本文在簡介鋰動(dòng)力電池單體串聯(lián)、單體并聯(lián)特性及特點(diǎn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了鋰動(dòng)力電池模組先串后并、先并后串拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了串并聯(lián)鋰動(dòng)力電池模組應(yīng)用中的問題，探討鋰動(dòng)力電池串并聯(lián)引出片和連接片的點(diǎn)焊操作方法。

關(guān)鍵詞：特性、拓?fù)洹⑦B接

1.鋰動(dòng)力電池串并聯(lián)：

鋰動(dòng)力電池在純電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用中，將多個(gè)鋰動(dòng)力電池單體串聯(lián)以滿足電壓需求（單體串聯(lián)，容量不變，電壓疊加），將多個(gè)鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)起來（單體并聯(lián)，電壓不變，容量疊加）滿足容量需求，大部分的化學(xué)電池都可以并聯(lián)使用，而鋰離子電池最適合并聯(lián)使用。

（1）鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)特性：

鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)是指將多個(gè)鋰動(dòng)力電池單體首首相聯(lián)、尾尾相聯(lián)，即將所有的鋰動(dòng)力電池單體的正極相聯(lián)接，所有鋰動(dòng)力電池單體的負(fù)極相聯(lián)接。；鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)的特點(diǎn)是：電壓不變，電池容量相加，內(nèi)阻減小，可供電時(shí)間延長。并聯(lián)電壓等于鋰動(dòng)力電池單體電壓：即Ua=Ub=Uc=Uo；電流等于各鋰動(dòng)力電池單體電流之和，即并聯(lián)可以提高總電流。即Io=Ia+Ib+Ic。

由n節(jié)鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組要達(dá)到與鋰動(dòng)力電池單體相同的充電效率，充電電流應(yīng)為n個(gè)鋰動(dòng)力電池單體電流之和，在歐姆定律：I=U/R的公式下，這個(gè)設(shè)計(jì)是合理的。但是并聯(lián)后的鋰動(dòng)力電池模組內(nèi)阻也會(huì)起變化。

按照并聯(lián)內(nèi)阻公式，兩個(gè)并聯(lián)鋰動(dòng)力電池單體的總內(nèi)阻等于兩個(gè)鋰動(dòng)力電池單體內(nèi)阻乘積與其內(nèi)阻相加之和的比值，并聯(lián)電阻會(huì)隨著并聯(lián)鋰動(dòng)力電池單體數(shù)量的增加而遞減。所以，鋰動(dòng)力電池單體并聯(lián)充電的效率可以在電流小于n個(gè)并聯(lián)鋰動(dòng)力電池單體電流之和的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

鋰動(dòng)力電池并聯(lián)的目的是為了增加容量，因此，鋰動(dòng)力電池并聯(lián)充電也與鋰動(dòng)力電池單體相比具有不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在充電電流設(shè)計(jì)與并聯(lián)鋰動(dòng)力電池單體的一致性上。因?yàn)?，一致性差的并?lián)鋰動(dòng)力電池單體會(huì)在充電過程中出現(xiàn)充不進(jìn)電或者過充現(xiàn)象，從而破壞鋰動(dòng)力電池模組的結(jié)構(gòu)，影響鋰動(dòng)力電池模組的壽命。

因此，在選用并聯(lián)鋰動(dòng)力電池單體時(shí)應(yīng)避免將不同品牌、不同容量和不同新舊程度的鋰動(dòng)力電池單體混用。對(duì)鋰動(dòng)力電池單體一致性的內(nèi)在要求是：鋰動(dòng)力電池單體電壓差≤10mV，內(nèi)阻差≤5mΩ，容量差≤20mA。

（2）鋰動(dòng)力電池串聯(lián)特性：

鋰動(dòng)力電池串聯(lián)是指將鋰動(dòng)力電池單體的首尾相聯(lián)，即第一節(jié)鋰動(dòng)力電池單體的正極接第二節(jié)鋰動(dòng)力電池單體的負(fù)極，第二節(jié)鋰動(dòng)力電池單體的正極接第三節(jié)鋰動(dòng)力電池單體的負(fù)極依次類推；串聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組的電流處處相等：Io=Ia=Ib=Ic；電壓是各個(gè)鋰動(dòng)力電池單體端電壓之和：Uo=Ua+Ub+Uc。

鋰動(dòng)力電池單體串聯(lián)起來使用時(shí)的基本要求是：電壓要一致，內(nèi)阻相差不超過5毫歐，容量相差不超過10毫安，并要保持鋰動(dòng)力電池單體連接點(diǎn)的潔凈，每個(gè)連接點(diǎn)都存在一定電阻，如果連接點(diǎn)不干凈或者增加連接點(diǎn)，內(nèi)阻會(huì)增高，會(huì)影響整個(gè)鋰動(dòng)力電池模組的性能。不要混用不同廠家的鋰動(dòng)力電池，要選擇性能一致性高的鋰動(dòng)力電池單體。

（3）鋰動(dòng)力電池串并聯(lián)特點(diǎn)：

1）要求鋰動(dòng)力電池單體具有高度的一致性（容量、內(nèi)阻、電壓、放電曲線、壽命），不管是軟包裝鋰動(dòng)力電池單體還是圓柱鋰動(dòng)力電池單體，都需要多串組合，如果一致性差，將影響鋰動(dòng)力電池模組容量，一組中容量最低的鋰動(dòng)力電池單體決定鋰動(dòng)力電池模組的容量。

2）鋰動(dòng)力電池模組的循環(huán)壽命低于鋰動(dòng)力電池單體的循環(huán)壽命。

3）在限定的條件下使用（包括充電、放電電流，充電方式，溫度等）。

4）通過串并聯(lián)構(gòu)成鋰動(dòng)力電池模組后，端電壓及容量有很大提高，必須加以保護(hù)，對(duì)其進(jìn)行均衡徹底，并對(duì)溫度、電壓及電流進(jìn)行監(jiān)測。

5）通過串并聯(lián)構(gòu)成鋰動(dòng)力電池模組必須達(dá)到設(shè)計(jì)需要的電壓、容量要求。

6）要求鋰動(dòng)力電池單體散熱良好。由于鋰動(dòng)力電池單體數(shù)量較多，在鋰動(dòng)力電池箱內(nèi)部的鋰動(dòng)力電池單體的溫升不容易散出來，造成各鋰動(dòng)力電池單體間的溫度不均勻，放電特性不一，長久造成鋰動(dòng)力電池單體性能下降。

7）生產(chǎn)工藝水平高。鋰動(dòng)力電池要能承受顛簸路面的振動(dòng)沖擊，對(duì)生產(chǎn)工藝尤其是點(diǎn)焊工藝要求高。焊接完畢后進(jìn)行測試以防虛焊、脫焊。

2.串并聯(lián)鋰動(dòng)力電池模組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

構(gòu)成鋰動(dòng)力電池模組的典型連接方式有先并聯(lián)后串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)，如圖1、2所示，混聯(lián)方式如圖3所示。純電動(dòng)公交車用鋰動(dòng)力電池模組通常采用先并后串的連接方式，電網(wǎng)儲(chǔ)能用鋰動(dòng)力電池模組往往采用先串后并的連接方式。

（1）不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：

鋰動(dòng)力電池單體先并后串的缺點(diǎn)：由于鋰動(dòng)力電池單體內(nèi)阻的差異、散熱不均等都會(huì)影響并聯(lián)后鋰動(dòng)力電池模組的循環(huán)壽命。

鋰動(dòng)力電池先并后串優(yōu)點(diǎn)：鋰動(dòng)力電池單體失效自動(dòng)退出，除了容量降低，不影響并聯(lián)后使用；并聯(lián)中某個(gè)鋰動(dòng)力電池單體短路時(shí)造成并聯(lián)電路電流非常大，通常加熔斷保護(hù)技術(shù)避免。

鋰動(dòng)力電池先串后并優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)鋰動(dòng)力電池單體容量先進(jìn)行串聯(lián)，如整組容量1/3，最后進(jìn)行并聯(lián)，降低了大容量鋰動(dòng)力電池模組的故障概率；先串后并對(duì)于鋰動(dòng)力電池模組一致性有很好的幫助。

從鋰動(dòng)力電池模組連接的可靠性以及電壓不一致性發(fā)展趨勢和性能影響的角度分析，先并聯(lián)后串聯(lián)連接方式優(yōu)于先串聯(lián)后并聯(lián)連接方式，而先串后并的鋰動(dòng)力電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于對(duì)系統(tǒng)各個(gè)鋰動(dòng)力電池單體進(jìn)行檢測和管理。

（2）應(yīng)用中問題分析：

在鋰動(dòng)力電池模組使用過程中出現(xiàn)的鋰動(dòng)力電池單體過充電、過放電、超溫和過流問題，將導(dǎo)致鋰動(dòng)力電池模組使用壽命大幅縮短甚至發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故，鋰動(dòng)力電池模組使用壽命縮短、安全性下降已經(jīng)成為制約其推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

鋰動(dòng)力電池單體篩選和成組后的有效電池管理是提高鋰動(dòng)力電池模組性能的兩個(gè)重要方面，在串聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組中，由于鋰動(dòng)力電池單體容量、初始SOC、內(nèi)阻、極化的不一致性，在充放電過程中需要電池管理系統(tǒng)檢測鋰動(dòng)力電池單體電壓與充放電設(shè)備通信以防部分鋰動(dòng)力電池單體的過充或過放。

串聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組在良好的電池管理?xiàng)l件下，可在使用過程中避免如大倍率電流放電、環(huán)境溫度過高等危機(jī)鋰動(dòng)力電池模組的安全運(yùn)行，串聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組不會(huì)因?yàn)檫B接成組而造成快于鋰動(dòng)力電池單體的壽命衰退，但是部分鋰動(dòng)力電池單體性能的短板效應(yīng)，會(huì)減小串聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組的容量利用率，可以通過帶均衡功能的電池管理系統(tǒng)提高。

在并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組中由于支路電流受到支路鋰動(dòng)力電池單體參數(shù)影響，成組后支路鋰動(dòng)力電池單體容量、初始SOC、內(nèi)阻和極化的差異會(huì)造成支路電流工況的差異，大多數(shù)并聯(lián)支路的鋰動(dòng)力電池單體參數(shù)雖然較為一致，整個(gè)充放電過程的平均電流倍率與并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組的外施電流倍率差異不大，但是在鋰動(dòng)力電池模組的充放電電壓平臺(tái)兩端的SOC區(qū)間形成的電流差異較大。

例如在充電末端90％～100％SOC區(qū)間，由于平臺(tái)電流差異的累積導(dǎo)致末端支路電流的差異，極其容易出現(xiàn)部分鋰動(dòng)力電池單體欠充電，部分鋰動(dòng)力電池單體過充充電。

另外一個(gè)顯著的影響因素就是并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組由于實(shí)際工況中存在動(dòng)態(tài)電流工況(電動(dòng)汽車在加速、制動(dòng)以及怠速過程)產(chǎn)生了電流環(huán)流，環(huán)流在一定程度的損傷了鋰動(dòng)力電池模組的壽命。假設(shè)l00Wh的總充放能量會(huì)出現(xiàn)5Wh的環(huán)流，鋰動(dòng)力電池模組的循環(huán)壽命將比部分鋰動(dòng)力電池單體實(shí)驗(yàn)壽命降低5％左右。

在先串后并的連接方式中，并聯(lián)支路的串聯(lián)部分鋰動(dòng)力電池單體數(shù)目越多，整條支路部分鋰動(dòng)力電池單體參數(shù)如內(nèi)阻、極化更接近統(tǒng)一批次部分鋰動(dòng)力電池單體參數(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(dǎo)致并聯(lián)電流不平衡的主要因素。同一批次部分鋰動(dòng)力電池單體參數(shù)正態(tài)分布在先串后并的各個(gè)支路當(dāng)中，顯著降低了整個(gè)串并聯(lián)鋰動(dòng)力電池模組的電流不平衡程度。

當(dāng)少數(shù)鋰動(dòng)力電池單體性能下降時(shí)，例如兩個(gè)支路各是256串，第一個(gè)支路有5個(gè)鋰動(dòng)力電池單體容量下降5％，但是該支路剩余251個(gè)鋰動(dòng)力電池單體與第二個(gè)支路服從相同分布，由于串聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組整體的正態(tài)分布沒有受到顯著影響，那么這兩個(gè)支路的電流分布應(yīng)該沒有顯著改變，當(dāng)充電或者放電過程進(jìn)行到5個(gè)性能較差的鋰動(dòng)力電池單體電壓達(dá)到截止條件時(shí)，整個(gè)串并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組也達(dá)到了截止條件，將導(dǎo)致鋰動(dòng)力電池模組容量利用率降低5％左右。

在這種情況下電池管理均衡器的效率和均衡能力決定了鋰動(dòng)力電池模組的性能，當(dāng)不同批次鋰動(dòng)力電池單體同時(shí)工作時(shí)，為降低鋰動(dòng)力電池單體運(yùn)行成本，在可控和可預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)將出現(xiàn)不同批次、新舊老化程度不同、支路容量差異或者梯次利用篩選分類的鋰動(dòng)力電池單體串聯(lián)支路并聯(lián)工作情況，由于不同支路鋰動(dòng)力電池單體參數(shù)、不同成組方式產(chǎn)生較大的差異，可通過對(duì)串并聯(lián)的鋰動(dòng)力電池模組的建模仿真，預(yù)測不同成組方法的電流不平衡的程度，不同參數(shù)分布、串聯(lián)支路的自身特性及其并聯(lián)后的耦合特性決定了鋰動(dòng)力電池模組的容量利用率，以及支路電流不平衡、電流平衡時(shí)間等鋰動(dòng)力電池模組的循環(huán)穩(wěn)定性。

3.鋰動(dòng)力電池串并聯(lián)引出片與連接片點(diǎn)焊操作方法

鋰動(dòng)力電池引出片與連接片的作用是將鋰動(dòng)力電池單體經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成鋰動(dòng)力電池模組，鋰動(dòng)力電池通常采用點(diǎn)焊引出片與連接片工藝，鋰動(dòng)力電池點(diǎn)焊引出片和連接片的方法如下：

1）將雙頭脈沖點(diǎn)焊機(jī)的電源開關(guān)按向“開”的位置，開啟電源。

2）確認(rèn)鋰動(dòng)力電池設(shè)備各參數(shù)已調(diào)試好,依據(jù)參數(shù)設(shè)定表，準(zhǔn)備好物料和相關(guān)工具。調(diào)試鋰動(dòng)力電池點(diǎn)焊機(jī)設(shè)備參數(shù)時(shí)必須符合品質(zhì)要求，才能進(jìn)行焊接車載操作。點(diǎn)焊鋰動(dòng)力電池時(shí)必須注意點(diǎn)焊拉力，拉力值需在品質(zhì)檢測范圍之內(nèi)。

3）拿起一鋰動(dòng)力電池單體，負(fù)極端底部朝上，拿一引出片，引出片帶圓孔端在外，將引出片點(diǎn)焊于鋰動(dòng)力電池負(fù)極端中間位置。

4）將鋰動(dòng)力電池單體轉(zhuǎn)過去，引出片朝內(nèi)，拿一連接片，將連接片擺放于引出片的上面，將連接片點(diǎn)焊于鋰動(dòng)力電池單體負(fù)極端中間位置，與引出片成一直線。

5）拿起另一鋰動(dòng)力電池單體，負(fù)極端底部朝上，將第一鋰動(dòng)力電池單體的連接片外露一端點(diǎn)焊于第二鋰動(dòng)力電池單體的負(fù)極端底部中間位置。

6）將串聯(lián)點(diǎn)焊好的鋰動(dòng)力電池單體擺放于壓合夾具上，用力將各鋰動(dòng)力電池單體朝中間壓合，使兩鋰動(dòng)力電池單體緊密結(jié)合在一起，兩鋰動(dòng)力電池單體成一直線。

7）將壓合好的鋰動(dòng)力電池組從壓合夾具上取出，進(jìn)入下一工序，關(guān)閉點(diǎn)焊機(jī)電源開關(guān)。

鋰動(dòng)力電池點(diǎn)焊引出片與連接片時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）引出片、連接片的規(guī)格須符合材料BOM規(guī)格。

2）焊點(diǎn)不能有漏焊、虛焊、炸火、明顯毛刺等不良現(xiàn)象。

3）引出片、連接片每處焊點(diǎn)數(shù)不少于6點(diǎn)。

4）點(diǎn)焊操作時(shí)不能使面墊脫落,如有脫落現(xiàn)象須重貼面墊再作業(yè)。

5）當(dāng)點(diǎn)焊機(jī)銅針針尖發(fā)黑時(shí)，用挫刀將銅針黑點(diǎn)挫去再重新點(diǎn)焊作業(yè)。

6）如遇點(diǎn)焊機(jī)有異響等異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)掉點(diǎn)焊機(jī)電源開關(guān)。

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