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锂电池串并联方式对电池组性能的影响

来源:锂电池方案 | 作者:ycybattery | 发布时间: 2022-08-31 | 381 次浏览 | 分享到:

锂电池串并联方式对电池组性能的影响

由于单体电池电压、容量的制约,为了满足用电设备、储能系统高电压、大容量的要求,锂电池通常采用串联、并联或串并联混合的方式来使用。然而,锂电池在制造过程中不可避免的会出现不一致的情况,这种不一致的程度,会随着使用时间的延长,循环寿命的增加,而被逐渐放大。锂电池的典型参数,例如交流内阻、直流内阻、电压等参数在不同的荷电状态下也会不同。在锂电池的木桶效应之下,强者恒强,弱者愈弱,直到整个储能系统失效、退役。而锂电池的串、并联方式,对电池系统的性能则影响巨大,既然如此,那锂电池串并联方式对电池组性能有什么影响呢?本文YCY将为你详细介绍。

并联对锂电池组性能的影响

在锂电池的实际并联成组应用中,并联支路由于受到电池一致性的影响,在工作中会出现电流不均衡的现象,并联支路电流同时还受到本条支路和其他支路的参数影响。

锂电池并联成组时,在成组单体电池容量、初始状态一致的情况下,电池内阻会造成并联支路平台期较稳定的不平衡电流,造成并联支路SOC变化出现不一致现象,由于电池极化内阻在电池状态末端的急剧变化,并联支路在充电末端的较大的不平衡电流。并联成组筛选时,可以通过分析电池欧姆内阻、极化内阻的分布以减小支路充电末端的不均衡电流值。在实际并联电池组使用过程中,支路电池各个参数的不一致往往同时存在,并联成组后的支路电流分配受多种不一致的参数影响。 

串联对锂电池组性能的影响

设备或储能系统工作需要一定的电压,锂电池的平台电压根据正负极材料的不同有所差异,例如以石墨为负极材料的锂电池,正极材料选用磷酸铁锂时,平台电压为3.2V;正极材料选用三元材料时,平台电压是3.7V;负极材料变成钛酸锂时,平台电压又会随着正极材料的变化而发生变化。单体电池电压无法满足设备、系统的使用要求,需要进行串联来达到额定工作电压。 

同样的,受到单体电池生产制造过程中不一致性的影响,电池串联使用中,单体电池SOC不一致,造成单体电池参数不同,随着使用时间和循环次数的增加,各单体电池容量衰减和老化程度各有不同,严重的会导致部分电池过充电或过放电。电池管理系统的存在,会较大程度上缓解电池不一致的问题。 

电池串联成组相对并联成组简单,串联电池组工作电流一定,单体电池工作电流一样,独立工作没有相互耦合影响,串联电池组的单体电池电压容易测量,常用于评价电池组一致性。

串并混联对锂电池组性能的影响

在纯电动汽车、电网储能应用中,单体电池串联以满足电压需求,并联以满足容量需求,串并联连接方式往往同时存在。典型的电池组串并联方式有先并联后串联、先串联后并联,当然也有串并联混合更复杂的拓扑结构。北京奥运会电动公交是采用先并后串的方式,储能系统一般采用先串后并的连接方式。

串并联电池组在使用过程中出现的电池单体过充电、过放电、超温和过流问题,致使成组电池使用寿命大幅缩短甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故,成组动力锂电池使用寿命缩短、安全性下降已经成为制约其推广应用和产业发展的关键。电池筛选工艺和电池管理系统是提高串并联电池组性能的关键。

串联电池组中由于单体电池容量、初始SOC、内阻、极化的不一致性,在充放电过程中需要电池管理系统检测单体电池电压与充放电设备通信以防部分单体电池的过充或过放,串联电池组在良好的电池管理条件下,使用过程中避免滥用如大电流倍率、环境温度过高等,串联电池组不会因为连接成组而造成快于单体电池的寿命衰退,但是部分电池性能的短板效应会减小串联电池组的容量利用率,可以通过带均衡功能的电池管理系统提高。

并联电池组中由于支路电流受到支路电池参数耦合影响,成组后支路电池容量、初始SOC内阻和极化的差异会造成支路电流工况的差异,大多数单体并联的支路电池参数虽然较为一致,整个充放电过程的平均电流倍率与并联电池组的外施电流倍率差异不大,但是在充放电的电池电压平台的两端SOC区间形成的电流差异较大。另外一个显著的影响因素就是并联电池组由于实际工况中存在动态电流工况(加速、制动以及怠速过程)产生了电流的环流,环流同样是充放电也一定程度的损伤了电池组寿命。

先串后并的电池拓扑结构有利于对系统各个单体电池进行检测和管理。先串后并的连接方式中并联支路的串联电池数目越多整条支路电池参数如内阻、极化更接近统一批次电池参数平均值的整数倍,并联支路的容量差异和初始SOC差异成为导致并联电流不平衡的主要因素。同一批次电池参数正态分布在先串后并的各个支路当中,显著降低了整个串并联电池组的电流不平衡程度。

不过参考相关电动汽车电池组成组方式的文献,从电池组连接的可靠性及电池电压不一致性发展趋势和电池组性能影响的角度分析,先并联后串联连接方式好于先串后并的连接方式。其中,在系统连接可靠性方面,先并后串高于单体电池,而先串后并可靠性低于单体电池;在电池电压不一致性方面,先并后串的成组方式电压分布较集中,没有电压过低的电池出现,而采用先串后并的成组方式的电池组电压普遍低,电压分布区间大。

以上可以看出,先串后并与先并后串各有其优缺点,在不同的应用条件下宜根据使用情况、电池系统容量、充放电工况等,选择合适的成组方式。


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