新能源汽車和大型儲(chǔ)能的發(fā)展對(duì)大容量電池蓄電池的應(yīng)用需求越來(lái)越迫切。直接制作大容量的蓄電池，除了生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備的不成外，造成電池生產(chǎn)成品率低，制作成本高外，大容量電池由于能量?jī)?chǔ)存量大，電池內(nèi)部溫度、電流的分布不均勻性以及較高程度的不安全性能是應(yīng)用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，不可避免地需要將大量電池進(jìn)行串并聯(lián)組合，以形成更高電壓、更高容量的蓄電池組，來(lái)滿足應(yīng)用要求。這就要求電池必須進(jìn)行串聯(lián)或串并聯(lián)組合。許多人對(duì)大量鋰離子電池的串并聯(lián)組合提出質(zhì)疑，認(rèn)為電池的一致性、可靠性、安全性均存在較大的問(wèn)題，不提倡電池的并聯(lián)應(yīng)用。

本文對(duì)電池的串并聯(lián)組合應(yīng)用從數(shù)學(xué)分析、電池制作、電池性能以及安全性檢測(cè)等各方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為電池的可靠性和安全性并未因?yàn)殡姵夭⒙?lián)的數(shù)量增加而下降。

1 不同組合的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)模型中單體電池出現(xiàn)故障的概率是相同的，并且是相互獨(dú)立的，不考慮每個(gè)單元的復(fù)雜程度、環(huán)境的嚴(yán)酷程度以及工作時(shí)間的長(zhǎng)短等因素。

串聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型為：

   （1）

并聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型為：

   （2）

串并聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型為：

   （3）

并串聯(lián)模型的數(shù)學(xué)模型為：

  （4）

以上式中R_s(t)表示系統(tǒng)的可靠度，R=（1，2，3…，n)表示第i個(gè)單元的可靠度。m為并聯(lián)電池?cái)?shù)，n為串聯(lián)電池?cái)?shù)。

2 單體電池的可靠性分析

電池的可靠性與組成電池的各部件有關(guān)。每種電池主要由五部件組成：外殼、隔膜、正極組、負(fù)極組、電解液等。假設(shè)其可靠性分別為r₁、r₂、r₃、r₄、r₅。各部件組合的可靠性代表了電池的可靠性，從可靠性邏輯關(guān)系看，它們應(yīng)當(dāng)是串聯(lián)關(guān)系，即：

電池的可靠性R=r₁×r₂×r₃×r₄×r₅           （5）  

外殼出現(xiàn)故障的現(xiàn)象通常為漏液，其概率相對(duì)很低，尤其對(duì)于圓柱形、方形電池，產(chǎn)品在組裝前的分選檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)此故障已經(jīng)剔除，所以其可靠性為1。電解液出現(xiàn)故障的概率同樣很低，主要為電解液添加量的精度，在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中也容易控制，可靠性也假設(shè)為1。所以，電池的可靠性主要受正負(fù)電極與隔膜的影響。

電極和隔膜出現(xiàn)的主要缺陷為其表面質(zhì)量、邊緣毛刺等，這些缺陷有可能會(huì)引起電池出現(xiàn)內(nèi)部微短路或短路。這些缺陷產(chǎn)生的概率是與其表面積成正比的。即對(duì)于同一類型的電池，例如100Ah單體電池和10Ah的單體電池，假設(shè)兩種電池的電極、隔膜等基本參數(shù)（厚度、密度等）相同。若10Ah電池的可靠度為R₁₀=0.99，則由10只10Ah電池并聯(lián)形成的100Ah電池可靠度為：

R₁₀₀=0.99¹⁰=0.904             

100Ah單體電池的可靠度也應(yīng)當(dāng)為0.904。小容量電池并聯(lián)形成大容量的電池并沒(méi)有降低組合電池的可靠性。

因此，在電池制作與生產(chǎn)中，并不是電池容量做的越大越好，各廠家應(yīng)根據(jù)自己的技術(shù)、工藝特點(diǎn)，生產(chǎn)最成熟、可靠性最高的基礎(chǔ)產(chǎn)品，通過(guò)基礎(chǔ)產(chǎn)品的組合設(shè)計(jì)來(lái)滿足各種不同的應(yīng)用需求。如A123生產(chǎn)最為成熟的是18650電池，其容量只有1Ah多，在電動(dòng)車上均采用并聯(lián)使用，形成大容量的電池。

3 串并聯(lián)組合與串并聯(lián)組合的可靠性分析

 小容量電池通過(guò)串并聯(lián)組合形成高容量、高電壓系統(tǒng)，有兩種組合方式，一種為先串聯(lián)再并聯(lián)，另一種為先并聯(lián)再串聯(lián)（串并聯(lián)）。兩種組合方式形成電池組的可靠度相差很大。

 例如，采用10Ah的標(biāo)稱電壓為3.6V的鋰離子電池組合成標(biāo)稱容量為40Ah、電壓為388V的動(dòng)力電源系統(tǒng)，電池總數(shù)為432只（108串、4并）?；谝韵录僭O(shè)：

（1） 單體電池的可靠度相同，R_i=0.99；

（2） 單體電池可靠性相互獨(dú)立；

（3） 電池的所有故障表現(xiàn)為斷路；

（4） 系統(tǒng)有電流輸出即表示電池組可正常工作。

則采用不同的串并聯(lián)方式可靠性分別為：

先并聯(lián)后串聯(lián)組合：

則m=4，n=108，按照公式（4）， R_s=[1-（1-0.99）⁴]¹⁰⁸=0.999

采用先串并聯(lián)模式組合：

則m=4，n=108，按照公式（3）， R_s=1-[1-0.99¹⁰⁸]⁴=0.808

可以看出，先并聯(lián)后串聯(lián)系統(tǒng)的組合可靠性大于先串聯(lián)后并聯(lián)的情況。基于上述建設(shè)，從組合可靠性角度考慮，適宜采用先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方法。

另外，從電池組的管理成本考慮，由于鋰離子電池必須控制到每一節(jié)單體電池。對(duì)于先串聯(lián)后并聯(lián)的系統(tǒng)，每只電池均需監(jiān)測(cè)、控制，而對(duì)于串并聯(lián)組合系統(tǒng)，并聯(lián)的4只電池可以統(tǒng)一進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，所以其管理系統(tǒng)成本要低，系統(tǒng)的線束設(shè)計(jì)也相對(duì)容易。采用先串聯(lián)再并聯(lián)的方法，對(duì)組合電池的無(wú)環(huán)流設(shè)計(jì)也提出了較高的要求，設(shè)計(jì)也更復(fù)雜。

所以，小容量電池組合成高容量、高電壓系統(tǒng)，通常采用先并聯(lián)、后串聯(lián)的組合模式。

4 大容量電池串聯(lián)與小容量電池串并聯(lián)組合的可靠性分析

單體電池通常出現(xiàn)的故障為微短路、短路以及過(guò)充電或過(guò)放電等。大多數(shù)情況下，在電池組中，這些電池出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)周圍其他電池造成一定程度的影響，甚至造成電池的連鎖故障而引起電池組整組失效甚至出現(xiàn)安全性問(wèn)題。所以，在電池組中單體電池的可靠性并不是相互獨(dú)立的。

假設(shè)設(shè)計(jì)360V20Ah的電源系統(tǒng)，方案一為采用容量為2Ah圓柱電池進(jìn)行串并聯(lián)組合（10并，100串），方案二為直接采用100只容量為20Ah的單體電池串聯(lián)。假設(shè)2Ah電池的可靠度為0.999，20Ah的可靠度為0.999¹⁰=0.99。

若串聯(lián)電池的可靠性相互獨(dú)立（實(shí)際應(yīng)用中較容易做到），并聯(lián)電池的可靠性不獨(dú)立（一只電池失效而導(dǎo)致并聯(lián)電池單元失效），則兩種電源系統(tǒng)的可靠性分別為：

R₁＝（0.999¹⁰）¹⁰⁰＝0.366

R₂＝（0.99）¹⁰⁰＝0.366

兩種方案的可靠度是相同的。這也是目前常用電池組的串并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的可靠性較低。若要系統(tǒng)的可靠性大于0.9，一種方法是減少串聯(lián)電池?cái)?shù)量，如減少到10串，顯然不可取；另一種方法是提高單體電池可靠性，20Ah的可靠性要達(dá)到0.999，2Ah電池的可靠性要達(dá)到0.9999。

若在設(shè)計(jì)中做到單體電池的可靠性獨(dú)立，即并聯(lián)組合中若有電池出現(xiàn)故障并不影響其他電池的工作。同樣以上面兩種方案為例，則其可靠性分別為：

假設(shè)方案1的電池單元中若有2只電池或2只以上的電池?fù)p壞，則并聯(lián)組失效（設(shè)系統(tǒng)容量低于正常的80%終止）。

方案2的可靠性未發(fā)生變化。

R^‘₂＝（0.99）¹⁰⁰＝0.366

從上面分析可以得出兩個(gè)結(jié)論，一是小容量電池串并聯(lián)組成的高電壓、大容量系統(tǒng)的可靠性并不低于直接采用大容量電池串聯(lián)組合成的電源系統(tǒng)；二是電池并聯(lián)組合中，若能設(shè)計(jì)到單只電池出現(xiàn)故障不影響其他電池（相互獨(dú)立），則可以較大幅度提高電池組串并聯(lián)組合的可靠性。

在本例中，采用2Ah的圓柱形電池，若電池出現(xiàn)內(nèi)部短路、過(guò)充電、過(guò)放電等引起壓力升高，極耳與電池蓋帽之間的焊接點(diǎn)會(huì)被拉斷，從而使此電池與并聯(lián)及串聯(lián)回路斷開，不影響其他電池的工作，只是該并聯(lián)塊的容量有所降低；另一方面，因?yàn)椴捎脠A柱形電池，組合時(shí)電池之間形成了一定間隙，單只電池出現(xiàn)故障產(chǎn)生的熱量不能很快傳遞到周圍電池，所以并不影響其他電池的安全性。

因此只要設(shè)計(jì)合理，采用小電池并聯(lián)模式并不會(huì)增大電源系統(tǒng)的故障率，反而有可能大幅度提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

5大容量電池串聯(lián)與小容量電池并串聯(lián)電池組的安全性分析

電池或電池組的安全性直接與兩個(gè)因素有關(guān)，一是貯存的能量，二是溫度。

一般來(lái)說(shuō)，電池安全性是和電池中儲(chǔ)存的能量成反比的，即所能釋放的能量越大，其安全性就越差，也就是和電池重量成反比。在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，隨著電池體積的增加，散熱性能變差，爆炸的可能性大幅增加，所以，車用動(dòng)力電池必須提高其安全性，用量愈大，要求達(dá)到的安全型指標(biāo)就越高。例如20Ah電池充滿電的能量相當(dāng)于60gTNT爆炸所產(chǎn)生的能量，2Ah電池的能量相當(dāng)于6gTNT的能量，出現(xiàn)故障即使其能量在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，兩者所產(chǎn)生的危害后果是差別比較大的。

電池與外界的熱量交換是通過(guò)電池的表面進(jìn)行的，電池越大，表面積所占比例越小，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越不容易散發(fā)到外面去。并且，電池越大，包含的能量也越多，瞬間釋放出來(lái)產(chǎn)生的危險(xiǎn)性更大。小容量電池、特別是圓柱形電池組合時(shí)，電池之間形成較多的空隙；方形電池通常為直接接觸組合（或中間放置絕緣板等）。當(dāng)電池出現(xiàn)故障時(shí)，大容量電池釋放出大量熱量，很容易引起周圍電池發(fā)生連鎖反應(yīng)；而小容量電池由于釋放熱量少，電池之間又有較多空隙，不容易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。對(duì)電池組的短路、部分短路、穿刺、過(guò)充電等安全性測(cè)試也證實(shí)了這種現(xiàn)象。

6 大容量電池串聯(lián)與小容量電池并串聯(lián)電池組的電性能分析

采用小容量電池并聯(lián)除了有可能提高系統(tǒng)的可靠性安全性外，其電性能也會(huì)得到改善。一是電池組的導(dǎo)電能力得到提高，因?yàn)椴捎眯‰姵夭⒙?lián)連接，導(dǎo)電連接部分的導(dǎo)電面積無(wú)形中加大了許多；二是小容量電池的電極表面的電流分布比大電池相對(duì)更均勻，電池內(nèi)部的溫度均勻性、散熱能力等要遠(yuǎn)好于大電池，因此系統(tǒng)的循環(huán)壽命也會(huì)表現(xiàn)較好。

但采用小容量電池并聯(lián)，一方面電池的組合成本會(huì)有較大程度的提高，另一方面，電池組體積也會(huì)增大許多，對(duì)于電動(dòng)汽車有限的安裝空間，可以容納的電池更少。

熱失控對(duì)電池組帶來(lái)很大危害，大多造成電池的爆炸、電池組的燃燒，而且其發(fā)生速度很快，乘客甚至來(lái)不及逃生。如何避免熱失控的發(fā)生是電池系統(tǒng)研發(fā)的一個(gè)重要課題。

一、熱失控分析

1、熱失控中鋰離子電池核心溫度的變化

熱失控的起因一般都是因?yàn)闄C(jī)械濫用、電濫用等導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量,受到鋰離子電池?zé)釘U(kuò)散條件的限制,熱量大量在鋰離子電池內(nèi)部積累,引起正負(fù)極活性物質(zhì)分解、釋放活性氧,進(jìn)一步導(dǎo)致電解液的氧化分解,產(chǎn)生更多的熱量,最終引起鋰離子電池的熱失控,因此對(duì)于鋰離子電池安全性的控制也主要是基于對(duì)其溫度的監(jiān)控。

一般情況是對(duì)部分單體電池粘貼測(cè)溫電阻、熱電偶,實(shí)時(shí)檢測(cè)電池溫度,在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)切斷電源,保證電池的安全。但是溫度監(jiān)控主要是對(duì)其表面溫度的檢測(cè),由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得其在各個(gè)方向上熱傳導(dǎo)系數(shù)有很大的不同,電池內(nèi)外部實(shí)際溫度有很大差別，并且此溫度差別與電池的充放電倍率、電池形狀、大小、荷電量等有比較大的關(guān)系。例如英國(guó)華威大學(xué)的Thomas Grandjean等針對(duì)大尺寸的方形鋰離子電池的熱特性研究發(fā)現(xiàn),20Ah的LFP電池在進(jìn)行10C大倍率放電時(shí),在厚度方向時(shí)溫差最大可達(dá)到20℃。

有效檢測(cè)電池內(nèi)部的實(shí)際溫度，更夠更早地預(yù)測(cè)電池可能發(fā)生的熱失控，可以有效給對(duì)電池組的控制提供更多的時(shí)間，也給乘客以足夠長(zhǎng)的逃生時(shí)間。在解決此問(wèn)題上人們作出了很多的努力,如在鋰離子電池生產(chǎn)的過(guò)程中往其中加入測(cè)溫?zé)犭娮?、熱電偶?/span>,通過(guò)一定的手段將其引出到電池外部,但是這些方法的實(shí)用性都不是很好,首先是由于測(cè)溫設(shè)備的引入難以保障電池的密封性,會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響,其次這些測(cè)溫元件都需要電連結(jié),對(duì)鋰離子電池的安全產(chǎn)生一定的影響,因此這些方法僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室的階段,難以實(shí)際應(yīng)用。雖然也有美國(guó)阿爾托研究中心的Ajay Raghavan等提出采用可折疊的光纖光柵對(duì)電池內(nèi)部的壓力、溫度進(jìn)行檢測(cè),并且解決了密封問(wèn)題,但是這些技術(shù)目前還都不成熟,實(shí)用性還都比較差。

美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓分校的M. Parhizi, M.B. Ahmed, A. Jain共同提出了一種基于鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷念A(yù)測(cè)鋰離子電池核心溫度的方法,該方法能夠在模型的幫助下,通過(guò)鋰離子電池表面的溫度推斷出其核心溫度,從而能夠幫助我們更好的對(duì)鋰離子電池進(jìn)行監(jiān)控,減少其熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。