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[摘 要]本文主要针对锂离子电池成组设计展开分析，思考了锂离子电池成组设计的思路和具体的设计方案，对于设计过程中的重点工作进行了总结分析，可供今后参考。
[关键词]锂离子电池；成组；设计
中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0334-01
1 电池组组合拓扑结构
Avicenne的统计数据显示，锂离子电池市场是所有二次电池市场中成长速度最快的。在2002-2012年10年间，全球锂离子电池市场按产销量来看年均增长速度超过了25%，按营收规模来看年均增长速度超过了14%。从产销量来看，2012年全球锂离子电池市场销量共计44.5亿只，约合3227.5万kWh，实现营收106.85亿美元（此处数据与文章第一部分提到的151亿美元不同，真锂研究认为151亿美元的数据是从下游采购角度统计的，而此处的106.85亿美元是从电池企业销售角度统计的）。
为了达到整机设备的电压、能量、峰值功率等供电要求，需要足够数量的锂离子电池通过串并联获得，所以电池组组合拓撲的形式显得尤为重要，是实现电池组可靠性要求的关键因素。通过对电池组合拓扑进行可靠性建模和分析，为方案设计优选、调整提供依据。
电池组的连接方式有串联、并联和混联，混联包括先并后串和先串后并。数量较多、模型复杂的电池组，一般都由多个电池模块组成，每个模块又由多个单体电池组成，所以对电池组组合拓扑结构分析时应分模块、分层进行，归纳对应可靠性模型包括串联模型、并联模型。
锂离子电池在进行组合时，采用先并后串拓扑结构的优势是，组合形式简单，且易于后期维护和模块的更换，但当一只电池发生失效，尤其是单体电池的内短路，会造成整个模块的大电流放电，导致热失控发生危险。采用先串后并拓扑结构的优势是，当某只电池发生失效时，电池组只损失了一串电池的容量，电池组电压不会发生变化，但当电池串联数量较多或成组模块设计时，该组合形式有局限性。
2 电池组热特性
不同类型的单体电池的热特性各不相同，在组成电池模块后，由于组合数量、排列方式以及封装方式不同，电池模块的热特性差异很大。组成模块的单体电池数量越大，热量集聚的现象越明显，电池成组密集摆放，四周与中心的散热条件不同，从而造成整体温差，电池电流较大时，发热量更高，密集摆放后造成的温度不均衡现象就会更加明显。如果电池组温度过高或温度分布不均匀，不仅影响锂离子电池的一致性，使得电池模块整体性能大幅降低，而且影响电池的使用寿命，严重时还将导致热失控，造成安全问题；在温度过低时，锂离子电池是无法正常工作的，即便在稍高温度（如0℃左右）下持续工作，仍会对电池的能量、功率输出能力及循环寿命产生较大影响。因此需要对电池组热特性充分分析，进行热控方案设计。
在确定单体电池热特性、组件结构、热物参数等因素下，使用数值计算软件，可仿真电池组成组设计后温度场分布云图。电池热特性可通过在绝热环境下不同温度、不同倍率充放电时的温升情况测定比热容和发热量等参数。电池的发热量与环境温度、电流和充、放电深度等相关，1C充电时的温升明显高于0.5C充电。通过绝热环境下温升情况的试验，可以获得电池的发热量。
3 电池的选择策略
3.1 电池参数的确定
3.1.1电池的常见参数
①标称电压。标称电压是指电池在出厂时厂家标称的额定电压，一般钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂作为正极材料的电池其标称电压是3.7V，磷酸铁锂作为正极材料的电池其标称电压是3.2V。
②内阻。电池内阻欧姆极化电阻：隔膜电阻，电极电阻，各种接触电阻，伏安特性的直线部分和化学电阻（极板所涂化学物质所引起）。还可分为静态内阻，极化内阻，关心的静态内阻，在测量时除去极化内阻很困难。由于电池内阻很小（mΩ级）所以精确测量内阻很困难。
目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有以下两种：
1） 直流放电内阻测量法。根据物理公式R=V/I，测试设备让电池在短时间内（一般为2-3秒）强制通过一个很大的恒定直流电流（目前一般使用40A-80A的大电流），测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。
2） 交流压降内阻测量法。因为电池实际上等效于一个有源电阻，因此我们给电池施加一个固定频率和固定电流（目前一般使用1KHZ频率，50mA小电流），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。
③容量。锂电池的容量一般用AH表示，通俗的讲就是指电池所能放出的能量大小，一般对于动力或储能的新能源电池，它是指电池满充电后，以0.33C3A的恒流放电至终止电压的容量。
3.1.2电池组设计需要的参数
从上边的论述中，我们可以对电池特性有了一定的了解，因此，我们如果想进行电池组的设计，我们就必须知道一些必要的参数，主要有以下几个方面：
①电池组工作电压。②最大持续充电电流。③最大持续放电电流。④最大瞬态充电电流。⑤最大瞬态放电电流。⑥恒定电流（或者功率）输出状态下的工作时间。
以上参数是进行电池组设计的必须了解的参数，我们将在下面通过一个实际例子进行一下说明。
3.2 电池组组配常见选择方案
案例：某一个车用电池组，最大瞬态工作电流400A，最大持续工作电流200A，正常巡航电流50A，要求巡航状态持续工作时间4小时，电池组工作电压范围360～390V，要求使用磷酸铁锂电池。
3.2.1组配方案
首先，我们从上述信息中的电池组工作电压上可以看到，其工作电压范围是360V～390V，对于磷酸铁锂电池来讲，其标称电压是3.2V，最高工作电压是3.4V，其最低持续工作电压建议不低于3.0V，这样我们可以计算一下：390/3.4≈115，360/3.0=120。
因此，我们为了满足工作电压要求，可以确定使用120串的电池组，这样，电池组的实际持续工作电压范围就是360V～408V。
电池电压确定了，下面需要确定电池的容量了。
从上面的条件上我们可以看出，电池组需要以50A的工作电流连续工作4小时，这样需要的可用容量是50*4=200AH，按照笔者以往设计的电池组来看，120串的电池组需要可用容量为200AH，再考虑到使用后的容量衰减，一般需要保留20～25%的设计余量，这样的话，我们实际需要设计的容量应该在250AH，这样我们需要的电池组标称参数就可以确定为384V250AH。
3.2.2电力锂离子电池组的安全性能
锂离子电池在单个使用时，配合防过充、过放、过流装置，安全性可以得到保证。但是对于组合使用的动力锂离子电池的情况变得比较复杂。组合使用比单个使用更容易发生过充和过放现象，且不易发现。电池组中各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将使某些单体电池的容量加速衰减，串联电池组的容量由单体电池的最小容量决定，因此这些差异将使电池组的使用寿命缩短。造成这种不平衡的主要原因有：在电池制作过程中，由于工艺等原因，同批次电池的容量、内阻等存在差异；电池自放电率不同，长时间的积累，造成电池容量的差异；电池在使用过程中，使用环境如温度、电路板的差异，导致电池容量的不平衡。为减小这种不均衡对锂离子电池组的影响，在电池组的充放电过程中，要使用均衡电路。
4 结束语
综上所述，在锂离子电池成组设计的环节，对于每一个设计的方法，都要明确，在锂离子电池成组设计的过程中，也应该深入的分析设计的具体思路，才能够确保设计的效果。
参考文献
[1] 刘勇，梁霍秀.水下装备用锂离子电池的研制进展[J].电源技术，2017，（07）.90
作者简介：袁萍萍，身份证号码：4103281986****6024
田红霞，身份证号码：4114021986***7942
[关键词]锂离子电池；成组；设计
中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0334-01
1 电池组组合拓扑结构
Avicenne的统计数据显示，锂离子电池市场是所有二次电池市场中成长速度最快的。在2002-2012年10年间，全球锂离子电池市场按产销量来看年均增长速度超过了25%，按营收规模来看年均增长速度超过了14%。从产销量来看，2012年全球锂离子电池市场销量共计44.5亿只，约合3227.5万kWh，实现营收106.85亿美元（此处数据与文章第一部分提到的151亿美元不同，真锂研究认为151亿美元的数据是从下游采购角度统计的，而此处的106.85亿美元是从电池企业销售角度统计的）。
为了达到整机设备的电压、能量、峰值功率等供电要求，需要足够数量的锂离子电池通过串并联获得，所以电池组组合拓撲的形式显得尤为重要，是实现电池组可靠性要求的关键因素。通过对电池组合拓扑进行可靠性建模和分析，为方案设计优选、调整提供依据。
电池组的连接方式有串联、并联和混联，混联包括先并后串和先串后并。数量较多、模型复杂的电池组，一般都由多个电池模块组成，每个模块又由多个单体电池组成，所以对电池组组合拓扑结构分析时应分模块、分层进行，归纳对应可靠性模型包括串联模型、并联模型。
锂离子电池在进行组合时，采用先并后串拓扑结构的优势是，组合形式简单，且易于后期维护和模块的更换，但当一只电池发生失效，尤其是单体电池的内短路，会造成整个模块的大电流放电，导致热失控发生危险。采用先串后并拓扑结构的优势是，当某只电池发生失效时，电池组只损失了一串电池的容量，电池组电压不会发生变化，但当电池串联数量较多或成组模块设计时，该组合形式有局限性。
2 电池组热特性
不同类型的单体电池的热特性各不相同，在组成电池模块后，由于组合数量、排列方式以及封装方式不同，电池模块的热特性差异很大。组成模块的单体电池数量越大，热量集聚的现象越明显，电池成组密集摆放，四周与中心的散热条件不同，从而造成整体温差，电池电流较大时，发热量更高，密集摆放后造成的温度不均衡现象就会更加明显。如果电池组温度过高或温度分布不均匀，不仅影响锂离子电池的一致性，使得电池模块整体性能大幅降低，而且影响电池的使用寿命，严重时还将导致热失控，造成安全问题；在温度过低时，锂离子电池是无法正常工作的，即便在稍高温度（如0℃左右）下持续工作，仍会对电池的能量、功率输出能力及循环寿命产生较大影响。因此需要对电池组热特性充分分析，进行热控方案设计。
在确定单体电池热特性、组件结构、热物参数等因素下，使用数值计算软件，可仿真电池组成组设计后温度场分布云图。电池热特性可通过在绝热环境下不同温度、不同倍率充放电时的温升情况测定比热容和发热量等参数。电池的发热量与环境温度、电流和充、放电深度等相关，1C充电时的温升明显高于0.5C充电。通过绝热环境下温升情况的试验，可以获得电池的发热量。
3 电池的选择策略
3.1 电池参数的确定
3.1.1电池的常见参数
①标称电压。标称电压是指电池在出厂时厂家标称的额定电压，一般钴酸锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂作为正极材料的电池其标称电压是3.7V，磷酸铁锂作为正极材料的电池其标称电压是3.2V。
②内阻。电池内阻欧姆极化电阻：隔膜电阻，电极电阻，各种接触电阻，伏安特性的直线部分和化学电阻（极板所涂化学物质所引起）。还可分为静态内阻，极化内阻，关心的静态内阻，在测量时除去极化内阻很困难。由于电池内阻很小（mΩ级）所以精确测量内阻很困难。
目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有以下两种：
1） 直流放电内阻测量法。根据物理公式R=V/I，测试设备让电池在短时间内（一般为2-3秒）强制通过一个很大的恒定直流电流（目前一般使用40A-80A的大电流），测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。
2） 交流压降内阻测量法。因为电池实际上等效于一个有源电阻，因此我们给电池施加一个固定频率和固定电流（目前一般使用1KHZ频率，50mA小电流），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。
③容量。锂电池的容量一般用AH表示，通俗的讲就是指电池所能放出的能量大小，一般对于动力或储能的新能源电池，它是指电池满充电后，以0.33C3A的恒流放电至终止电压的容量。
3.1.2电池组设计需要的参数
从上边的论述中，我们可以对电池特性有了一定的了解，因此，我们如果想进行电池组的设计，我们就必须知道一些必要的参数，主要有以下几个方面：
①电池组工作电压。②最大持续充电电流。③最大持续放电电流。④最大瞬态充电电流。⑤最大瞬态放电电流。⑥恒定电流（或者功率）输出状态下的工作时间。
以上参数是进行电池组设计的必须了解的参数，我们将在下面通过一个实际例子进行一下说明。
3.2 电池组组配常见选择方案
案例：某一个车用电池组，最大瞬态工作电流400A，最大持续工作电流200A，正常巡航电流50A，要求巡航状态持续工作时间4小时，电池组工作电压范围360～390V，要求使用磷酸铁锂电池。
3.2.1组配方案
首先，我们从上述信息中的电池组工作电压上可以看到，其工作电压范围是360V～390V，对于磷酸铁锂电池来讲，其标称电压是3.2V，最高工作电压是3.4V，其最低持续工作电压建议不低于3.0V，这样我们可以计算一下：390/3.4≈115，360/3.0=120。
因此，我们为了满足工作电压要求，可以确定使用120串的电池组，这样，电池组的实际持续工作电压范围就是360V～408V。
电池电压确定了，下面需要确定电池的容量了。
从上面的条件上我们可以看出，电池组需要以50A的工作电流连续工作4小时，这样需要的可用容量是50*4=200AH，按照笔者以往设计的电池组来看，120串的电池组需要可用容量为200AH，再考虑到使用后的容量衰减，一般需要保留20～25%的设计余量，这样的话，我们实际需要设计的容量应该在250AH，这样我们需要的电池组标称参数就可以确定为384V250AH。
3.2.2电力锂离子电池组的安全性能
锂离子电池在单个使用时，配合防过充、过放、过流装置，安全性可以得到保证。但是对于组合使用的动力锂离子电池的情况变得比较复杂。组合使用比单个使用更容易发生过充和过放现象，且不易发现。电池组中各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将使某些单体电池的容量加速衰减，串联电池组的容量由单体电池的最小容量决定，因此这些差异将使电池组的使用寿命缩短。造成这种不平衡的主要原因有：在电池制作过程中，由于工艺等原因，同批次电池的容量、内阻等存在差异；电池自放电率不同，长时间的积累，造成电池容量的差异；电池在使用过程中，使用环境如温度、电路板的差异，导致电池容量的不平衡。为减小这种不均衡对锂离子电池组的影响，在电池组的充放电过程中，要使用均衡电路。
4 结束语
综上所述，在锂离子电池成组设计的环节，对于每一个设计的方法，都要明确，在锂离子电池成组设计的过程中，也应该深入的分析设计的具体思路，才能够确保设计的效果。
参考文献
[1] 刘勇，梁霍秀.水下装备用锂离子电池的研制进展[J].电源技术，2017，（07）.90
作者简介：袁萍萍，身份证号码：4103281986****6024
田红霞，身份证号码：4114021986***7942