「電池組」的連接與可靠性
[導(dǎo)讀]本文來(lái)源于可靠性技術(shù)交流一、動(dòng)力電池單體內(nèi)各組件的邏輯關(guān)系動(dòng)力電池單體是由正極群、負(fù)極群、多孔性隔膜、外殼、電解液、排氣閥6個(gè)主要組件組成的，其中任何一個(gè)組件出了故障都會(huì)給動(dòng)力電池單體的可靠性帶來(lái)?yè)p害，即降低了整只動(dòng)力電池單體的可靠度R（t）。因而從邏輯關(guān)系上來(lái)分析，動(dòng)力電池單體...
本文來(lái)源于可靠性技術(shù)交流
動(dòng)力電池單體是由正極群、負(fù)極群、多孔性隔膜、外殼、電解液、排氣閥6個(gè)主要組件組成的，其中任何一個(gè)組件出了故障都會(huì)給動(dòng)力電池單體的可靠性帶來(lái)?yè)p害，即降低了整只動(dòng)力電池單體的可靠度R（t）。因而從邏輯關(guān)系上來(lái)分析，動(dòng)力電池單體的這6個(gè)主要組件的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是串聯(lián)的，那么整個(gè)動(dòng)力電池單體的可靠度R（t）將由各個(gè)組件的可靠度Ri（t）(1·2……i)來(lái)決定。
動(dòng)力電池單體的正極群和負(fù)極群又都是分別由許多片正極板和負(fù)極板組成的，從電氣連接上來(lái)看，各片正（或負(fù)）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(huì)導(dǎo)致整只動(dòng)力電池單體失效，必須全部極板同時(shí)失效才會(huì)引起極群失效，因而它們也可視為并聯(lián)的。
二、動(dòng)力電池單體的可靠性模型
動(dòng)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(gè)元件對(duì)于系統(tǒng)的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個(gè)元件的失效，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。這是一種較常見(jiàn)和簡(jiǎn)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(wú)故障工作時(shí)間：MTBFΣ=1/λΣ=1/[n1λ1＋n2λ2＋……nNλN]；年可靠度：P=1/e8760·λΣ=1/e8760/MTBFN(因?yàn)槊磕陼r(shí)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(dú)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障，將自動(dòng)（或手動(dòng)）和輸入、輸出端斷開(kāi)，同時(shí)接入另一個(gè)互為備份的單元。顯然并聯(lián)系統(tǒng)的任何一個(gè)單元的失效，均不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，只有在二個(gè)單元均失效時(shí)，系統(tǒng)才不能正常工作。同理也可以N個(gè)單元并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。
其數(shù)學(xué)關(guān)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(jié)論很明確，在每個(gè)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(jià)是必須的也是值得的。
（3）混合系統(tǒng)可靠性模型實(shí)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(duì)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(jiàn)，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?lái)說(shuō)，混合系統(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)可靠性高，比并聯(lián)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。
三、動(dòng)力電池組
動(dòng)力電池組是指動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，動(dòng)力電池組是組成動(dòng)力電池系統(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。動(dòng)力電池模組是由多個(gè)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(dòng)、牢靠程度高。
無(wú)論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機(jī)械鎖緊，都必須保證成組后的電池系統(tǒng)在電動(dòng)車輛實(shí)際行駛過(guò)程中的可靠性和耐久度。在不同的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求里，其體積能量密度、質(zhì)量比能量密度以及體積功率密度等都會(huì)與動(dòng)力電池系統(tǒng)中單體電池之間連接結(jié)構(gòu)與工藝相關(guān)。
按動(dòng)力電池組電芯的結(jié)構(gòu)形狀來(lái)分，主要分為圓柱電芯和方形電芯，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯，從外殼材質(zhì)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(tái)型極柱以及鋁鎳長(zhǎng)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(huì)有很大不同，同時(shí)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。動(dòng)力電池模組是由多個(gè)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(lái)定。在一定程度上，電芯的性能決定了電池組的性能進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。
因此在進(jìn)行動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一定要根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求去選擇電芯的材料及形狀。
四、動(dòng)力電池組連接與可靠性
在采用動(dòng)力電池單體構(gòu)成動(dòng)力電池組時(shí)，常采用以下兩種連接方式：①將動(dòng)力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式；①將動(dòng)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(dòng)力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式可用來(lái)提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當(dāng)動(dòng)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(shí)，就可以再并聯(lián)一組同規(guī)格的動(dòng)力電池單體來(lái)提高可靠性。為了有一個(gè)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(dòng)力電池單體的可靠度相同Pi=0.99，則圖4中PU是動(dòng)力電池單體的可靠性，這兩部分是串并聯(lián)冗余的關(guān)系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計(jì)算公式，動(dòng)力電池單體的可靠性PU是：PU＝Pi/n（n為動(dòng)力電池單體的個(gè)數(shù)）。動(dòng)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(jié)果可以看出，兩個(gè)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(wàn)分之一。
（2）先并聯(lián)后在串聯(lián)組合方式的可靠性將動(dòng)力電池單體先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式可用來(lái)提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當(dāng)動(dòng)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(shí)，就可以再將同規(guī)格的單動(dòng)力電池單體并聯(lián)后在串聯(lián)來(lái)提高可靠性。為了有一個(gè)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(dòng)力電池單體的可靠度為Pi=0.99，則圖5中Pe是動(dòng)力電池單體的可靠性，這兩部分是并聯(lián)冗余的關(guān)系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計(jì)算公式，動(dòng)力電池單體的可靠性PU就是：Pe＝nPi；動(dòng)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(jì)算公式可以從理論上定性和定量地看出可靠性的趨勢(shì)是：PP＞Pi。
顯然，采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式組成的動(dòng)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(dòng)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(duì)防止出現(xiàn)兩組動(dòng)力電池組偏流有利。
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一、動(dòng)力電池單體內(nèi)各組件的邏輯關(guān)系
動(dòng)力電池單體是由正極群、負(fù)極群、多孔性隔膜、外殼、電解液、排氣閥6個(gè)主要組件組成的，其中任何一個(gè)組件出了故障都會(huì)給動(dòng)力電池單體的可靠性帶來(lái)?yè)p害，即降低了整只動(dòng)力電池單體的可靠度R（t）。因而從邏輯關(guān)系上來(lái)分析，動(dòng)力電池單體的這6個(gè)主要組件的關(guān)系應(yīng)當(dāng)是串聯(lián)的，那么整個(gè)動(dòng)力電池單體的可靠度R（t）將由各個(gè)組件的可靠度Ri（t）(1·2……i)來(lái)決定。
動(dòng)力電池單體的正極群和負(fù)極群又都是分別由許多片正極板和負(fù)極板組成的，從電氣連接上來(lái)看，各片正（或負(fù)）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(huì)導(dǎo)致整只動(dòng)力電池單體失效，必須全部極板同時(shí)失效才會(huì)引起極群失效，因而它們也可視為并聯(lián)的。
二、動(dòng)力電池單體的可靠性模型
動(dòng)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(gè)元件對(duì)于系統(tǒng)的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個(gè)元件的失效，將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常。這是一種較常見(jiàn)和簡(jiǎn)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(wú)故障工作時(shí)間：MTBFΣ=1/λΣ=1/[n1λ1＋n2λ2＋……nNλN]；年可靠度：P=1/e8760·λΣ=1/e8760/MTBFN(因?yàn)槊磕陼r(shí)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(dú)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，而且U1，U2任何一個(gè)單元出現(xiàn)故障，將自動(dòng)（或手動(dòng)）和輸入、輸出端斷開(kāi)，同時(shí)接入另一個(gè)互為備份的單元。顯然并聯(lián)系統(tǒng)的任何一個(gè)單元的失效，均不會(huì)影響系統(tǒng)的功能，只有在二個(gè)單元均失效時(shí)，系統(tǒng)才不能正常工作。同理也可以N個(gè)單元并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)。
其數(shù)學(xué)關(guān)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(jié)論很明確，在每個(gè)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(jià)是必須的也是值得的。
（3）混合系統(tǒng)可靠性模型實(shí)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(duì)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(jiàn)，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?lái)說(shuō)，混合系統(tǒng)比串聯(lián)系統(tǒng)可靠性高，比并聯(lián)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。
三、動(dòng)力電池組
動(dòng)力電池組是指動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，動(dòng)力電池組是組成動(dòng)力電池系統(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。動(dòng)力電池模組是由多個(gè)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(dòng)、牢靠程度高。
無(wú)論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機(jī)械鎖緊，都必須保證成組后的電池系統(tǒng)在電動(dòng)車輛實(shí)際行駛過(guò)程中的可靠性和耐久度。在不同的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求里，其體積能量密度、質(zhì)量比能量密度以及體積功率密度等都會(huì)與動(dòng)力電池系統(tǒng)中單體電池之間連接結(jié)構(gòu)與工藝相關(guān)。
按動(dòng)力電池組電芯的結(jié)構(gòu)形狀來(lái)分，主要分為圓柱電芯和方形電芯，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯，從外殼材質(zhì)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(tái)型極柱以及鋁鎳長(zhǎng)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(huì)有很大不同，同時(shí)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。動(dòng)力電池模組是由多個(gè)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(lái)定。在一定程度上，電芯的性能決定了電池組的性能進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。
因此在進(jìn)行動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一定要根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求去選擇電芯的材料及形狀。
四、動(dòng)力電池組連接與可靠性
在采用動(dòng)力電池單體構(gòu)成動(dòng)力電池組時(shí)，常采用以下兩種連接方式：①將動(dòng)力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式；①將動(dòng)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(dòng)力電池單體先串聯(lián)后在并聯(lián)的組合方式可用來(lái)提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當(dāng)動(dòng)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(shí)，就可以再并聯(lián)一組同規(guī)格的動(dòng)力電池單體來(lái)提高可靠性。為了有一個(gè)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(dòng)力電池單體的可靠度相同Pi=0.99，則圖4中PU是動(dòng)力電池單體的可靠性，這兩部分是串并聯(lián)冗余的關(guān)系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計(jì)算公式，動(dòng)力電池單體的可靠性PU是：PU＝Pi/n（n為動(dòng)力電池單體的個(gè)數(shù)）。動(dòng)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(jié)果可以看出，兩個(gè)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(wàn)分之一。
（2）先并聯(lián)后在串聯(lián)組合方式的可靠性將動(dòng)力電池單體先并聯(lián)后在串聯(lián)的組合方式可用來(lái)提高供電系統(tǒng)的可靠性，是當(dāng)動(dòng)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(shí)，就可以再將同規(guī)格的單動(dòng)力電池單體并聯(lián)后在串聯(lián)來(lái)提高可靠性。為了有一個(gè)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(dòng)力電池單體的可靠度為Pi=0.99，則圖5中Pe是動(dòng)力電池單體的可靠性，這兩部分是并聯(lián)冗余的關(guān)系。那么根據(jù)可靠性并聯(lián)的計(jì)算公式，動(dòng)力電池單體的可靠性PU就是：Pe＝nPi；動(dòng)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(jì)算公式可以從理論上定性和定量地看出可靠性的趨勢(shì)是：PP＞Pi。
顯然，采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式組成的動(dòng)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(dòng)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(duì)防止出現(xiàn)兩組動(dòng)力電池組偏流有利。
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