1.動力電池單體內各組件的邏輯關系

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的。

 

2.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）首先是串聯系統的可靠性模型：串聯系統模型如圖1所示。串聯系統是指它的每一個元件對于系統的正常工作都是必須的，不可或缺的；任何一個元件的失效，將導致系統工作不正常。這是一種較常見和簡單的系統。

如果系統有N種元件，每種元件的失效率為λi(i=1～N)，則串聯系統的總失效率：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）并聯系統的可靠性模型：并聯系統模型如圖2所示。圖2中U1，U2均可單獨地實現系統的功能，而且U1，U2任何一個單元出現故障，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。顯然并聯系統的任何一個單元的失效，均不會影響系統的功能，只有在二個單元均失效時，系統才不能正常工作。同理也可以N個單元并聯構成一個系統。

 

其數學關系為：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，而又要求系統具有很高的可靠度的情況下，采用并聯系統代替串聯系統是提高電子系統可靠性的根本方法。并聯系統的成本將高于串聯系統，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，常常使用串聯和并聯混合系統。也就是對可靠度較低的單元采用并聯系統，可靠度高的單元保持串聯系統。模型如圖3所示。混合系統的可靠度：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不用并聯系統，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。總的來說，混合系統比串聯系統可靠性高，比并聯系統簡單。

 

3.動力電池組

動力電池組是指動力電池單體經由串并聯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的次級結構之一。動力電池模組是由多個單體電芯串并聯組裝而成，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的性能。

 

因此在進行動力電池系統設計，一定要根據整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。

 

4.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后在并聯的組合方式；①將動力電池單體先并聯后在串聯的組合方式。

 

（1）先串聯后在并聯組合方式的可靠性

將動力電池單體先串聯后在并聯的組合方式可用來提高供電系統的可靠性，是當動力電池單體先串聯后已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再并聯一組同規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給出了先串聯后在并聯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，這兩部分是串并聯冗余的關系。那么根據可靠性并聯的計算公式，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）。動力電池單體串聯后在并聯的組合方式的系統可靠性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）先并聯后在串聯組合方式的可靠性

將動力電池單體先并聯后在串聯的組合方式可用來提高供電系統的可靠性，是當動力電池單體先串聯后已不能保證用戶提出的可靠性要求時，就可以再將同規格的單動力電池單體并聯后在串聯來提高可靠性。為了有一個量的概念，圖5給出了先并聯后在串聯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，這兩部分是并聯冗余的關系。那么根據可靠性并聯的計算公式，動力電池單體的可靠性PU就是：Pe＝nPi，動力電池單體串聯后在并聯的組合方式的系統可靠性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，采用先并聯后串聯的方式組成的動力電池組，其可靠度將比先串聯后并聯的方式要高。如果考慮到動力電池單體的不均勻性，那么這種先并聯后在串聯的連接方式對防止出現兩組動力電池組偏流有利。（作者:周志敏)

 

 

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