[摘要]锂电池组在现阶段已然得到普及应用，然而在使用的时候极其容易出现故障问题，在严重状况下还会引发安全事故，探寻其根本层面的原因是先期设计进程当中存在设计故障所导致的。为了尽可能防止设计故障出现，要结合具体的故障模式，积极地提出相应的改进或者优化策略，以此确保达成更高的设计水准，从而避免影响锂电池组后期正常而且安全地使用。鉴于这种情况，本文主要探讨锂电池组各类常见的设计故障以及改进策略，只供参考。
[关键词]锂电池组；设计故障；常见；改进策略；
前言：
在我国，尽管是能源大国，然而能源短缺问题在最近几年依旧比较突出，在此种背景状况下，锂电池借助它自身具备的高能量密度、绿色环保以及循环寿命长等优点，被很广泛地应用于各个行业，可好却在于先期设计进程之当中极易接连产生各种各样的设计故障，进而致使影响到它后期的使用效能与安全性，所以，针对锂电池组各类常发性性态的设计故障以及改进策略开展合成剖析是比较有必要的 。
1、简述锂电池组
多节电芯相互串、并联打造出锂电池组，其整个系统呈现出设计复杂的特性，有着体积大的状况，还具备功率高的情形。锂电池组成本于整机成本里占据着较高的比例，通常状况下，会挑选技术成熟度相对较高的圆柱形锂离子电芯。锂电池组牵涉到多个部分，它是由电芯构成的，还有串并联镍带，以及固定支架，紧固组件，端子，外壳，绝缘散热，再有就是锂电池管理系统，也就是BMS等共同组成 。[1]。
2、常见性设计故障和改造策略
2.1在结构设计层面
一，在锂电池组内，于金属的接触端子熔接、打火这方面。在锂电池组里，金属接触整个端子部分出现熔接、打火状况，致使锂电池组出现接触不良现象，进而无法达成正常使用。此设计故障是由于金属端子相互之间缺少可靠匹配、存在较大等效阻抗、拥有较小接触面积造成的，在工作回路呈现较大电流情形下，电弧和火花很容易产生，接触部位则因受热而熔化。在较长作用时间下，周边材料会被熔化，甚至会引发起火 。因此在公母端子于现场进行选型设计的过程之内，要充分地考虑到接触的可靠性，把接触面积适当地予以扩大，并且把接触阻抗适当地予以缩小，端子材料具体的选型以及接触阻抗，按照着R 。j=
进行该列式，把各个相互间存在关系的因素表示出来。在这个列式里，K代表着与材料相关的特定常数，R 。j代表着接触阻抗，m代表着接触形式影响系数，点、线、面接触时m分别为0.5、0.7、1，代表着，F代表着接触压力。结合该列式了解到，若要确保接触阻抗得以缩小，便可选定较低K值金属接触类型材料，把接触压力及其接触面积适当增加。开展设计操作过程之中，重视材料自身延展性的发挥，以防受振动环境所影响，确保接触稳定且可靠 。[2]；
其次，在通风散热条件欠佳的基础状况方面。锂电池组不同的位置之上，其电芯发热呈现出差异性。针对锂电池组分别开展10A充电以及20A放电操作，持续循环300次，试验实施前后的数据记录具体可见表1。如此，结合该部分数据能够知晓，锂电池组处在较大电流放电这种条件之下，电芯相互之间呈现出较大的温差，充放电经过多次循环之后，内阻差以及电压差显著增加，电芯电压平衡性较差，锂电池组总体容量衰减速度极快。位于极端状况之中时，BMS的保护机能便存在可能失效，进而导致安全事故发生。所以对于锂电池组来讲，其内部电芯整体排布以及散热设计颇具关键意义。在处理措施工这个方面，当前一般是增大电芯中间部位固定支架的实际间隙，同时扩展外壳整个散热空间，以保证所有电芯周围空气形成对流通路，避免结构件发生遮挡现象。挑选采用液体或者风扇来冷却的锂电池组；也可以选择铝制的金属材质，以强化热传导的基本性能。电芯在做总体排布时，要和发热部件维持安全距离，避免热干扰状况发生，。[3]；
镍带被当做选定对象，是用导体连接组成电芯串并联的锂电池组，三是在需选型设计镍带的问题上，一旦在镍带选型或设计方面出现不当之处便会促使回路阻抗的值有所增大，电芯短路，镍带虚焊乃至脱落等多种负面效果产出，导致锂电池组实际的使用时长加速减少，正常使用变得困难，安全事故发生的概率大幅提升，此外镍带常见选型及设计问题体现是尺寸无效相对较大，电芯正极与钢壳边缘部位负极短路，通过采用电阻方式进行焊接处理，I 。1和I2电路路径若无法同步，回路阻抗的发热量就会存在差异性，镍带炸裂或者凸点虚焊的情况很容易出现。没有预防振动、拉深以及短路等设计的情况下，A、B两端焊接过程中，左右两侧会产生拉力，凸点容易出现拉脱或者虚焊的状况；要是错选镀镍钢带，就会因为阻抗较大，导致严重发热的情况发生。那么，对于镍带选型和其设计层面的故障问题，可以积极落实如下改进或优化策略，也就是借助导流槽，进行电阻焊接作业，确保I 。3和I4有这样一种电流回路，其电流能够达成一致，并且存在凸点瞬间进行热熔接，以此来防范虚焊情况的出现。对于尺寸而言，应当适度进行缩小，要把无效镍带的边缘去除，避免和电芯钢壳接触之后导致短路风险的产生 。[4]开展防拉伸以及弓形的防振动形式的设计工作，并且在缓冲焊接作业进程里密切留意左右拉力，避免正极与钢壳负极彼此之间出现拉脱状况。于材料选型进程中，要留意挑选较小阻抗的，N6、N5、N5型号的纯镍带，而且纯度要超过99%，为Y级硬度。
表1试验实施前后数据记录
2.2在BMS设计层面
锂电池的管理系统，也就是BMS，常常呈现出较大的静态功耗，在锂电池组实际使用以及仓储的过程当中，很容易出现过放电这种情况，甚至会导致锂电芯出现永久失效的问题。静态功耗，是指锂电池组非使用的时间段，BMS针对锂电芯放电所消耗的电流是以µ A为单位的，在较大消耗电流的情况下，电池组的荷电时间会快速缩短，因而减少了放电时间，降低了用户体验，甚至会导致锂电芯出现永久损坏的情况。倘若每条支路所消耗的电流存在着差异性，那么锂电池组当中的电芯便会缺乏平衡性，进而老化加速，致使电芯寿命被缩短。所以，设计者必须要想办法将静态功耗有效地降低，以此确保各条支路所消耗的电流能够具备一致性。同时，还能够对有效性荷电时长提前进行预估，把它作为BMS总体性能优劣情况的一种考核指标。那么，在针对BMS功耗测定这一层面上，选取15节的锂电池，对其BMS功耗实施测定，断开S1后，主回路的电流I 。
15数值无明显变化，相对稳定，为BMS静态的功耗电流。I15何I0数值一般相等。分支回路当中I1~I14数值要是存在着差异性，那么BMS就会促使电芯电压出现缺乏平衡性的状况，进而导致这种情况发生。[5]那么，在估算以及分析，锂电池组的有效性，还有基于荷电石时长这个层面，内部设立的BMS锂电池组，或者整机系统，自从生产完成之后，应该维持的电量究竟是多少，这一点，常常困扰着众多技术员。在原则这个层面之上，若处于低电量状态，要保持待机情形，需要充分考虑到产品仓储的安全性、营销的周期、客户的体验、整体的功耗等各个层面，那么有效性荷电影维持的数值要＜50% 。有效性荷电时常具体估算法，是这样的一种情况，锂电池组总体容量假设为5000mA·h ，搁置前期荷电量是0.5C ，针对BMS静态消耗电流是T（50µA） ，在理论层面计算列式为，有效性荷电时长等于目前的荷电除以每日消耗电量 。经计算可确定理论层面的荷电时长为2083d 。在实操过程中 ，充分考虑到锂电池组中电芯自身损减损耗 ，通常安全余量保留约10%~20% 。所以，对于BMS的静态损耗有效降低之策略来讲，也就是在意硬件方案的情况下，着重关注功耗较低的IC亦或是关键电子器件的合理优化选拔；在实行MCU控制的阶段当中，程序控制必定要及时进入到休眠状态，避免误操作状况的发生。静态功耗整体考核剖析，就BMS整个系统来说涵盖着待机乃至充放电整个过程。锂电池组存在长期待机的需要，应当提前进入进而休眠状态，使得静态功耗能够有效降低。要延长锂电池组实际的使用寿命，那么就可以增加相应的均衡电路，它能对电芯自身因为欠缺平衡性而导致的差异起到很好的弥补作用。[6]要求技术员全面去掌握那个锂电池组中BMS的静态功耗能精准测量的办法手法，对有效性荷电时长得予以提前去预估，在设计的这个过程当中，要积极去落实好一项一项的防护措施，把静态功耗所导致的锂电池组出现故障的这个问题能有效解决 。
2.3在电路设计层面
锂电池组进行总体设计时，充电存在欠缺平衡性方面的问题常常是常见的设计故障。那么，为更妥善地解决充电在总体不平衡性方面的问题，不仅要把锂电池组总体管理系统（BMS）方面的设计优化相关工作做好，还应该积极地把电路设计事项落实到位。现阶段，尽管多数锂电池产品在出厂时内阻和电压是一致的，但在最新的动力技术条件下，若要满足锂电池组的电压需求，那就需要重视锂电池的有效串联。长时间用过的所有锂电池，性能单体都会产生各种不同，差异性不可避免，充电会让锂电池组出现不平衡问题，无法保证锂电池组设计的总体安全和效果，设计问题所以用，相应技术手段合理解决来保障，以免单体差异让锂电池组总体性能和它的使用寿命无法得到保证 。[7]针对于此，能够以能耗类型的部分分流手段作为基础，且要全面考量工业成本方面、锂电池组实际充电需求层面以及其稳定性各个不同层面，进而对其电路展开合理地优化设计。在单节锂电池这一充电方式的层面，对于单节锂电池的充电方式而言，是以前后两个不一样的阶段作为主要阶段，也就是恒流阶段、恒压阶段。恒流阶段，是在电流处于一定基础之上，电压持续不断地提升；而恒流阶段，是为了确保电压处于一定程度，把电流逐渐地缩小 。在恒流阶段逐渐向恒压阶段转换的整个进程里，以锂电池端电压抵达额定的恒流充电上限电压作为界限，由于锂电池内部体系存有差异性，所以电压上限范围也存在不同，不过通常都是处于3.8V至4.2V范围之内。恒压阶段，参考锂电池组内电芯实际饱和度，充电过程中，完成标志是电流缩小至 10mA 后，充电终止。在锂电池组实际充电方式方面，前文已提到，多数锂电池产品出厂时，其内阻及电压虽一致，但引入最新动力技术手段后，若要充分满足锂电池组内部电压实际需求，就要确保锂电池有效串联。使用了一阵子后，各锂电池都会产生不同的单体性能，这些单体会存在差异，不同的属性致使充放电的整个循环过程不一样，而且在锂电池组循环地进行充放电的整个过程里一直存在，部分单节锂电池的实际容量呈现迅速降低态势。所进行串联的锂电池组当中的电芯容量，主要由容量最小的单体锂电池的实际电容量来决定。所以，快速降低会导致锂电池组的实际使用寿命无法得到保障，呈现趋势性缩短。锂电池组出现充电不平衡性方面的有关困扰，一般是由于既定制作工艺存有缺陷，同一批次锂电池产品在出厂之际，其容量与内阻就存有差异。并且电路设计方面有问题，致使锂电池在自放电率方面存在差异，经一阵子使用后，锂电池内部容量出现差异。能够讲，均衡电路可保证锂电池组在整个充电进程中，因电容缺乏平衡性引发问题的发生几率得以降低。在锂电池组总体均匀管理实施方案方面，当前以回馈类型以及能耗类型为主。能耗类型管理实施方案，主要靠并联支路达成分流，经过部分电能转移，让单体电池实际充电速度降低，对超水平的异常电压加以控制，使电压能控制在合理范围。回馈类型管理实施方案则是借助能量转换装置，把单体电池产生的偏差能量，通过能量转换装置进行转换，保证各锂电池都维持相同作业水平。然而这种回馈类型实施方案整体成本投入相对偏高，并没能考虑到转换装置实际转换效率以及转化过程中的能耗维度问题。那么，经过综合的考量以及分析之后，能耗类型管理实施方案具备着最为可行以及有效的特性，适合应用到锂电池组总体设计工作当中，有利于将锂电池组总体设计过程里的充电欠缺平衡性方面的问题有效地解决。对于能耗类型管理方案而言，它涵盖着断流以及分流这两种处理方式。断流呢，就是对单体的锂电池进行电压参数的实时监测，当超标异常出现的时候，自动断开电路，使得充电终止，而充电电流会流向其余的电路，这种方式需要借助开关矩阵来得以实现。该开关矩阵内部设置有各类电子部件以及机械触电，当某单体的锂电池出现异常情况时，要及时对电路进行动态改变。对于分流方式而言，不会断开异常电路，它是通过借助旁路电阻来实现分流目的，进而促使各锂电池在实施充电过程中更具均衡性。经过综合考虑与分析之后，建议着重对分流方式进行合理优选，以此便于更好地落实锂电池组当中的电路设计以及管理工作，从而确保充电效率能够得到有效提升。
那么，就锂电池组内部电路设计这个层面之中，特定的详细策略是这样的，其一呢，于结构设计这个层面 ， 。将CPU的控制信号拿来当作极为关键的依据进而实施有效控制，监控电路专门负责针对锂电池组内部电压去开展实时监视工作，然后及时反馈给CPU，当电源开关开启之后，工频的交流电就转变成为锂电池组所规定电压以及充电电流对应的直流电，接着及时输出到升压系统电路当中，经过升压电路以及信息反馈，使得CPU能够有效控制锂电池组内部充电电流以及其电压，对单体的锂电池实际充电速率进行有效调整处置，以此确保锂电池组总体充电更具备一致性，达成对锂电池组良好的设计优化效果；再者，在电压监控方面。锂电池组，达成多个电池有效的串联方式，利于满足后期锂电池组实际运行使用的需求，在整个运行使用过程里，都紧密监测所有单体的锂电池，防范因过充导致受损情况发生，促使锂电池组实际使用性能以及寿命都得到保障；其三，在分流控制方面。锂电池组实际充电过程中，分流控制层面的设计也一定要落实妥当。因为锂电池组中部分电池在充电过程中存在电压方面的差异，使得充电速率缺乏一致性，进而出现电池受损的状况。因此，需要设置使CPU拉高的控制端口，以此达成将电能进行分流以及对电路分流予以控制这样的效果。进而从根源上解决锂电池组整个充电过程在电路设计方面的问题，保证锂电池组总体设计以及其优化能够取得更高的成效。
3、结语
综上所述，锂电池组存在各种常见的设计故障问题，这些问题集中体现在结构设计、BMS设计、电路设计层面。那么，要更好地解决或改进这些设计问题，广大设计技术员们就需要对现存的设计故障问题进行细致分析，在判断具体成因后，提出更具针对性、有效性的各项设计优化或改进策略，从而确保锂电池组各种设计故障问题都能得到有效解决，实现对锂电池组总体设计的合理优化及改进，有效提升锂电池组总体设计效果。
