本文在簡介鋰動力電池單體串聯(lián)、單體并聯(lián)特性及特點基礎(chǔ)上，重點論述了鋰動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，分析了串并聯(lián)鋰動力電池模組應(yīng)用中的問題，探討鋰動力電池串并聯(lián)引出片和連接片的點焊操作方法。

關(guān)鍵詞：特性、拓?fù)洹⑦B接

1.鋰動力電池串并聯(lián)：

鋰動力電池在純電動汽車、電網(wǎng)儲能應(yīng)用中，將多個鋰動力電池單體串聯(lián)以滿足電壓需求（單體串聯(lián)，容量不變，電壓疊加），將多個鋰動力電池單體并聯(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）鋰動力電池單體并聯(lián)特性：

鋰動力電池單體并聯(lián)是指將多個鋰動力電池單體首首相聯(lián)、尾尾相聯(lián)，即將所有的鋰動力電池單體的正極相聯(lián)接，所有鋰動力電池單體的負(fù)極相聯(lián)接。；鋰動力電池單體并聯(lián)的特點是：電壓不變，電池容量相加，內(nèi)阻減小，可供電時間延長。并聯(lián)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(lián)可以提高總電流。即Io=Ia+Ib+Ic。

由n節(jié)鋰動力電池單體并聯(lián)的鋰動力電池模組要達(dá)到與鋰動力電池單體相同的充電效率，充電電流應(yīng)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(shè)計是合理的。但是并聯(lián)后的鋰動力電池模組內(nèi)阻也會起變化。

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

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

因此，在選用并聯(lián)鋰動力電池單體時應(yīng)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(nèi)在要求是：鋰動力電池單體電壓差≤10mV，內(nèi)阻差≤5mΩ，容量差≤20mA。

（2）鋰動力電池串聯(lián)特性：

鋰動力電池串聯(lián)是指將鋰動力電池單體的首尾相聯(lián)，即第一節(jié)鋰動力電池單體的正極接第二節(jié)鋰動力電池單體的負(fù)極，第二節(jié)鋰動力電池單體的正極接第三節(jié)鋰動力電池單體的負(fù)極依次類推；串聯(lián)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(lián)起來使用時的基本要求是：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(nèi)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(lián)特點：

1）要求鋰動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(huán)壽命低于鋰動力電池單體的循環(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)，對其進(jìn)行均衡徹底，并對溫度、電壓及電流進(jìn)行監(jiān)測。

5）通過串并聯(lián)構(gòu)成鋰動力電池模組必須達(dá)到設(shè)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(shù)量較多，在鋰動力電池箱內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)工藝尤其是點焊工藝要求高。焊接完畢后進(jìn)行測試以防虛焊、脫焊。

2.串并聯(lián)鋰動力電池模組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

構(gòu)成鋰動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(wǎng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)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(nèi)阻的差異、散熱不均等都會影響并聯(lián)后鋰動力電池模組的循環(huán)壽命。

鋰動力電池先并后串優(yōu)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(lián)后使用；并聯(lián)中某個鋰動力電池單體短路時造成并聯(lián)電路電流非常大，通常加熔斷保護(hù)技術(shù)避免。

鋰動力電池先串后并優(yōu)點：根據(jù)鋰動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(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，而先串后并的鋰動力電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于對系統(tǒng)各個鋰動力電池單體進(jìn)行檢測和管理。

（2）應(yīng)用中問題分析：

在鋰動力電池模組使用過程中出現(xiàn)的鋰動力電池單體過充電、過放電、超溫和過流問題，將導(dǎo)致鋰動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(lián)的鋰動力電池模組中，由于鋰動力電池單體容量、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)檢測鋰動力電池單體電壓與充放電設(shè)備通信以防部分鋰動力電池單體的過充或過放。

串聯(lián)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(huán)境溫度過高等危機(jī)鋰動力電池模組的安全運行，串聯(lián)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(yīng)，會減小串聯(lián)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(tǒng)提高。

在并聯(lián)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(shù)影響，成組后支路鋰動力電池單體容量、初始SOC、內(nèi)阻和極化的差異會造成支路電流工況的差異，大多數(shù)并聯(lián)支路的鋰動力電池單體參數(shù)雖然較為一致，整個充放電過程的平均電流倍率與并聯(lián)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(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(lián)的鋰動力電池模組由于實際工況中存在動態(tài)電流工況(電動汽車在加速、制動以及怠速過程)產(chǎn)生了電流環(huán)流，環(huán)流在一定程度的損傷了鋰動力電池模組的壽命。假設(shè)l00Wh的總充放能量會出現(xiàn)5Wh的環(huán)流，鋰動力電池模組的循環(huán)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(lián)支路的串聯(lián)部分鋰動力電池單體數(shù)目越多，整條支路部分鋰動力電池單體參數(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。同一批次部分鋰動力電池單體參數(shù)正態(tài)分布在先串后并的各個支路當(dāng)中，顯著降低了整個串并聯(lián)鋰動力電池模組的電流不平衡程度。

當(dāng)少數(shù)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(lián)的鋰動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個性能較差的鋰動力電池單體電壓達(dá)到截止條件時，整個串并聯(lián)的鋰動力電池模組也達(dá)到了截止條件，將導(dǎo)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(dāng)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(yù)計的范圍內(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，可通過對串并聯(lián)的鋰動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(huán)穩(wěn)定性。

3.鋰動力電池串并聯(lián)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(jīng)串并聯(lián)構(gòu)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(jī)的電源開關(guān)按向“開”的位置，開啟電源。

2）確認(rèn)鋰動力電池設(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)試鋰動力電池點焊機(jī)設(shè)備參數(shù)時必須符合品質(zhì)要求，才能進(jìn)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(zhì)檢測范圍之內(nèi)。

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

4）將鋰動力電池單體轉(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，將連接片點焊于鋰動力電池單體負(fù)極端中間位置，與引出片成一直線。

5）拿起另一鋰動力電池單體，負(fù)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(fù)極端底部中間位置。

6）將串聯(lián)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(jié)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(jìn)入下一工序，關(guān)閉點焊機(jī)電源開關(guān)。

鋰動力電池點焊引出片與連接片時，應(yīng)注意以下事項：

1）引出片、連接片的規(guī)格須符合材料BOM規(guī)格。

2）焊點不能有漏焊、虛焊、炸火、明顯毛刺等不良現(xiàn)象。

3）引出片、連接片每處焊點數(shù)不少于6點。

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

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

6）如遇點焊機(jī)有異響等異常現(xiàn)象時，應(yīng)及時關(guān)掉點焊機(jī)電源開關(guān)。