電池組“可靠性”的影響因素和模型計(jì)算

　　鋰離子電池組的可靠性受到多種因素的影響，例如鋰離子單體電池的可靠性，電子元器件的可靠性，還有另外一個(gè)經(jīng)常被我們所忽略的因素——溫度。為什么說溫度會(huì)影響鋰離子電池組的可靠性呢？因?yàn)闇囟葘τ阡囯x子電池的電化學(xué)性能有著顯著的影響，鋰離子電池的自放電和壽命衰降都與溫度有著密切的關(guān)系，高溫會(huì)顯著的加速鋰離子電池的壽命衰降和自放電。由于鋰離子電池組結(jié)構(gòu)的限制，會(huì)非常容易導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度不均勻，這就導(dǎo)致了另一個(gè)不均衡現(xiàn)象——容量衰降不均衡，而單體電池之間容量的不匹配會(huì)導(dǎo)致部分電池在使用中發(fā)生過充和過放，從而加速整個(gè)電池組的容量衰降速度。
　　近日北京大學(xué)的QuanXia等人結(jié)合鋰離子電池組的熱特性提出了一種計(jì)算鋰離子電池組可靠性的方法，該模型整合了多物理場耦合模型、電池衰降模型和系統(tǒng)可靠性模型，能夠基于鋰離子電池組內(nèi)溫度分布特性對電池組的可靠性進(jìn)行分析。Quan Xia利用該模型對電池組不同的備份模式進(jìn)行了計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，在備份電池?cái)?shù)量相同的情況下，相比于串聯(lián)備份，并聯(lián)備份能夠顯著的改善電池組的可靠性。此外，降單體電池的排布方式從直線排布改為交叉排布，能夠有效的減少電池組內(nèi)溫差，提高電池組的可靠性。
　　由于建模過程比較枯燥乏味，這里我們就不對模型做過多的介紹，我們直接來看可靠性模型對于不同結(jié)構(gòu)的電池組的可靠性分析結(jié)果。對于建模感興趣的朋友可以查看今天的含建模過程的文章（《電池組“可靠性”的影響因素和模型計(jì)算【含建模過程】》），文章中包含了完整的建模過程希望對大家有所幫助。
　　電池組仿真
　　普通電池組模塊仿真
　　Quan Xia采用了A123的LiFePO4電池對上述模型進(jìn)行了驗(yàn)證，電池組采用了3并5串的結(jié)構(gòu)，電池組的一些熱特性參數(shù)如下表2所示，模型的參數(shù)如下表3所示，模型的邊界條件如下表4所示。

　　下圖為電池組的仿真結(jié)果，圖b為電池組內(nèi)的溫度分布，圖c為電池組內(nèi)散熱媒介的流動(dòng)速度分布。根據(jù)電池組內(nèi)的溫度分布，就可以根據(jù)式(11)計(jì)算出的到不同單體電池的容量衰降，并據(jù)此計(jì)算單體電池的健康狀態(tài)。我們以電池組中最中間的一只電池（2，3）為例，計(jì)算了循環(huán)不同的周期后電池衰降到不同狀態(tài)的概率，如下表5所示?？梢钥吹皆诮?jīng)過1000次循環(huán)后該電池失效的幾率達(dá)到0.9991。整個(gè)電池組在不同的循環(huán)時(shí)間后失效的概率如下表6所示，可以看到在經(jīng)過500Ah充電后，電池組失效的概率為0.3754，在充電700Ah后電池組的失效概率達(dá)到0.999。

　　不同的備份模式電池組的可靠性仿真
　　電池組的備份形式主要分為熱備份、冷備份和熱待機(jī)三種形式，這里我們探討一下電池組熱備份的情況下電池組的可靠性分析。熱備份也可以分為兩種類型：“并聯(lián)”或者“串聯(lián)”。下圖a和b分別展示了“串聯(lián)”備份（3并10串）和“并聯(lián)”備份（6并5串）兩種模式的電池結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)節(jié)電池組的工作電流保證兩種備份模式下電池組中的單體電池的工作電流相同。因此兩種備份模式下，電池組的溫度分布和散熱媒介的速度分布也是相同的，如下圖的c和d所示。那么這兩種備份模式對于鋰離子電池組的可靠性會(huì)產(chǎn)生什么影響嗎？

　　下圖展示了上述的兩種備份模式下，鋰離子電池的可靠性隨著時(shí)間變化的曲線，從圖中我們可以看到在經(jīng)過600Ah充電后，沒有備份的3并5串電池的可靠性下降到了0.0635，而有備份的電池組可靠性明顯上升，3并10串電池組的可靠性為0.8381，6并5串電池組的可靠性高達(dá)0.9981，其他的備份方式的電池組可靠性如下表所示。從計(jì)算結(jié)果來看，不同的備份模式會(huì)對電池組的可靠性產(chǎn)生顯著的影響，在備份電池?cái)?shù)量相同的情況下，并聯(lián)備份能夠顯著的提高電池組的可靠性。但是我們也需要注意簡單的增加備份電池的數(shù)量并不能提高電池組的可靠性，例如同樣在6并的情況下，隨著串聯(lián)電池?cái)?shù)量的增加，會(huì)出現(xiàn)可靠性降低的情況，這主要是因?yàn)殡S著串聯(lián)電池?cái)?shù)量的增加，會(huì)導(dǎo)致溫度分布的變化，進(jìn)而降低電池組的可靠性。

　　電池組結(jié)構(gòu)和冷卻條件對于可靠性的影響
　　我們知道電池組的結(jié)構(gòu)和冷卻條件會(huì)影響電池組的冷卻效果，進(jìn)而影響電池組內(nèi)溫度的分布，導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度分布不均勻，引起單體電池衰降的不均勻，最終降低電池組的可靠性。下圖展示了一種能夠降低電池組內(nèi)溫度不均勻性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除此之外這個(gè)3并5串的模塊其他的一些邊界條件都與我們討論的第一個(gè)案例相同。

　　下圖展示了不同電池組結(jié)構(gòu)和冷卻條件下電池組內(nèi)部的溫度分布和電池組的可靠性曲線隨著使用時(shí)間的變化，從仿真結(jié)果上來看簡單的把單體電池的排列方式從直線排布，更改為交叉排布就讓電池組的可靠性（充電600Ah）從0.0635提高了0.9328，電池組內(nèi)單體電池之間的最大溫差從4.62K降到了2.5K，這說明這種交叉排布的方式更加利于電池組的散熱，提高電池組內(nèi)溫度的一致性。同時(shí)我們也可以看到，將冷卻劑的流速從0.5m/s提高到1m/s，電池組內(nèi)最大的溫差從4.62K下降到了2.36K，電池組的可靠性得到了大幅的提升（藍(lán)色曲線）。

　　從上面的分析不難看出，電池組的可靠性嚴(yán)重依賴電池組內(nèi)部溫度分布的均勻性，將電池組內(nèi)單體電池的排布方式從直線排布改為交叉排布、提高散熱媒介的流速都能夠顯著的改善電池組內(nèi)溫度的均勻性，從而提升鋰離子電池組的可靠性。另外一個(gè)影響鋰離子電池組的可靠性的因素是電池組的備份模式，從仿真結(jié)果來看并聯(lián)式的備份相比于串聯(lián)式備份具有明顯的優(yōu)勢。這一結(jié)果也提醒我們廣大設(shè)計(jì)師對于電池組可靠性設(shè)計(jì)需要考慮多種因素的作用，特別是溫度的影響，隨著電池組復(fù)雜程度的增加，電池組的散熱難度顯著增加，容易導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度的不均勻性增加，影響電池組的可靠性。