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，為了滿足用電設備、儲能系統(tǒng)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)混合的方式來使用。然而，鋰電池在制造過程中不可避免的會出現(xiàn)不一致的情況，這種不一致的程度，會隨著使用時間的延長，循環(huán)壽命的增加，而被逐漸放大。鋰電池的典型參數(shù)，例如交流內阻、直流內阻、電壓等參數(shù)在不同的荷電狀態(tài)下也會不同。在鋰電池的木桶效應之下，強者恒強，弱者愈弱，直到整個儲能系統(tǒng)失效、退役。而鋰電池的串、并聯(lián)方式，對電池系統(tǒng)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，在工作中會出現(xiàn)電流不均衡的現(xiàn)象，并聯(lián)支路電流同時還受到本條支路和其他支路的參數(shù)影響。

鋰電池并聯(lián)成組時，在成組單體電池容量、初始狀態(tài)一致的情況下，電池內阻會造成并聯(lián)支路平臺期較穩(wěn)定的不平衡電流，造成并聯(lián)支路SOC變化出現(xiàn)不一致現(xiàn)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，可以通過分析電池歐姆內阻、極化內阻的分布以減小支路充電末端的不均衡電流值。在實際并聯(lián)電池組使用過程中，支路電池各個參數(shù)的不一致往往同時存在，并聯(lián)成組后的支路電流分配受多種不一致的參數(shù)影響。

二、串聯(lián)對鋰電池組性能的影響

設備或儲能系統(tǒng)工作需要一定的電壓，鋰電池的平臺電壓根據(jù)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，平臺電壓為3.2V;正極材料選用三元材料時，平臺電壓是3.7V;負極材料變成鈦酸鋰時，平臺電壓又會隨著正極材料的變化而發(fā)生變化。單體電池電壓無法滿足設備、系統(tǒng)的使用要求，需要進行串聯(lián)來達到額定工作電壓。

同樣的，受到單體電池生產制造過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(shù)不同，隨著使用時間和循環(huán)次數(shù)的增加，各單體電池容量衰減和老化程度各有不同，嚴重的會導致部分電池過充電或過放電。電池管理系統(tǒng)的存在，會較大程度上緩解電池不一致的問題。

電池串聯(lián)成組相對并聯(lián)成組簡單，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

在純電動汽車、電網(wǎng)儲能應用中，單體電池串聯(lián)以滿足電壓需求，并聯(lián)以滿足容量需求，串并聯(lián)連接方式往往同時存在。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。北京奧運會電動公交是采用先并后串的方式，儲能系統(tǒng)一般采用先串后并的連接方式。

串并聯(lián)電池組在使用過程中出現(xiàn)的電池單體過充電、過放電、超溫和過流問題，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，成組動力鋰電池使用壽命縮短、安全性下降已經成為制約其推廣應用和產業(yè)發(fā)展的關鍵。電池篩選工藝和電池管理系統(tǒng)是提高串并聯(lián)電池組性能的關鍵。

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，在充放電過程中需要電池管理系統(tǒng)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充或過放，串聯(lián)電池組在良好的電池管理條件下，使用過程中避免濫用如大電流倍率、環(huán)境溫度過高等，串聯(lián)電池組不會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減小串聯(lián)電池組的容量利用率，可以通過帶均衡功能的電池管理系統(tǒng)提高。

并聯(lián)電池組中由于支路電流受到支路電池參數(shù)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造成支路電流工況的差異，大多數(shù)單體并聯(lián)的支路電池參數(shù)雖然較為一致，整個充放電過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(qū)間形成的電流差異較大。另外一個顯著的影響因素就是并聯(lián)電池組由于實際工況中存在動態(tài)電流工況(加速、制動以及怠速過程)產生了電流的環(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(tǒng)各個單體電池進行檢測和管理。先串后并的連接方式中并聯(lián)支路的串聯(lián)電池數(shù)目越多整條支路電池參數(shù)如內阻、極化更接近統(tǒng)一批次電池參數(shù)平均值的整數(shù)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(shù)正態(tài)分布在先串后并的各個支路當中，顯著降低了整個串并聯(lián)電池組的電流不平衡程度。

不過參考相關電動汽車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(tǒng)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，沒有電壓過低的電池出現(xiàn)，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(qū)間大。

以上可以看出，先串后并與先并后串各有其優(yōu)缺點，在不同的應用條件下宜根據(jù)使用情況、電池系統(tǒng)容量、充放電工況等，選擇合適的成組方式。