电池组“可靠性”的影响因素和模型计算

锂离子电池组的可靠性受到多种因素的影响，例如锂离子单体电池的可靠性，电子元器件的可靠性，还有另外一个经常被我们所忽略的因素——温度。为什么说温度会影响锂离子电池组的可靠性呢？因为温度对于锂离子电池的电化学性能有着显著的影响，锂离子电池的自放电和寿命衰降都与温度有着密切的关系，高温会显著的加速锂离子电池的寿命衰降和自放电。由于锂离子电池组结构的限制，会非常容易导致电池组内温度不均匀，这就导致了另一个不均衡现象——容量衰降不均衡，而单体电池之间容量的不匹配会导致部分电池在使用中发生过充和过放，从而加速整个电池组的容量衰降速度。

近日北京大学的QuanXia等人结合锂离子电池组的热特性提出了一种计算锂离子电池组可靠性的方法，该模型整合了多物理场耦合模型、电池衰降模型和系统可靠性模型，能够基于锂离子电池组内温度分布特性对电池组的可靠性进行分析。Quan Xia利用该模型对电池组不同的备份模式进行了计算和分析发现，在备份电池数量相同的情况下，相比于串联备份，并联备份能够显著的改善电池组的可靠性。此外，降单体电池的排布方式从直线排布改为交叉排布，能够有效的减少电池组内温差，提高电池组的可靠性。

由于建模过程比较枯燥乏味，这里我们就不对模型做过多的介绍，我们直接来看可靠性模型对于不同结构的电池组的可靠性分析结果。对于建模感兴趣的朋友可以查看今天的第二篇文章，文章中包含了完整的建模过程希望对大家有所帮助。

电池组仿真

普通电池组模块仿真

Quan Xia采用了A123的LiFePO4电池对上述模型进行了验证，电池组采用了3并5串的结构，电池组的一些热特性参数如下表2所示，模型的参数如下表3所示，模型的边界条件如下表4所示。




下图为电池组的仿真结果，图b为电池组内的温度分布，图c为电池组内散热媒介的流动速度分布。根据电池组内的温度分布，就可以根据式(11)计算出的到不同单体电池的容量衰降，并据此计算单体电池的健康状态。我们以电池组中最中间的一只电池（2，3）为例，计算了循环不同的周期后电池衰降到不同状态的概率，如下表5所示。可以看到在经过1000次循环后该电池失效的几率达到0.9991。整个电池组在不同的循环时间后失效的概率如下表6所示，可以看到在经过500Ah充电后，电池组失效的概率为0.3754，在充电700Ah后电池组的失效概率达到0.999。




不同的备份模式电池组的可靠性仿真

电池组的备份形式主要分为热备份、冷备份和热待机三种形式，这里我们探讨一下电池组热备份的情况下电池组的可靠性分析。热备份也可以分为两种类型：“并联”或者“串联”。下图a和b分别展示了“串联”备份（3并10串）和“并联”备份（6并5串）两种模式的电池结构，并通过调节电池组的工作电流保证两种备份模式下电池组中的单体电池的工作电流相同。因此两种备份模式下，电池组的温度分布和散热媒介的速度分布也是相同的，如下图的c和d所示。那么这两种备份模式对于锂离子电池组的可靠性会产生什么影响吗？



下图展示了上述的两种备份模式下，锂离子电池的可靠性随着时间变化的曲线，从图中我们可以看到在经过600Ah充电后，没有备份的3并5串电池的可靠性下降到了0.0635，而有备份的电池组可靠性明显上升，3并10串电池组的可靠性为0.8381，6并5串电池组的可靠性高达0.9981，其他的备份方式的电池组可靠性如下表所示。从计算结果来看，不同的备份模式会对电池组的可靠性产生显著的影响，在备份电池数量相同的情况下，并联备份能够显著的提高电池组的可靠性。但是我们也需要注意简单的增加备份电池的数量并不能提高电池组的可靠性，例如同样在6并的情况下，随着串联电池数量的增加，会出现可靠性降低的情况，这主要是因为随着串联电池数量的增加，会导致温度分布的变化，进而降低电池组的可靠性。



电池组结构和冷却条件对于可靠性的影响

我们知道电池组的结构和冷却条件会影响电池组的冷却效果，进而影响电池组内温度的分布，导致电池组内温度分布不均匀，引起单体电池衰降的不均匀，最终降低电池组的可靠性。下图展示了一种能够降低电池组内温度不均匀性的结构设计，除此之外这个3并5串的模块其他的一些边界条件都与我们讨论的第一个案例相同。



下图展示了不同电池组结构和冷却条件下电池组内部的温度分布和电池组的可靠性曲线随着使用时间的变化，从仿真结果上来看简单的把单体电池的排列方式从直线排布，更改为交叉排布就让电池组的可靠性（充电600Ah）从0.0635提高了0.9328，电池组内单体电池之间的最大温差从4.62K降到了2.5K，这说明这种交叉排布的方式更加利于电池组的散热，提高电池组内温度的一致性。同时我们也可以看到，将冷却剂的流速从0.5m/s提高到1m/s，电池组内最大的温差从4.62K下降到了2.36K，电池组的可靠性得到了大幅的提升（蓝色曲线）。



从上面的分析不难看出，电池组的可靠性严重依赖电池组内部温度分布的均匀性，将电池组内单体电池的排布方式从直线排布改为交叉排布、提高散热媒介的流速都能够显著的改善电池组内温度的均匀性，从而提升锂离子电池组的可靠性。另外一个影响锂离子电池组的可靠性的因素是电池组的备份模式，从仿真结果来看并联式的备份相比于串联式备份具有明显的优势。这一结果也提醒我们广大设计师对于电池组可靠性设计需要考虑多种因素的作用，特别是温度的影响，随着电池组复杂程度的增加，电池组的散热难度显著增加，容易导致电池组内温度的不均匀性增加，影响电池组的可靠性。