「電池組」的連接與可靠性
[導讀]本文來源于可靠性技術交流一、動力電池單體內(nèi)各組件的邏輯關系動力電池單體是由正極群、負極群、多孔性隔膜、外殼、電解液、排氣閥6個主要組件組成的，其中任何一個組件出了故障都會給動力電池單體的可靠性帶來損害，即降低了整只動力電池單體的可靠度R（t）。因而從邏輯關系上來分析，動力電池單體...
本文來源于可靠性技術交流
動力電池單體是由正極群、負極群、多孔性隔膜、外殼、電解液、排氣閥6個主要組件組成的，其中任何一個組件出了故障都會給動力電池單體的可靠性帶來損害，即降低了整只動力電池單體的可靠度R（t）。因而從邏輯關系上來分析，動力電池單體的這6個主要組件的關系應當是串聯(lián)的，那么整個動力電池單體的可靠度R（t）將由各個組件的可靠度Ri（t）(1·2……i)來決定。
動力電池單體的正極群和負極群又都是分別由許多片正極板和負極板組成的，從電氣連接上來看，各片正（或負）極板都是并聯(lián)在一起的；從邏輯功能方面看，任何一片極板的失效并不會導致整只動力電池單體失效，必須全部極板同時失效才會引起極群失效，因而它們也可視為并聯(lián)的。
二、動力電池單體的可靠性模型
動力電池單體的可靠性模型，大體上有以下三種形式：
（1）首先是串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型：串聯(lián)系統(tǒng)模型如圖1所示。串聯(lián)系統(tǒng)是指它的每一個元件對于系統(tǒng)的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個元件的失效，將導致系統(tǒng)工作不正常。這是一種較常見和簡單的系統(tǒng)。
如果系統(tǒng)有N種元件，每種元件的失效率為λi(i=1～N)，則：串聯(lián)系統(tǒng)的總失效率：λΣ=n1λ1＋n2λ2＋……nNλN；總的無故障工作時間：MTBFΣ=1/λΣ=1/[n1λ1＋n2λ2＋……nNλN]；年可靠度：P=1/e8760·λΣ=1/e8760/MTBFN(因為每年時間共8760h)。
（2）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型：并聯(lián)系統(tǒng)模型如圖2所示。圖2中U1，U2均可單獨地實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個單元出現(xiàn)故障，將自動（或手動）和輸入、輸出端斷開，同時接入另一個互為備份的單元。顯然并聯(lián)系統(tǒng)的任何一個單元的失效，均不會影響系統(tǒng)的功能，只有在二個單元均失效時，系統(tǒng)才不能正常工作。同理也可以N個單元并聯(lián)構成一個系統(tǒng)。
其數(shù)學關系為：故障概率：F（t）=F1（t）·F2（t）…FN（t）；若F1（t）=F2（t）…=FN（t）則可靠度：R（t）=1－F（t）=1－[F1（t）]n。
結論很明確，在每個單元的可靠性受各種限制不可能太高，而又要求系統(tǒng)具有很高的可靠度的情況下，采用并聯(lián)系統(tǒng)代替串聯(lián)系統(tǒng)是提高電子系統(tǒng)可靠性的根本方法。并聯(lián)系統(tǒng)的成本將高于串聯(lián)系統(tǒng)，但為了保證必要的可靠性，花些代價是必須的也是值得的。
（3）混合系統(tǒng)可靠性模型實際工程中，為了在成本和可靠性方面求得平衡，常常使用串聯(lián)和并聯(lián)混合系統(tǒng)。也就是對可靠度較低的單元采用并聯(lián)系統(tǒng)，可靠度高的單元保持串聯(lián)系統(tǒng)。模型如圖3所示。
混合系統(tǒng)的可靠度：R（t）=R1（t）·R2（t）·R3－2（t）·R4（t）；如果R1=R2=R4=0.99，R3=0.9，則R3－2=1－[1－R3]2，R3－2=0.99，R=R1·R2·R3－2·R4=0.96=96％（F=4％）。
假使，U3不用并聯(lián)系統(tǒng)，則R=0.87=87％，（F=13％）。
可見，兩者可靠度的差別還是很明顯的，故障率降低了3倍多?？偟膩碚f，混合系統(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)可靠性高，比并聯(lián)系統(tǒng)簡單。
三、動力電池組
動力電池組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，動力電池組是組成動力電池系統(tǒng)的次級結構之一。動力電池模組是由多個單體電芯串并聯(lián)組裝而成，單體電芯之間連接與緊固，要求連接片與電池的極柱接觸電阻小、抗振動、牢靠程度高。
無論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機械鎖緊，都必須保證成組后的電池系統(tǒng)在電動車輛實際行駛過程中的可靠性和耐久度。在不同的動力電池系統(tǒng)設計需求里，其體積能量密度、質量比能量密度以及體積功率密度等都會與動力電池系統(tǒng)中單體電池之間連接結構與工藝相關。
按動力電池組電芯的結構形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯，各自的優(yōu)缺點也十分明顯，從外殼材質上可分為金屬殼（鋼殼或鋁殼）和鋁塑膜封裝（聚合物鋰電池）。從極柱類型上又可以分為外螺紋極柱、內(nèi)螺紋型極柱、平臺型極柱以及鋁鎳長條型極耳（聚合物鋰電池類型的極耳）。
不同極柱類型的電池，在電池成組方式、連接工藝也會有很大不同，同時有各自的優(yōu)缺點。動力電池模組是由多個單體電池連接組成，而單體電池之間連接的方法和工藝的選擇需根據(jù)電池類型及其極柱（極耳）的類型來定。在一定程度上，電芯的性能決定了電池組的性能進而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。
因此在進行動力電池系統(tǒng)設計，一定要根據(jù)整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。
四、動力電池組連接與可靠性
在采用動力電池單體構成動力電池組時，常采用以下兩種連接方式：①將動力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式；①將動力電池單體先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式。
（1）先串聯(lián)后在并聯(lián)組合方式的可靠性將動力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式可用來提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當動力電池單體先串聯(lián)后已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再并聯(lián)一組同規(guī)格的動力電池單體來提高可靠性。為了有一個量的概念，圖4給出了先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式的可靠性模型圖：
假定各動力電池單體的可靠度相同Pi=0.99，則圖4中PU是動力電池單體的可靠性，這兩部分是串并聯(lián)冗余的關系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計算公式，動力電池單體的可靠性PU是：PU＝Pi/n（n為動力電池單體的個數(shù)）。動力電池單體串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式的系統(tǒng)可靠性Pa是：Pa＝1-（1-PU）（1-PU）×……×（1-PU）。
由上面的結果可以看出，兩個可靠性都為0.99的單元并聯(lián)后，其可靠性增加到100倍，不可靠性由百分之一下降到萬分之一。
（2）先并聯(lián)后在串聯(lián)組合方式的可靠性將動力電池單體先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式可用來提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當動力電池單體先串聯(lián)后已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再將同規(guī)格的單動力電池單體并聯(lián)后在串聯(lián)來提高可靠性。為了有一個量的概念，圖5給出了先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式的可靠性模型圖。
如果假定動力電池單體的可靠度為Pi=0.99，則圖5中Pe是動力電池單體的可靠性，這兩部分是并聯(lián)冗余的關系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計算公式，動力電池單體的可靠性PU就是：Pe＝nPi；動力電池單體串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式的系統(tǒng)可靠性Pp是：Pp＝1-（1-Pe）（1-Pe）×……×（1-Pe）。
由上面的計算公式可以從理論上定性和定量地看出可靠性的趨勢是：PP＞Pi。
顯然，采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式組成的動力電池組，其可靠度將比先串聯(lián)后并聯(lián)的方式要高。如果考慮到動力電池單體的不均勻性，那么這種先并聯(lián)后在串聯(lián)的連接方式對防止出現(xiàn)兩組動力電池組偏流有利。
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一、動力電池單體內(nèi)各組件的邏輯關系
動力電池單體是由正極群、負極群、多孔性隔膜、外殼、電解液、排氣閥6個主要組件組成的，其中任何一個組件出了故障都會給動力電池單體的可靠性帶來損害，即降低了整只動力電池單體的可靠度R（t）。因而從邏輯關系上來分析，動力電池單體的這6個主要組件的關系應當是串聯(lián)的，那么整個動力電池單體的可靠度R（t）將由各個組件的可靠度Ri（t）(1·2……i)來決定。
動力電池單體的正極群和負極群又都是分別由許多片正極板和負極板組成的，從電氣連接上來看，各片正（或負）極板都是并聯(lián)在一起的；從邏輯功能方面看，任何一片極板的失效并不會導致整只動力電池單體失效，必須全部極板同時失效才會引起極群失效，因而它們也可視為并聯(lián)的。
二、動力電池單體的可靠性模型
動力電池單體的可靠性模型，大體上有以下三種形式：
（1）首先是串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型：串聯(lián)系統(tǒng)模型如圖1所示。串聯(lián)系統(tǒng)是指它的每一個元件對于系統(tǒng)的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個元件的失效，將導致系統(tǒng)工作不正常。這是一種較常見和簡單的系統(tǒng)。
如果系統(tǒng)有N種元件，每種元件的失效率為λi(i=1～N)，則：串聯(lián)系統(tǒng)的總失效率：λΣ=n1λ1＋n2λ2＋……nNλN；總的無故障工作時間：MTBFΣ=1/λΣ=1/[n1λ1＋n2λ2＋……nNλN]；年可靠度：P=1/e8760·λΣ=1/e8760/MTBFN(因為每年時間共8760h)。
（2）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性模型：并聯(lián)系統(tǒng)模型如圖2所示。圖2中U1，U2均可單獨地實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個單元出現(xiàn)故障，將自動（或手動）和輸入、輸出端斷開，同時接入另一個互為備份的單元。顯然并聯(lián)系統(tǒng)的任何一個單元的失效，均不會影響系統(tǒng)的功能，只有在二個單元均失效時，系統(tǒng)才不能正常工作。同理也可以N個單元并聯(lián)構成一個系統(tǒng)。
其數(shù)學關系為：故障概率：F（t）=F1（t）·F2（t）…FN（t）；若F1（t）=F2（t）…=FN（t）則可靠度：R（t）=1－F（t）=1－[F1（t）]n。
結論很明確，在每個單元的可靠性受各種限制不可能太高，而又要求系統(tǒng)具有很高的可靠度的情況下，采用并聯(lián)系統(tǒng)代替串聯(lián)系統(tǒng)是提高電子系統(tǒng)可靠性的根本方法。并聯(lián)系統(tǒng)的成本將高于串聯(lián)系統(tǒng)，但為了保證必要的可靠性，花些代價是必須的也是值得的。
（3）混合系統(tǒng)可靠性模型實際工程中，為了在成本和可靠性方面求得平衡，常常使用串聯(lián)和并聯(lián)混合系統(tǒng)。也就是對可靠度較低的單元采用并聯(lián)系統(tǒng)，可靠度高的單元保持串聯(lián)系統(tǒng)。模型如圖3所示。
混合系統(tǒng)的可靠度：R（t）=R1（t）·R2（t）·R3－2（t）·R4（t）；如果R1=R2=R4=0.99，R3=0.9，則R3－2=1－[1－R3]2，R3－2=0.99，R=R1·R2·R3－2·R4=0.96=96％（F=4％）。
假使，U3不用并聯(lián)系統(tǒng)，則R=0.87=87％，（F=13％）。
可見，兩者可靠度的差別還是很明顯的，故障率降低了3倍多?？偟膩碚f，混合系統(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)可靠性高，比并聯(lián)系統(tǒng)簡單。
三、動力電池組
動力電池組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，動力電池組是組成動力電池系統(tǒng)的次級結構之一。動力電池模組是由多個單體電芯串并聯(lián)組裝而成，單體電芯之間連接與緊固，要求連接片與電池的極柱接觸電阻小、抗振動、牢靠程度高。
無論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機械鎖緊，都必須保證成組后的電池系統(tǒng)在電動車輛實際行駛過程中的可靠性和耐久度。在不同的動力電池系統(tǒng)設計需求里，其體積能量密度、質量比能量密度以及體積功率密度等都會與動力電池系統(tǒng)中單體電池之間連接結構與工藝相關。
按動力電池組電芯的結構形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯，各自的優(yōu)缺點也十分明顯，從外殼材質上可分為金屬殼（鋼殼或鋁殼）和鋁塑膜封裝（聚合物鋰電池）。從極柱類型上又可以分為外螺紋極柱、內(nèi)螺紋型極柱、平臺型極柱以及鋁鎳長條型極耳（聚合物鋰電池類型的極耳）。
不同極柱類型的電池，在電池成組方式、連接工藝也會有很大不同，同時有各自的優(yōu)缺點。動力電池模組是由多個單體電池連接組成，而單體電池之間連接的方法和工藝的選擇需根據(jù)電池類型及其極柱（極耳）的類型來定。在一定程度上，電芯的性能決定了電池組的性能進而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。
因此在進行動力電池系統(tǒng)設計，一定要根據(jù)整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。
四、動力電池組連接與可靠性
在采用動力電池單體構成動力電池組時，常采用以下兩種連接方式：①將動力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式；①將動力電池單體先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式。
（1）先串聯(lián)后在并聯(lián)組合方式的可靠性將動力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式可用來提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當動力電池單體先串聯(lián)后已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再并聯(lián)一組同規(guī)格的動力電池單體來提高可靠性。為了有一個量的概念，圖4給出了先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式的可靠性模型圖：
假定各動力電池單體的可靠度相同Pi=0.99，則圖4中PU是動力電池單體的可靠性，這兩部分是串并聯(lián)冗余的關系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計算公式，動力電池單體的可靠性PU是：PU＝Pi/n（n為動力電池單體的個數(shù)）。動力電池單體串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式的系統(tǒng)可靠性Pa是：Pa＝1-（1-PU）（1-PU）×……×（1-PU）。
由上面的結果可以看出，兩個可靠性都為0.99的單元并聯(lián)后，其可靠性增加到100倍，不可靠性由百分之一下降到萬分之一。
（2）先并聯(lián)后在串聯(lián)組合方式的可靠性將動力電池單體先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式可用來提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當動力電池單體先串聯(lián)后已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再將同規(guī)格的單動力電池單體并聯(lián)后在串聯(lián)來提高可靠性。為了有一個量的概念，圖5給出了先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式的可靠性模型圖。
如果假定動力電池單體的可靠度為Pi=0.99，則圖5中Pe是動力電池單體的可靠性，這兩部分是并聯(lián)冗余的關系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計算公式，動力電池單體的可靠性PU就是：Pe＝nPi；動力電池單體串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式的系統(tǒng)可靠性Pp是：Pp＝1-（1-Pe）（1-Pe）×……×（1-Pe）。
由上面的計算公式可以從理論上定性和定量地看出可靠性的趨勢是：PP＞Pi。
顯然，采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式組成的動力電池組，其可靠度將比先串聯(lián)后并聯(lián)的方式要高。如果考慮到動力電池單體的不均勻性，那么這種先并聯(lián)后在串聯(lián)的連接方式對防止出現(xiàn)兩組動力電池組偏流有利。
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