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电池组装是先并联好还是线串联好?

锂离子电池要想能在电压大小,容量大小和电流大小能满足一定的实际应用需求,就必须通过多颗电芯进行串联和并联的方式来达到相应的需求,而在这个电池组装的过程中,是先并联好呢?还是线串联好?

在国民经济中的应用越来越广泛,但其功率和能量是不可兼容的一对性能。在实际设计中,往往需要用户在电池的功率与能量之间进行取舍和平衡,而电池设计者又左右为难。另外,大型组合电池组需要多串并来实现,根据往常的理论,参与组合的单体电池性能一致性要控制在较窄的范围,否则会因为电池组中各单体电池之间的性能差异严重影响电池组的循环寿命。因此电池组需求单体越多,匹配的难度就越大,不能匹配的电池就越多,会造成极大的浪费。为了解决以上问题,本文在理论分析的基础上做了大胆的突破,将不同类型的电池按照一定规律进行组合,试验证明这种电池组合方式不仅能解决高功率和高能量的矛盾问题,同时也提出了减缓大规模电池组合压力的具体方法。

先串后并组合示意图

 

上图为先串后并的组合电池组示意图,其中:Bmn为第m并第n 串电池;Rm为第m并的总串联电阻(包含电池内阻和线路接触电阻);Im为第m并的电流;Ip为电池组总输出电流;Vm为第m 并的总串联电压;Vp为并联后的总输出电压。从图1可知Ip=I1+I2+I3+……+Im

组合电池选取同一电压平台(电池的正负极材料一致)的电池,即V1=V2=……=Vm=V;每并的串联电池要求按照容量、内阻等参数进行配组,即Bm1、Bm2、……Bmn,要求性能匹配一致,每并之间(即B1n、B2n、……Bmn之间)不要求电参数一致。

Im=(Vm-Vp)/Rm,在放电过程,每一并电池串的电流和本并电路的电阻值成反比,也就是说,在放电过程中,由于各并电池串的串联电阻不同,流经此并电池串的电流就不同,即I1、I2、……Im是不相同的,而且在放电过程中不断变化,但总体保持Ip=I1+I2+I3+…+In的动态平衡。

Vp=Vm-ImRm,如果在放电过程中某一并电池串的电压(Vm)变低(和其他并串联电池串电压比),因为Im=(Vm-Vp)/Rm,电池组就会自动通过减少此并电池串的电流,这样就会抬高此并电池串的总电压(Vm),因此电池组处在一个动态平衡的放电状态,使电池组保持一定的平衡电压(Vp),这样电池组在电压动态平衡的过程中,使每一并电池串都能放出各自的容量,而不会过放。

充电过程相反,原理相似,由于充电电压的动态平衡,使得每一串电池都能充进各自的容量,而不会过充。

先并后串组合示意图

先并联后串联的连接方式如上图 所示,由于B11、B12……B1n是通过配组筛选的,其电性能可以视为是一致的,即从电性能看,B11、B12……B1n相同,同样Bm1、Bm2……Bmn

相同,所以并联后,B并1=B并2=……=B并n(其中B并n就是B1n、B2n……Bmn的并联结果)。那么,整组电池就相当于筛选配组后的B并1、B并2……B并n串联,充放电是没有问题的。而Bm1、Bm2……Bmn并联和图1 分析相近,由上面的分析可知,先并联后串联的电池组能正常充放电,这里不再赘述。

通过以上理论分析,可以得出结论,如果满足条件:组成电池组的所有电池的电压平台一致(电池的正、负极材料一致),串联方向相对应的单体电池经过严格的配组筛选(保持内阻、容量等一致),那么单体电池无论是先串后并,还是先并后串进行组合,组成的电池组可以正常地充放电,不会影响电池组的循环寿命。

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