鉅大LARGE | 點擊量：1408次 | 2021年08月26日
電池包“可靠性”的影響因素和模型計算
鋰離子電池包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，還有另外一個常常被我們所忽略的因素溫度。為甚么說溫度會影響鋰離子電池包的可靠性呢?因為溫度有關鋰離子電池的電化學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系，高溫會顯著的加速鋰離子電池的壽命衰降和自放電。由于鋰離子電池包結構的限制，會非常容易導致電池包內溫度不平均，這就導致了另一個不均衡現象容量衰降不均衡，而單體電池之間容量的不匹配會導致部分電池在使用中發(fā)生過充和過放，從而加速整個電池包的容量衰降速度。
近日北京大學的QuanXia等人結合鋰離子電池包的熱特性提出了一種計算鋰離子電池包可靠性的辦法，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包內溫度分布特性對電池包的可靠性進行分解。QuanXia利用該模型對電池包不同的備份模式進行了計算和分解發(fā)現，在備份電池數量相同的情況下，相比于串聯備份，并聯備份能夠顯著的改善電池包的可靠性。此外，降單體電池的排布方式從直線排布改為交織排布，能夠有效的減少電池包內溫差，提高電池包的可靠性。
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解析，我們筆直來看可靠性模型有關不同結構的電池包的可靠性分解結果。有關建模感興致的朋友可以查看今天的含建模過程的文章(《電池包可靠性的影響因素和模型計算【含建模過程】》)，文章中蘊含了完整的建模過程希望對大家有所幫助。
電池包仿真
一般電池包模塊仿真
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
QuanXia采用了A123的LiFepO4電池對上述模型進行了驗證，電池包采用了3并5串的結構，電池包的一些熱特性參數如下表2所示，模型的參數如下表3所示，模型的邊界條件如下表4所示。
下圖為電池包的仿真結果，圖b為電池包內的溫度分布，圖c為電池包內散熱媒介的流動速度分布。依據電池包內的溫度分布，就可以依據式(11)計算出的到不同單體電池的容量衰降，并據此計算單體電池的健康狀態(tài)。我們以電池包中最中間的一只電池(2，3)為例，計算了循環(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。可以看到在經過1000次循環(huán)后該電池失效的幾率達到0.9991。整個電池包在不同的循環(huán)時間后失效的概率如下表6所示，可以看到在經過500Ah充電后，電池包失效的概率為0.3754，在充電700Ah后電池包的失效概率達到0.999。
不同的備份模式電池包的可靠性仿真
電池包的備份形式緊要分為熱備份、冷備份和熱待機三種形式，這里我們探討一下電池包熱備份的情況下電池包的可靠性分解。熱備份也可以分為兩種類型：并聯或者串聯。下圖a和b分別展示了串聯備份(3并10串)和并聯備份(6并5串)兩種模式的電池結構，并通過調節(jié)電池包的工作電流保證兩種備份模式下電池包中的單體電池的工作電流相同。因此兩種備份模式下，電池包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有關鋰離子電池包的可靠性會出現什么影響嗎?
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間變化的曲線，從圖中我們可以看到在經過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，而有備份的電池包可靠性分明上升，3并10串電池包的可靠性為0.8381，6并5串電池包的可靠性高達0.9981，其他的備份方式的電池包可靠性如下表所示。從計算結果來看，不同的備份模式會對電池包的可靠性出現顯著的影響，在備份電池數量相同的情況下，并聯備份能夠顯著的提高電池包的可靠性。但是我們也要留意簡單的新增備份電池的數量并不能提高電池包的可靠性，例如同樣在6并的情況下，隨著串聯電池數量的新增，會出現可靠性降低的情況，這緊要是因為隨著串聯電池數量的新增，會導致溫度分布的變化，進而降低電池包的可靠性。
電池包結構和冷卻條件有關可靠性的影響
我們了解電池包的結構和冷卻條件會影響電池包的冷卻效果，進而影響電池包內溫度的分布，導致電池包內溫度分布不平均，引起單體電池衰降的不平均，最終降低電池包的可靠性。下圖展示了一種能夠降低電池包內溫度不平均性的結構設計，除此之外這個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案例相同。
下圖展示了不同電池包結構和冷卻條件下電池包內部的溫度分布和電池包的可靠性曲線隨著使用時間的變化，從仿真結果上來看簡單的把單體電池的排列方式從直線排布，更改為交織排布就讓電池包的可靠性(充電600Ah)從0.0635提高了0.9328，電池包內單體電池之間的最大溫差從4.62K降到了2.5K，這說明這種交織排布的方式更加利于電池包的散熱，提高電池包內溫度的一致性。同時我們也可以看到，將冷卻劑的流速從0.5m/s提高到1m/s，電池包內最大的溫差從4.62K下降到了2.36K，電池包的可靠性得到了大幅的提升(藍色曲線)。
從上面的分解不難看出，電池包的可靠性嚴重依靠電池包內部溫度分布的平均性，將電池包內單體電池的排布方式從直線排布改為交織排布、提高散熱媒介的流速都能夠顯著的改善電池包內溫度的平均性，從而提升鋰離子電池包的可靠性。另外一個影響鋰離子電池包的可靠性的因素是電池包的備份模式，從仿真結果來看并聯式的備份相比于串聯式備份具有分明的優(yōu)點。這一結果也提醒我們廣大設計師有關電池包可靠性設計要考慮多種因素的用途，特別是溫度的影響，隨著電池包復雜程度的新增，電池包的散熱難度顯著新增，容易導致電池包內溫度的不平均性新增，影響電池包的可靠性。
