用 串并联组合设计复杂，组合成本高 串并联组合体积大，影响部分应用

对锂动力电池科研、生产、使用过程：召回制度、安全隐患对 锂电池企业是致命性的打击。

安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题。
世界上没有绝对安全的电池

电池是能量的载体，本质上就存在不安全因素。 不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺参数， 使用环境，使用程度，都对安全性有较大的影响。 所有的安全性均与温度有关：控制温度的重要性。 所有电池包括一次电池、各类二次电池，均存在 安全性问题
实时均衡或放电均衡是否对电池组容量有作用
放电期间大部分时间电压差别很小，只在最后有作用；
均衡电流有限，作用不明显

混合动力应用中实时均衡可在一定程度上提高一致 性，延长维护周期
均衡的目的
均衡的目的是补充由于电池自放电等不一 致引起的电池容量的差别，电池实际容量仍 基本保持一致。
电池自身自放电引起的差别 应用中环境不一致引起的自放电差别

单体电池可靠性不独立（并联电池有1只故障，则并联组合失效）：
方案1的可靠性
R1＝（0.99910）100＝0.366 方案2的可靠性 R2＝（0.99）100＝0.366
结论：1 串联电池数量越多，电池组可靠性越低 2 100只电池串联电池组保证0.9的可靠性，单体电池可靠性需达到0.999 3 单体电池可靠性不独立，则大电池、小电池并串联组合可靠性相同。
结论：1 合理的电池设计和PACK设计可提高电池组的可靠性 2 单体电池可靠性独立，采用小电池并联可大幅度提高电池组可 靠性
大容量电池与小容量电池并联特征
大容量电池的特点
优点
组合方便 指标占优势（体积比能量、质量比能量等） 组合方便，仅需考虑串联组合 应用体积优势
缺点
工艺复杂，合格率低 内部电流密度、温度的分布均匀性 部分结构电池（如软包装等，引流能力受限）