动力电池pack

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
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
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）
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）
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。
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
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：
❖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
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。 ❖ 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。
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
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
❖ 电池组设计电流分布的差异
❖ 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
❖ 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
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
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。
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
电压V
1.6 1.55
1.5 1.45
1.4 1.35
1.3 1.25
1.2 0
0.1C 0.5C 1C
20
40
60
80 100 120 140 160
%容量
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
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。
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）：
❖可靠性方面
串联数学模型：
n
Rs(t) Ri(t)
i1
并联数学模型：
m
Rs(t)1 1Ri(t)
i1
串并联数学模型：
Rs(t)11n
m
Ri(t)
i1
并串联数学模型：
n
R s(t) 11R i(t)m
i 1
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
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
安全性本质：电池中的能量
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
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
❖ 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。
❖ 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
❖ 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%
控制电池包温差的主要原因之一
微观环境的影响
❖ 电池模块内温度的差异
应用中不能检测到每只电池的温度 模块内不同部位电池的温度差异 模块散热表面与单体电池散热表面的差异
❖ 单体电池内部温度的差异
电池各部位所处环境温度的不一致
❖ 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
❖ 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
❖ 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
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 ❖ 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
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
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）