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(mǎn)足用電設備、儲能系統高電壓、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(lái)使用。然而，鋰電池在制造過(guò)程中不可避免的會(huì )出現不一致的情況，這種不一致的程度，會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)，循環(huán)壽命的增加，而被逐漸放大。鋰電池的典型參數，例如交流內阻、直流內阻、電壓等參數在不同的荷電狀態(tài)下也會(huì )不同。在鋰電池的木桶效應之下，強者恒強，弱者愈弱，直到整個(gè)儲能系統失效、退役。而鋰電池的串、并聯(lián)方式，對電池系統的性能則影響巨大，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)成組應用中，并聯(lián)支路由于受到電池一致性的影響，在工作中會(huì )出現電流不均衡的現象，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，電池內阻會(huì )造成并聯(lián)支路平臺期較穩定的不平衡電流，造成并聯(lián)支路SOC變化出現不一致現象，由于電池極化內阻在電池狀態(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(guò)分析電池歐姆內阻、極化內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(guò)程中，支路電池各個(gè)參數的不一致往往同時(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影響。

二、串聯(lián)對鋰電池組性能的影響

設備或儲能系統工作需要一定的電壓，鋰電池的平臺電壓根據正負極材料的不同有所差異，例如以石墨為負極材料的鋰電池，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;負極材料變成鈦酸鋰時(shí)，平臺電壓又會(huì )隨著(zhù)正極材料的變化而發(fā)生變化。單體電池電壓無(wú)法滿(mǎn)足設備、系統的使用要求，需要進(jìn)行串聯(lián)來(lái)達到額定工作電壓。

同樣的，受到單體電池生產(chǎn)制造過(guò)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，造成單體電池參數不同，隨著(zhù)使用時(shí)間和循環(huán)次數的增加，各單體電池容量衰減和老化程度各有不同，嚴重的會(huì )導致部分電池過(guò)充電或過(guò)放電。電池管理系統的存在，會(huì )較大程度上緩解電池不一致的問(wèn)題。

電池串聯(lián)成組相對并聯(lián)成組簡(jiǎn)單，串聯(lián)電池組工作電流一定，單體電池工作電流一樣，獨立工作沒(méi)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(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)儲能應用中，單體電池串聯(lián)以滿(mǎn)足電壓需求，并聯(lián)以滿(mǎn)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)，當然也有串并聯(lián)混合更復雜的拓撲結構。北京奧運會(huì )電動(dòng)公交是采用先并后串的方式，儲能系統一般采用先串后并的連接方式。

串并聯(lián)電池組在使用過(guò)程中出現的電池單體過(guò)充電、過(guò)放電、超溫和過(guò)流問(wèn)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(dòng)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、內阻、極化的不一致性，在充放電過(guò)程中需要電池管理系統檢測單體電池電壓與充放電設備通信以防部分單體電池的過(guò)充或過(guò)放，串聯(lián)電池組在良好的電池管理條件下，使用過(guò)程中避免濫用如大電流倍率、環(huán)境溫度過(guò)高等，串聯(lián)電池組不會(huì )因為連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會(huì )減小串聯(lián)電池組的容量利用率，可以通過(guò)帶均衡功能的電池管理系統提高。

并聯(lián)電池組中由于支路電流受到支路電池參數耦合影響，成組后支路電池容量、初始SOC內阻和極化的差異會(huì )造成支路電流工況的差異，大多數單體并聯(lián)的支路電池參數雖然較為一致，整個(gè)充放電過(guò)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區間形成的電流差異較大。另外一個(gè)顯著(zhù)的影響因素就是并聯(lián)電池組由于實(shí)際工況中存在動(dòng)態(tài)電流工況(加速、制動(dòng)以及怠速過(guò)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。

先串后并的電池拓撲結構有利于對系統各個(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)電池數目越多整條支路電池參數如內阻、極化更接近統一批次電池參數平均值的整數倍，并聯(lián)支路的容量差異和初始SOC差異成為導致并聯(lián)電流不平衡的主要因素。同一批次電池參數正態(tài)分布在先串后并的各個(gè)支路當中，顯著(zhù)降低了整個(gè)串并聯(lián)電池組的電流不平衡程度。

不過(guò)參考相關(guān)電動(dòng)汽車(chē)電池組成組方式的文獻，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(méi)有電壓過(guò)低的電池出現，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)，在不同的應用條件下宜根據使用情況、電池系統容量、充放電工況等，選擇合適的成組方式。