浅谈我国锂电池系统的串并联优化成组原理和方案

张少绵

摘 要：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。因此我们致力于研究纯电动汽车以及电网储能用串并联电池组的建模仿真方法，基于对串并联电池组的建模仿真分析，探究影响锂离子电池组性能的主要因素以及优化的电池成组方法。大容量锂电池储能系统在电力系统中的应用发展潜力巨大，尽管国内单体制造技术已相对成熟，但电池成组理论研究不多，成组后性能极大程度下降以及安全性问题也亟待解决。基于储能系统电池成组的特点，分析了成组应用中影响电池组性能的因素，并从应用角度介绍了当前国内电池成组技术的现状，提出了储能系统中电池成组与集成技术的关键问题，并归纳了未来储能系统中成组技术的发展方向。

关键词：锂离子电池；串并联电池组；优化成组

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。因此我们致力于研究纯电动汽车以及电网储能用串并联电池组的建模仿真方法，基于对串并联电池组的建模仿真分析，探究影响锂离子电池组性能的主要因素以及优化的电池成组方法。

1.串并联电池组拓扑结构

电池组典型的连接方式有先并联后串联、先串联后并联，如图ab所示，混联方式如图c 所示。其中北京奥运会、上海世博会纯电动公交车用电池即采用先并后串的连接方式，电网电池储能中往往采用先串后并的连接方式。

从电池组连接的可靠性以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优于先串联后并联连接方式，而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。先并后串连接方式的建模仿真可用于电动汽车整车仿真的动力电池部分，计算整个电池组的功率输出；先串后并连接方式的建模仿真可用于电网储能中并联支路的投切后不均衡电流、电流均衡时间的仿真计算；再综合考虑这两种基本连接方式对混联方式的电池组建模。

2.锂电池系统的串并联优化成组原理

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。电池筛选成组与适应动力锂离子电池的有效电池管理是提高串并联电池组性能的两个重要方面。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。例如，充电末端90%.100%SOC区间由于平台电流差异的累积导致末端支路电流的差异，极其容易出现没有充满的电池过流充电，已经充满的电池过充充电。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。假设lOOWh的总充放能量会出现5Wh的环流，电池循环寿命将比单体实验寿命降低5%左右。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。我們需要考虑的是在实际的使用过程当中，电动汽车和电池储能系统均会出现电池的维护和更新，也会出现不同批次电池同时工作的状况，以下分别进行讨论：

当少数单体电池性能下降时，例如，两个支路各是256串，第一个支路有5个电池容量下降5%，但是改支路剩余25 1个电池与第二个支路服从相同分布，由于串联电池组整体的正态分布没有收到显著影响，那么这两个支路的电流分布应该没有显著改变，当充电或者放电过程进行到5个性能较差的电池电压达到截止条件时，整个串并联电池组也达到了截止条件，将导致电池组容量利用率降低5%左右。我们认为这种情况下电池管理均衡器的效率和均衡能力决定了整组电池的性能：当不同电池批次同时工作时，为了降低电池系统的运行成本，在可控和可预计的范围内将出现不同批次、新旧老化程度不同、支路容量差异或者梯次利用筛选分类的电池串联支路并联工作的情况，由于不同支路的电池参数的样本期望和方差因不同成组方式产生较大差异，我们认为通过串并联电池组的建模仿真可以预测不同成组方法的电流不平衡的程度，不同参数分布的串联支路的自身特性及其并联后的耦合特性决定了电池组的容量利用率以及支路电流不平衡、电流平衡时间等电池组的循环稳定性。如何兼顾串并联电池组的使用效率和使用寿命是电池组优化应用的研究重点。

3.总结

大容量锂电池储能系统在电力系统中的应用发展潜力巨大，尽管国内单体制造技术已相对成熟，但电池成组理论研究不多，成组后性能极大程度下降以及安全性问题也亟待解决。基于储能系统电池成组的特点，分析了成组应用中影响电池组性能的因素，并从应用角度介绍了当前国内电池成组技术的现状，提出了储能系统中电池成组与集成技术的关键问题，并归纳了未来储能系统中成组技术的发展方向。

参考文献：

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