3.2　動力電池成組、故障及安全防護

無論是哪一種電池，單體（節）電池的容量和電壓都不能滿足汽車的實際需要，因此許多電池都組合成電池組裝入箱體形成整體動力電池組來使用。

3.2.1　動力電池成組方式

電池組的組合方式主要有串聯、并聯和混聯（串并結合）三種方式。

電池采用串聯方式通常是為了滿足高電壓的工作需要。電池串聯使用時電池組電壓為單體電壓倍數，例如普通燃油汽車使用的12V蓄電池，就是由6個單格電壓為2V的蓄電池串聯起來組合而成的。串聯電池組的容量取決于所串聯單體電池中容量最低者。

電池采用并聯方式通常是為了滿足大電流的工作需要。電池組的容量為單體電池容量的倍數，n只電池并聯容量便為n倍。電池組的標稱電壓為單體電池的標稱電壓，若電池組單體電池電壓不均勻，則電池組的額定電壓取決于單體電池中的電壓最低者。并聯電池組的內阻，理論上為單體電池的1/n，但實際通常都大于這個數值。

混聯也就是一個電池組中既有串聯又有并聯的組合方式。混聯是為了滿足電池組既要高電壓又要大電流的輸出要求。先串后并還是先并后串由電池組的實際需要決定。

3.2.2　動力電池組的成組技術

電動汽車所用的電池必須具有性能好、成本低、壽命長等特點，但是即使性能最好的電池，組合成電池組后也可能導致動力電池組整體性能下降、壽命降低、安全性能變差。動力電池組由動力電池模塊組成，電池模塊又由多個單體電池組成，電池裝在一個有電子控制和熱控制的箱體內，箱體內還設有電池管理系統和與車輛其他部分的接口設施。每個電池模塊也有獨立的包裝、熱控制以及機械和電子設備，如圖3-2所示。

（1）電池組的熱管理系統　電動汽車使用的動力電池在工作時會有發熱現象，不同的蓄電池其發熱程度各不相同，有的蓄電池采用自然通風就可滿足電池組的散熱要求，但有的電池必須采用強制通風冷卻或液體冷卻，才能保證電池組正常的工作。另外在電動汽車上，由于動力電池組的各個電池或各個電池模塊布置在車架不同的位置上，各處的散熱條件和周圍環境不同，這些差別也會對電池的充、放電性能和使用壽命造成影響。為了保證每個單節電池都能有良好的散熱條件和環境，將動力電

池組裝在一個強制的冷卻系統中，使各個電池的溫度都保持一致或相接近，利于動力電池組整體性能的發揮和壽命的延長。根據動力電池組在汽車上的布置，在設置溫度管理系統時，應首先合理安排動力電池組的支架，要求便于動力電池組及模塊安裝，能夠實現機械化裝卸，并便于各種線束的連接。動力電池組的位置和形狀確定后，再設計通風管道、風扇、動力電池組和溫度傳感器等。動力電池組的水平排列式強制通風冷卻系統如圖3-3所示。

（2）動力電池的不一致性　是指統一規格型號的單體電池組成動力電池組后，其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內阻及其變化率、壽命、溫度影響、自放電率等參數存在著一定的差別。電動汽車動力電池組長期工作在動態負載下，各電池單體散熱條件的不一致，會增加電池組內電池的不一致性。電池的自放電率和充放電率會隨著循環次數的增加而發生性能衰減，這也會增加不一致性。電池的過充電和過放電，則會更大程度地增加動力電池的不一致性。根據電動汽車電池不一致性擴大的原因和對動力電池組性能的影響，可把電池的不一致分為容量不一致、電壓不一致和溫度不一致三種類型。

① 容量不一致　電池在出廠前的分選試驗，可以保證單體電池的初始容量在分組后不一致性較小，但依然存在。在使用過程中是通過對單體電池的單獨充放電來調整單體電池容量，使其差異保持較小。所以初始容量不一致是電動汽車動力電池成組使用后的主要問題。動力電池的使用容量受電池循環次數的影響較為明顯，越接近電池壽命后期，實際容量的差異就越大，不一致性就越明顯。鋰離子電池充放電循環次數對容量的影響如圖3-4所示。

可以看出，隨著循環次數的增加電池容量在減少，在充電過程中恒壓時間在加長，電池再放出同樣能量的電壓有所下降。例如同樣放出40A·h的電量，循環10次時電壓是3.75V而循環600次時電壓是3.5V，這主要是電池內阻隨電池充放電次數的增加而增大所致。電池容量的衰減與電池的儲存溫度、電池荷電狀態（SOC）等因素有關。據有關測試，SOC為100%的電池在40℃環境下保存1年后容量衰減30%。另外，電動汽車動力電池容量不一致還與放電電流有關。

② 電壓不一致　電壓的不一致是電池組不一致性最為直觀也最容易測量的表現形式，分為開路電壓不一致和工作電壓不一致兩種。在不同的放電深度下，測量電池組中單體電池電壓，可以得到靜態單體電池不一致的數據。如圖3-5所示，某試驗電動汽車鋰離子電池在使用前后部分單體電池電壓不一致情況。

可以看出，電動汽車的動力電池電壓不一致性在用車前（充滿電）表現并不明顯，但在車輛使用一段時間后（動力電池放電DOC>60%），電壓不一致性會明顯地表現出來，成為影響電動汽車行駛性能的主要因素。在這種情況下，單體電池最高電壓達到3.86V，最低電壓僅為3.58V，相差0.28V。若繼續行車動力電池繼續放電，電壓較低的電池將會因沒有能量向外放出，產生一定程度的“損壞”。若“損壞”電池長時間沒有被及時發現，使其和正常電池一起使用，將會成為動力電池組的負載，影響其他電池的工作，進而影響整個電池組的壽命。所以在動力電池不一致性明顯增加的深放電后，不宜再繼續行車，應及時補充電量，以防部分單體電池的損壞。電動汽車的動力電池在使用過一定時間后，必須進行平衡容量、電壓等不一致性的充電保養，以彌補單體電池不一致對動力電池組整體的損害。

電池在靜態情況下（靜止1h）開路電壓在一定程度上是電池SOC的集中表現。由于電池SOC在一定范圍內，還與電池開路電壓呈線性關系，開路電壓不一致也就是電池能量狀態不一致。其不一致的原因可歸納為，電池出廠前原容量、電壓不一致，以及電池在行車過程中釋放的電量和電池內阻不一致。電池內阻不一致使電池組中每個單體電池在放電過程中熱損失的能量各不一樣，最終會影響電池單體的能量狀態，從而帶來電池開路電壓的不一致。

③ 溫度不一致　動力電池成組應用，其溫度的不一致性主要與電池的組裝設計特點及使用中各單體電池所處的環境差異有關。串聯鋰離子電池充電溫度特性如圖3-6所示。隨著電流減小，電池溫度差異減小，說明串聯電池組在同樣的條件下，溫度差異受電池內阻的不一致影響較大，并隨著電流的增大這種差異性變得更明顯。

采用恒流充電模式電池溫度的變化規律與電壓特性一致，在整個放電過程中電池溫度一直在上升，尤其在后期接近電池的100%深度放電時，電池溫度上升梯度加劇，電池電壓變化的拐點也成為溫度變化的拐點。這說明在電池放電的后期，電池內阻急劇增大，發熱量大。各單體電池所處環境不可避免地存在差異。例如在方形電池的組裝中，中間電池與邊上電池的環境溫度和電池內部溫度等均不相同。在環境溫度較高時，若不采取措施，充足電的情況下電池組邊上的電池芯體與中心的芯體溫度差別達10℃以上，電池內儲氫合金的腐蝕速率會增加1倍。這樣會造成中間電池與兩邊電池的衰減程度不一致，中間電池的充電率下降，放電容量降低，各電池間的一致性下降，從而影響電池組的使用性能和壽命。因此在電池組設計時要求保證電池組內的溫度要均勻，使各電池單體的衰減程度一致。對于一些大型動力電池組要設置強制冷卻和加熱系統，使電池組內的溫度能保持恒定。

（3）動力電池不一致性的改進措施　根據動力電池應用經驗和有關研究，從電池使用和成組篩選等方面，對電池的不一致性可采用以下幾種措施，來避免電池的不一致性進一步擴大。

① 在動力電池成組時，必須保證成組的電池是同一類型、同一規格和同一型號的電池。

② 在動力電池組使用過程中定期檢測單體電池的參數，并分別在動態和靜態兩種情況下檢測，以掌握電池組內電池不一致情況的發展規律，并對極端參數電池及時進行調整或更換，以避免電池組內的電池不一致性隨使用時間的延長而繼續增大。

③ 使用時每隔半年即對電池進行一次小電流維護性充電，以促進電池組自身的均衡和性能的恢復。

④ 對測量中發現的電壓偏低的電池進行單獨的維護性充電，以促進電池組自身的均衡和性能的恢復。

⑤ 避免過充電，盡量防止電池深度放電。

⑥ 盡量保證電池組處于良好的使用環境，減小振動，避免水、灰塵污染電池極樁。

⑦ 開發電池能量管理和電池均衡系統，對電池組的充、放電進行智能管理。

3.2.3　動力電池故障原因

從鋰離子動力電池出現的七種故障情況看，最為嚴重的是著火和爆炸。電池故障產生的原因可分為以下七點。

（1）短路　分為外部短路和內部短路。

① 外部短路。外部短路是指電池正、負極間的短路，主要原因是外部結構上的故障或損壞造成的短路，一般為機械或物理原因所導致的。外部短路使電池內部反應相當劇烈，極易造成電池芯體的著火和爆炸等。

② 內部短路。鋰離子動力電池除電池正、負極間的物理短路外，還會因電池內部的聚合物隔膜破裂導致內部短路。尤其是過載或循環壽命接近終點的電池極容易出現內部短路。鋰離子動力電池內部的聚合物隔膜厚度一般在16～30μm，如此薄的隔膜，一旦受到機械外力或熱變形造成的壓力等破壞作用時，將會直接導致內部短路。另外，過高的溫度也同樣會導致隔膜破損造成內部短路。還有隔膜材料的瑕疵或在生產過程中造成微小的損傷，都會使鋰離子動力電池工作時局部溫度升高，進而形成內部短路。

（2）過負載　分為過電流、過電壓、過充電和過放電四種情況。

① 過電流。電動車輛在起步、加速或爬坡過程中動力電池的工作電流是正常行駛工作電流的幾十倍甚至上百倍。動力電池充放電的電流一般用充（放）電率C來表示。例如，充電電池的額定容量為100A·h時，即表示以100A（1C）放電時間可持續1h，如以200A（2C）放電時間可持續0.5h，充電也可按此方法對照計算。

② 過電壓。在長時間的剎車制動能量回收充電過程中，或充電設備不匹配的條件下充電可能使動力電池處于過電壓的工作條件下。過電壓極易使鋰離子電池芯溫升高，引起內部短路而損壞。

③ 過充電。電池充電屬于吸熱反應，充電初期極化反應小，吸熱處于主導地位，溫升出現負值；充電后期，阻抗增大，釋放多余熱量，吸熱溫升增加。長時間過充時，鋰離子電池芯體內部壓力升高，放出氣體，直至殼體變形、爆裂。通常情況下，動力鋰離子電池在恒流充電階段末期都會發生不同程度的過充，溫升到40～50℃，會導致電池容量損失，縮短使用壽命。應特別注意的是過充電使電池芯體溫度升高和氣體膨脹的慣性導致的滯后著火及爆炸等危險。

④ 過放電。在恒流放電時，電壓會出現陡然跌落的現象，這主要是由電阻造成的壓降所引起的，電壓繼續下降經過一定時間后達到新的電化學平衡；當進入放電平臺期后繼續放電，電壓變化不明顯，但電池溫升明顯；當電池放電電壓曲線進入馬尾放電階段時，極化阻抗增大、輸出效率降低，損耗發熱增加，應在接近終止電壓前停止放電。若接近終止電壓后繼續大電流放電，除會造成電源系統電壓迅速降低外，部分動力電池芯會被反向充電使內部的活性物質結構受到破壞，使電池芯報廢，同樣會產生溫度升高、氣體膨脹等，反應嚴重時會發生著火、爆炸的危險情況。

（3）溫升　電池溫升的定義是電池內部溫度與環境溫度的差值。電動車輛的動力鋰離子電池隔膜都具有自動關斷保護的物理特性，提高動力電池使用的安全性。隔膜的自動關斷保護功能是鋰離子電池限制溫度升高，防止事故的第一道屏障。無論什么原因，只要是電池芯內部溫度升高到一定值，隔膜的物理特性就會使微孔關閉阻塞電流通過，該溫度稱為閉孔溫度。但熱慣性還會使電池內部的溫度繼續上升，當達到一定溫度時就會導致隔膜熔融破裂，該溫度稱為融破溫度。動力電池芯一旦達到融破溫度即意味著內部短路。

（4）內部故障　有明顯內部故障的電池芯在生產時會被剔除掉。但進入成品階段的電池芯，即使內部含有故障也是隱形的，不容易被發現，屬于工藝瑕疵范疇，如隔膜不均勻、充容材料有金屬殘留物等。隱形的內部故障對實車裝用是個技術隱患。

（5）循環壽命的影響　電池芯的循環使用壽命是構成動力電池耐久性循環使用壽命的重要因素。早期性能下降較大的電池芯，后續使用就意味著過負載，成為將來的故障隱患。

（6）機械損傷　正常裝車使用的動力電池芯，因安裝在高強度的防撞擊容器箱內，受到機械直接碰撞損壞的可能性并不大。但在車輛發生嚴重事故時和在電池芯運輸安裝的過程中，均有可能由于振動和碰撞使電池芯內部結構受到機械損傷，嚴重時會縮短電池芯壽命，甚至造成著火或爆炸。

（7）溫度、濕度影響　電動汽車的動力電池使用性能和壽命在使用過程中，會嚴重受到環境溫度和濕度的影響。許多著名公司的電動汽車動力電池箱體內部采用加熱和制冷裝置，使動力電池芯始終處于適宜的工作溫度，以提高其性能和延長其使用壽命。

3.2.4　動力電池的安全防護

動力電池組是直接裝車使用的大型箱體部件，其內部除集成的電池芯外，還有電池芯電路以及組成的模塊，并且有配線、連接器、冷卻液溫度傳感器、冷卻液管路裝置、高壓充電接口及電池連接線盒和特制的防撞外殼等，如圖3-7所示。動力電池控制單元（BCU）和電池芯電路可以進行適當調整以有效控制大部分不利于電池性能狀態的出現。

電動車輛的鋰離子動力電池組是將多個電池芯通過串、并聯的方式獲得的，有較高的電壓、電流和功率。電池芯的相應安全要素在動力電池組中依然存在，由于對電池芯的級聯會造成一定的內耗，因此裝配在同一組內的電池芯對于其內阻、放電率、循環壽命等有一致性的要求，這就需要對電池芯進行配組。

電動汽車的鋰離子電池由于其化學特性、結構特點以及應用環境等因素，若在使用中不注意就會出現泄漏、燃燒、爆炸等不安全的情況。為了保障人員和車輛設施等的安全，需采取以下措施。

（1）人員的防護

① 任何未經培訓的人員不得接觸、拆動、搬運高壓動力電池。

② 在電動汽車的動力電池箱組等顯著位置張貼“高壓危險！禁止非專業拆動！”明顯標志字樣。

③ 作業前應首先準備好合適的作業工具、量具，并選擇好安全、合適的作業位置。

④ 專業人員作業前首先穿戴好防護的鞋靴、手套、面罩等用具，然后檢查車輛是否斷開維修保養開關。

⑤ 正式對動力電池作業前再次確認是否已斷開維修保養開關。

⑥ 作業中應謹防重物跌落，若兩人以上配合作業應事先約定好動作指令。

⑦ 作業前對于動力電池芯體的爆炸和燃燒烈度應有適當的估計，并有滅火的準備。動力電池芯體的爆炸是由于外力破壞或高溫，以及電池芯內部損壞產生高溫高壓瞬間釋放造成的，與爆炸物爆炸完全是兩個概念，沒有可比性，其形式和效果也不可等同，維護作業人員不必產生恐懼心理。

（2）設備的防護

① 由于電動汽車高壓電氣設備的存在，其危險性遠比傳統燃油汽車要高得多，在維修保養作業時應首先使用診斷設備確認故障發生的部位和元器件，不可未經確診盲目拆解，以防發生危險和損壞設備。

② 電動汽車動力電池芯體在電池保護箱內排列緊密，操作時應及時發現和處置損壞和危險的芯體，同時還應防止其他芯體的連鎖反應，造成更大的損失。

③ 對于電動汽車的動力電池作業無論是在操作前、操作中和操作后都要時刻監控其溫度變化，芯體溫度高即意味著發生危險的可能性增加，必要時采取降溫措施或中斷作業。

④ 動力電池的作業可采用由一人監控指揮的作業方式進行，既提高效率又保障安全。