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鋰動力電池單體串并聯設計及點焊操作方法

鉅大LARGE  |  點擊量:638次  |  2019年06月11日  

摘要
鋰動力電池在純電動汽車、電網儲能應用中,將多個鋰動力電池單體串聯以滿足電壓需求(單體串聯,容量不變,電壓疊加),將多個鋰動力電池單體并聯起來(單體并聯,電壓不變,容量疊加)滿足容量需求,大部分的化學電池都可以并聯使用,而鋰離子電池最適合并聯使用。

1.鋰動力電池串并聯:


鋰動力電池在純電動汽車、電網儲能應用中,將多個鋰動力電池單體串聯以滿足電壓需求(單體串聯,容量不變,電壓疊加),將多個鋰動力電池單體并聯起來(單體并聯,電壓不變,容量疊加)滿足容量需求,大部分的化學電池都可以并聯使用,而鋰離子電池最適合并聯使用。


(1)鋰動力電池單體并聯特性:


鋰動力電池單體并聯是指將多個鋰動力電池單體首首相聯、尾尾相聯,即將所有的鋰動力電池單體的正極相聯接,所有鋰動力電池單體的負極相聯接。;鋰動力電池單體并聯的特點是:電壓不變,電池容量相加,內阻減小,可供電時間延長。并聯電壓等于鋰動力電池單體電壓:即Ua=Ub=Uc=Uo;電流等于各鋰動力電池單體電流之和,即并聯可以提高總電流。 即Io=Ia+Ib+Ic。


由n節鋰動力電池單體并聯的鋰動力電池模組要達到與鋰動力電池單體相同的充電效率,充電電流應為n個鋰動力電池單體電流之和,在歐姆定律:I=U/R的公式下,這個設計是合理的。但是并聯后的鋰動力電池模組內阻也會起變化。


按照并聯內阻公式,兩個并聯鋰動力電池單體的總內阻等于兩個鋰動力電池單體內阻乘積與其內阻相加之和的比值,并聯電阻會隨著并聯鋰動力電池單體數量的增加而遞減。所以,鋰動力電池單體并聯充電的效率可以在電流小于n個并聯鋰動力電池單體電流之和的基礎上實現。


鋰動力電池并聯的目的是為了增加容量,因此,鋰動力電池并聯充電也與鋰動力電池單體相比具有不同的設計特點,主要體現在充電電流設計與并聯鋰動力電池單體的一致性上。因為,一致性差的并聯鋰動力電池單體會在充電過程中出現充不進電或者過充現象,從而破壞鋰動力電池模組的結構,影響鋰動力電池模組的壽命。


因此,在選用并聯鋰動力電池單體時應避免將不同品牌、不同容量和不同新舊程度的鋰動力電池單體混用。對鋰動力電池單體一致性的內在要求是:鋰動力電池單體電壓差≤10mV,內阻差≤5mΩ,容量差≤20mA。


(2)鋰動力電池串聯特性:


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


鋰動力電池單體串聯起來使用時的基本要求是:電壓要一致,內阻相差不超過5毫歐,容量相差不超過10毫安,并要保持鋰動力電池單體連接點的潔凈,每個連接點都存在一定電阻,如果連接點不干凈或者增加連接點,內阻會增高,會影響整個鋰動力電池模組的性能。不要混用不同廠家的鋰動力電池,要選擇性能一致性高的鋰動力電池單體。


(3)鋰動力電池串并聯特點:


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


2)鋰動力電池模組的循環壽命低于鋰動力電池單體的循環壽命。


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)通過串并聯構成鋰動力電池模組后,端電壓及容量有很大提高,必須加以保護,對其進行均衡徹底,并對溫度、電壓及電流進行監測。


5)通過串并聯構成鋰動力電池模組必須達到設計需要的電壓、容量要求。


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


7)生產工藝水平高。鋰動力電池要能承受顛簸路面的振動沖擊,對生產工藝尤其是點焊工藝要求高。焊接完畢后進行測試以防虛焊、脫焊。


2.串并聯鋰動力電池模組拓撲結構


構成鋰動力電池模組的典型連接方式有先并聯后串聯、先串聯后并聯,如圖1、2所示,混聯方式如圖3所示。純電動公交車用鋰動力電池模組通常采用先并后串的連接方式,電網儲能用鋰動力電池模組往往采用先串后并的連接方式。


(1)不同拓撲結構優缺點:


鋰動力電池單體先并后串的缺點:由于鋰動力電池單體內阻的差異、散熱不均等都會影響并聯后鋰動力電池模組的循環壽命。


鋰動力電池先并后串優點:鋰動力電池單體失效自動退出,除了容量降低,不影響并聯后使用;并聯中某個鋰動力電池單體短路時造成并聯電路電流非常大,通常加熔斷保護技術避免。


鋰動力電池先串后并優點:根據鋰動力電池單體容量先進行串聯,如整組容量1/3,最后進行并聯,降低了大容量鋰動力電池模組的故障概率;先串后并對于鋰動力電池模組一致性有很好的幫助。


從鋰動力電池模組連接的可靠性以及電壓不一致性發展趨勢和性能影響的角度分析,先并聯后串聯連接方式優于先串聯后并聯連接方式,而先串后并的鋰動力電池拓撲結構有利于對系統各個鋰動力電池單體進行檢測和管理。


(2)應用中問題分析:


在鋰動力電池模組使用過程中出現的鋰動力電池單體過充電、過放電、超溫和過流問題,將導致鋰動力電池模組使用壽命大幅縮短甚至發生燃燒、爆炸等惡性事故,鋰動力電池模組使用壽命縮短、安全性下降已經成為制約其推廣應用和產業發展的關鍵。


鋰動力電池單體篩選和成組后的有效電池管理是提高鋰動力電池模組性能的兩個重要方面,在串聯的鋰動力電池模組中,由于鋰動力電池單體容量、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檢測鋰動力電池單體電壓與充放電設備通信以防部分鋰動力電池單體的過充或過放。


串聯的鋰動力電池模組在良好的電池管理條件下,可在使用過程中避免如大倍率電流放電、環境溫度過高等危機鋰動力電池模組的安全運行,串聯的鋰動力電池模組不會因為連接成組而造成快于鋰動力電池單體的壽命衰退,但是部分鋰動力電池單體性能的短板效應,會減小串聯的鋰動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提高。


在并聯的鋰動力電池模組中由于支路電流受到支路鋰動力電池單體參數影響,成組后支路鋰動力電池單體容量、初始SOC、內阻和極化的差異會造成支路電流工況的差異,大多數并聯支路的鋰動力電池單體參數雖然較為一致,整個充放電過程的平均電流倍率與并聯的鋰動力電池模組的外施電流倍率差異不大,但是在鋰動力電池模組的充放電電壓平臺兩端的SOC區間形成的電流差異較大。


例如在充電末端90%~100%SOC區間,由于平臺電流差異的累積導致末端支路電流的差異,極其容易出現部分鋰動力電池單體欠充電,部分鋰動力電池單體過充充電。


另外一個顯著的影響因素就是并聯的鋰動力電池模組由于實際工況中存在動態電流工況(電動汽車在加速、制動以及怠速過程)產生了電流環流,環流在一定程度的損傷了鋰動力電池模組的壽命。假設l00Wh的總充放能量會出現5Wh的環流,鋰動力電池模組的循環壽命將比部分鋰動力電池單體實驗壽命降低5%左右。


在先串后并的連接方式中,并聯支路的串聯部分鋰動力電池單體數目越多,整條支路部分鋰動力電池單體參數如內阻、極化更接近統一批次部分鋰動力電池單體參數平均值的整數倍,并聯支路的容量差異和初始SOC差異成為導致并聯電流不平衡的主要因素。同一批次部分鋰動力電池單體參數正態分布在先串后并的各個支路當中,顯著降低了整個串并聯鋰動力電池模組的電流不平衡程度。


當少數鋰動力電池單體性能下降時,例如兩個支路各是256串,第一個支路有5個鋰動力電池單體容量下降5%,但是該支路剩余251個鋰動力電池單體與第二個支路服從相同分布,由于串聯的鋰動力電池模組整體的正態分布沒有受到顯著影響,那么這兩個支路的電流分布應該沒有顯著改變,當充電或者放電過程進行到5個性能較差的鋰動力電池單體電壓達到截止條件時,整個串并聯的鋰動力電池模組也達到了截止條件,將導致鋰動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力電池模組的性能,當不同批次鋰動力電池單體同時工作時,為降低鋰動力電池單體運行成本,在可控和可預計的范圍內將出現不同批次、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力電池單體串聯支路并聯工作情況,由于不同支路鋰動力電池單體參數、不同成組方式產生較大的差異,可通過對串并聯的鋰動力電池模組的建模仿真,預測不同成組方法的電流不平衡的程度,不同參數分布、串聯支路的自身特性及其并聯后的耦合特性決定了鋰動力電池模組的容量利用率,以及支路電流不平衡、電流平衡時間等鋰動力電池模組的循環穩定性。


3.鋰動力電池串并聯引出片與連接片點焊操作方法


鋰動力電池引出片與連接片的作用是將鋰動力電池單體經串并聯構成鋰動力電池模組,鋰動力電池通常采用點焊引出片與連接片工藝,鋰動力電池點焊引出片和連接片的方法如下:


1)將雙頭脈沖點焊機的電源開關按向“開”的位置,開啟電源。


2)確認鋰動力電池設備各參數已調試好,依據參數設定表,準備好物料和相關工具。調試鋰動力電池點焊機設備參數時必須符合品質要求,才能進行焊接車載操作。點焊鋰動力電池時必須注意點焊拉力,拉力值需在品質檢測范圍之內。


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


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


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


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


7)將壓合好的鋰動力電池組從壓合夾具上取出,進入下一工序,關閉點焊機電源開關。


鋰動力電池點焊引出片與連接片時,應注意以下事項:


1)引出片、連接片的規格須符合材料BOM規格。


2)焊點不能有漏焊、虛焊、炸火、明顯毛刺等不良現象。


3)引出片、連接片每處焊點數不少于6點。


4)點焊操作時不能使面墊脫落,如有脫落現象須重貼面墊再作業。


5)當點焊機銅針針尖發黑時,用挫刀將銅針黑點挫去再重新點焊作業。


6)如遇點焊機有異響等異常現象時,應及時關掉點焊機電源開關。


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