3.2 动力电池成组、故障及安全防护
无论是哪一种电池，单体（节）电池的容量和电压都不能满足汽车的实际需要，因此许多电池都组合成电池组装入箱体形成整体动力电池组来使用。
3.2.1 动力电池成组方式
电池组的组合方式主要有串联、并联和混联（串并结合）三种方式。
电池采用串联方式通常是为了满足高电压的工作需要。电池串联使用时电池组电压为单体电压倍数，例如普通燃油汽车使用的12V蓄电池，就是由6个单格电压为2V的蓄电池串联起来组合而成的。串联电池组的容量取决于所串联单体电池中容量最低者。
电池采用并联方式通常是为了满足大电流的工作需要。电池组的容量为单体电池容量的倍数，n只电池并联容量便为n倍。电池组的标称电压为单体电池的标称电压，若电池组单体电池电压不均匀，则电池组的额定电压取决于单体电池中的电压最低者。并联电池组的内阻，理论上为单体电池的1/n，但实际通常都大于这个数值。
混联也就是一个电池组中既有串联又有并联的组合方式。混联是为了满足电池组既要高电压又要大电流的输出要求。先串后并还是先并后串由电池组的实际需要决定。
3.2.2 动力电池组的成组技术
电动汽车所用的电池必须具有性能好、成本低、寿命长等特点，但是即使性能最好的电池，组合成电池组后也可能导致动力电池组整体性能下降、寿命降低、安全性能变差。动力电池组由动力电池模块组成，电池模块又由多个单体电池组成，电池装在一个有电子控制和热控制的箱体内，箱体内还设有电池管理系统和与车辆其他部分的接口设施。每个电池模块也有独立的包装、热控制以及机械和电子设备，如图3-2所示。
图3-2 动力电池箱及内部设施
（1）电池组的热管理系统 电动汽车使用的动力电池在工作时会有发热现象，不同的蓄电池其发热程度各不相同，有的蓄电池采用自然通风就可满足电池组的散热要求，但有的电池必须采用强制通风冷却或液体冷却，才能保证电池组正常的工作。另外在电动汽车上，由于动力电池组的各个电池或各个电池模块布置在车架不同的位置上，各处的散热条件和周围环境不同，这些差别也会对电池的充、放电性能和使用寿命造成影响。为了保证每个单节电池都能有良好的散热条件和环境，将动力电
池组装在一个强制的冷却系统中，使各个电池的温度都保持一致或相接近，利于动力电池组整体性能的发挥和寿命的延长。根据动力电池组在汽车上的布置，在设置温度管理系统时，应首先合理安排动力电池组的支架，要求便于动力电池组及模块安装，能够实现机械化装卸，并便于各种线束的连接。动力电池组的位置和形状确定后，再设计通风管道、风扇、动力电池组和温度传感器等。动力电池组的水平排列式强制通风冷却系统如图3-3所示。
图3-3 动力电池组的水平排列式强制通风冷却系统
（2）动力电池的不一致性 是指统一规格型号的单体电池组成动力电池组后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在着一定的差别。电动汽车动力电池组长期工作在动态负载下，各电池单体散热条件的不一致，会增加电池组内电池的不一致性。电池的自放电率和充放电率会随着循环次数的增加而发生性能衰减，这也会增加不一致性。电池的过充电和过放电，则会更大程度地增加动力电池的不一致性。根据电动汽车电池不一致性扩大的原因和对动力电池组性能的影响，可把电池的不一致分为容量不一致、电压不一致和温度不一致三种类型。
① 容量不一致 电池在出厂前的分选试验，可以保证单体电池的初始容量在分组后不一致性较小，但依然存在。在使用过程中是通过对单体电池的单独充放电来调整单体电池容量，使其差异保持较小。所以初始容量不一致是电动汽车动力电池成组使用后的主要问题。动力电池的使用容量受电池循环次数的影响较为明显，越接近电池寿命后期，实际容量的差异就越大，不一致性就越明显。锂离子电池充放电循环次数对容量的影响如图3-4所示。
图3-4 锂离子电池充放电循环次数对容量的影响
可以看出，随着循环次数的增加电池容量在减少，在充电过程中恒压时间在加长，电池再放出同样能量的电压有所下降。例如同样放出40A·h的电量，循环10次时电压是3.75V而循环600次时电压是3.5V，这主要是电池内阻随电池充放电次数的增加而增大所致。电池容量的衰减与电池的储存温度、电池荷电状态（SOC）等因素有关。据有关测试，SOC为100%的电池在40℃环境下保存1年后容量衰减30%。另外，电动汽车动力电池容量不一致还与放电电流有关。
② 电压不一致 电压的不一致是电池组不一致性最为直观也最容易测量的表现形式，分为开路电压不一致和工作电压不一致两种。在不同的放电深度下，测量电池组中单体电池电压，可以得到静态单体电池不一致的数据。如图3-5所示，某试验电动汽车锂离子电池在使用前后部分单体电池电压不一致情况。
图3-5 用车前后动力电池电压不一致的情况
可以看出，电动汽车的动力电池电压不一致性在用车前（充满电）表现并不明显，但在车辆使用一段时间后（动力电池放电DOC>60%），电压不一致性会明显地表现出来，成为影响电动汽车行驶性能的主要因素。在这种情况下，单体电池最高电压达到3.86V，最低电压仅为3.58V，相差0.28V。若继续行车动力电池继续放电，电压较低的电池将会因没有能量向外放出，产生一定程度的“损坏”。若“损坏”电池长时间没有被及时发现，使其和正常电池一起使用，将会成为动力电池组的负载，影响其他电池的工作，进而影响整个电池组的寿命。所以在动力电池不一致性明显增加的深放电后，不宜再继续行车，应及时补充电量，以防部分单体电池的损坏。电动汽车的动力电池在使用过一定时间后，必须进行平衡容量、电压等不一致性的充电保养，以弥补单体电池不一致对动力电池组整体的损害。
电池在静态情况下（静止1h）开路电压在一定程度上是电池SOC的集中表现。由于电池SOC在一定范围内，还与电池开路电压呈线性关系，开路电压不一致也就是电池能量状态不一致。其不一致的原因可归纳为，电池出厂前原容量、电压不一致，以及电池在行车过程中释放的电量和电池内阻不一致。电池内阻不一致使电池组中每个单体电池在放电过程中热损失的能量各不一样，最终会影响电池单体的能量状态，从而带来电池开路电压的不一致。
③ 温度不一致 动力电池成组应用，其温度的不一致性主要与电池的组装设计特点及使用中各单体电池所处的环境差异有关。串联锂离子电池充电温度特性如图3-6所示。随着电流减小，电池温度差异减小，说明串联电池组在同样的条件下，温度差异受电池内阻的不一致影响较大，并随着电流的增大这种差异性变得更明显。
图3-6 串联锂离子电池充电温度特性
采用恒流充电模式电池温度的变化规律与电压特性一致，在整个放电过程中电池温度一直在上升，尤其在后期接近电池的100%深度放电时，电池温度上升梯度加剧，电池电压变化的拐点也成为温度变化的拐点。这说明在电池放电的后期，电池内阻急剧增大，发热量大。各单体电池所处环境不可避免地存在差异。例如在方形电池的组装中，中间电池与边上电池的环境温度和电池内部温度等均不相同。在环境温度较高时，若不采取措施，充足电的情况下电池组边上的电池芯体与中心的芯体温度差别达10℃以上，电池内储氢合金的腐蚀速率会增加1倍。这样会造成中间电池与两边电池的衰减程度不一致，中间电池的充电率下降，放电容量降低，各电池间的一致性下降，从而影响电池组的使用性能和寿命。因此在电池组设计时要求保证电池组内的温度要均匀，使各电池单体的衰减程度一致。对于一些大型动力电池组要设置强制冷却和加热系统，使电池组内的温度能保持恒定。
（3）动力电池不一致性的改进措施 根据动力电池应用经验和有关研究，从电池使用和成组筛选等方面，对电池的不一致性可采用以下几种措施，来避免电池的不一致性进一步扩大。
① 在动力电池成组时，必须保证成组的电池是同一类型、同一规格和同一型号的电池。
② 在动力电池组使用过程中定期检测单体电池的参数，并分别在动态和静态两种情况下检测，以掌握电池组内电池不一致情况的发展规律，并对极端参数电池及时进行调整或更换，以避免电池组内的电池不一致性随使用时间的延长而继续增大。
③ 使用时每隔半年即对电池进行一次小电流维护性充电，以促进电池组自身的均衡和性能的恢复。
④ 对测量中发现的电压偏低的电池进行单独的维护性充电，以促进电池组自身的均衡和性能的恢复。
⑤ 避免过充电，尽量防止电池深度放电。
⑥ 尽量保证电池组处于良好的使用环境，减小振动，避免水、灰尘污染电池极桩。
⑦ 开发电池能量管理和电池均衡系统，对电池组的充、放电进行智能管理。
3.2.3 动力电池故障原因
从锂离子动力电池出现的七种故障情况看，最为严重的是着火和爆炸。电池故障产生的原因可分为以下七点。
（1）短路 分为外部短路和内部短路。
① 外部短路。外部短路是指电池正、负极间的短路，主要原因是外部结构上的故障或损坏造成的短路，一般为机械或物理原因所导致的。外部短路使电池内部反应相当剧烈，极易造成电池芯体的着火和爆炸等。
② 内部短路。锂离子动力电池除电池正、负极间的物理短路外，还会因电池内部的聚合物隔膜破裂导致内部短路。尤其是过载或循环寿命接近终点的电池极容易出现内部短路。锂离子动力电池内部的聚合物隔膜厚度一般在16～30μm，如此薄的隔膜，一旦受到机械外力或热变形造成的压力等破坏作用时，将会直接导致内部短路。另外，过高的温度也同样会导致隔膜破损造成内部短路。还有隔膜材料的瑕疵或在生产过程中造成微小的损伤，都会使锂离子动力电池工作时局部温度升高，进而形成内部短路。
（2）过负载 分为过电流、过电压、过充电和过放电四种情况。
① 过电流。电动车辆在起步、加速或爬坡过程中动力电池的工作电流是正常行驶工作电流的几十倍甚至上百倍。动力电池充放电的电流一般用充（放）电率C来表示。例如，充电电池的额定容量为100A·h时，即表示以100A（1C）放电时间可持续1h，如以200A（2C）放电时间可持续0.5h，充电也可按此方法对照计算。
② 过电压。在长时间的刹车制动能量回收充电过程中，或充电设备不匹配的条件下充电可能使动力电池处于过电压的工作条件下。过电压极易使锂离子电池芯温升高，引起内部短路而损坏。
③ 过充电。电池充电属于吸热反应，充电初期极化反应小，吸热处于主导地位，温升出现负值；充电后期，阻抗增大，释放多余热量，吸热温升增加。长时间过充时，锂离子电池芯体内部压力升高，放出气体，直至壳体变形、爆裂。通常情况下，动力锂离子电池在恒流充电阶段末期都会发生不同程度的过充，温升到40～50℃，会导致电池容量损失，缩短使用寿命。应特别注意的是过充电使电池芯体温度升高和气体膨胀的惯性导致的滞后着火及爆炸等危险。
④ 过放电。在恒流放电时，电压会出现陡然跌落的现象，这主要是由电阻造成的压降所引起的，电压继续下降经过一定时间后达到新的电化学平衡；当进入放电平台期后继续放电，电压变化不明显，但电池温升明显；当电池放电电压曲线进入马尾放电阶段时，极化阻抗增大、输出效率降低，损耗发热增加，应在接近终止电压前停止放电。若接近终止电压后继续大电流放电，除会造成电源系统电压迅速降低外，部分动力电池芯会被反向充电使内部的活性物质结构受到破坏，使电池芯报废，同样会产生温度升高、气体膨胀等，反应严重时会发生着火、爆炸的危险情况。
（3）温升 电池温升的定义是电池内部温度与环境温度的差值。电动车辆的动力锂离子电池隔膜都具有自动关断保护的物理特性，提高动力电池使用的安全性。隔膜的自动关断保护功能是锂离子电池限制温度升高，防止事故的第一道屏障。无论什么原因，只要是电池芯内部温度升高到一定值，隔膜的物理特性就会使微孔关闭阻塞电流通过，该温度称为闭孔温度。但热惯性还会使电池内部的温度继续上升，当达到一定温度时就会导致隔膜熔融破裂，该温度称为融破温度。动力电池芯一旦达到融破温度即意味着内部短路。
（4）内部故障 有明显内部故障的电池芯在生产时会被剔除掉。但进入成品阶段的电池芯，即使内部含有故障也是隐形的，不容易被发现，属于工艺瑕疵范畴，如隔膜不均匀、充容材料有金属残留物等。隐形的内部故障对实车装用是个技术隐患。
（5）循环寿命的影响 电池芯的循环使用寿命是构成动力电池耐久性循环使用寿命的重要因素。早期性能下降较大的电池芯，后续使用就意味着过负载，成为将来的故障隐患。
（6）机械损伤 正常装车使用的动力电池芯，因安装在高强度的防撞击容器箱内，受到机械直接碰撞损坏的可能性并不大。但在车辆发生严重事故时和在电池芯运输安装的过程中，均有可能由于振动和碰撞使电池芯内部结构受到机械损伤，严重时会缩短电池芯寿命，甚至造成着火或爆炸。
（7）温度、湿度影响 电动汽车的动力电池使用性能和寿命在使用过程中，会严重受到环境温度和湿度的影响。许多著名公司的电动汽车动力电池箱体内部采用加热和制冷装置，使动力电池芯始终处于适宜的工作温度，以提高其性能和延长其使用寿命。
3.2.4 动力电池的安全防护
动力电池组是直接装车使用的大型箱体部件，其内部除集成的电池芯外，还有电池芯电路以及组成的模块，并且有配线、连接器、冷却液温度传感器、冷却液管路装置、高压充电接口及电池连接线盒和特制的防撞外壳等，如图3-7所示。动力电池控制单元（BCU）和电池芯电路可以进行适当调整以有效控制大部分不利于电池性能状态的出现。
图3-7 动力电池模块组
电动车辆的锂离子动力电池组是将多个电池芯通过串、并联的方式获得的，有较高的电压、电流和功率。电池芯的相应安全要素在动力电池组中依然存在，由于对电池芯的级联会造成一定的内耗，因此装配在同一组内的电池芯对于其内阻、放电率、循环寿命等有一致性的要求，这就需要对电池芯进行配组。
电动汽车的锂离子电池由于其化学特性、结构特点以及应用环境等因素，若在使用中不注意就会出现泄漏、燃烧、爆炸等不安全的情况。为了保障人员和车辆设施等的安全，需采取以下措施。
（1）人员的防护
① 任何未经培训的人员不得接触、拆动、搬运高压动力电池。
② 在电动汽车的动力电池箱组等显著位置张贴“高压危险！禁止非专业拆动！”明显标志字样。
③ 作业前应首先准备好合适的作业工具、量具，并选择好安全、合适的作业位置。
④ 专业人员作业前首先穿戴好防护的鞋靴、手套、面罩等用具，然后检查车辆是否断开维修保养开关。
⑤ 正式对动力电池作业前再次确认是否已断开维修保养开关。
⑥ 作业中应谨防重物跌落，若两人以上配合作业应事先约定好动作指令。
⑦ 作业前对于动力电池芯体的爆炸和燃烧烈度应有适当的估计，并有灭火的准备。动力电池芯体的爆炸是由于外力破坏或高温，以及电池芯内部损坏产生高温高压瞬间释放造成的，与爆炸物爆炸完全是两个概念，没有可比性，其形式和效果也不可等同，维护作业人员不必产生恐惧心理。
（2）设备的防护
① 由于电动汽车高压电气设备的存在，其危险性远比传统燃油汽车要高得多，在维修保养作业时应首先使用诊断设备确认故障发生的部位和元器件，不可未经确诊盲目拆解，以防发生危险和损坏设备。
② 电动汽车动力电池芯体在电池保护箱内排列紧密，操作时应及时发现和处置损坏和危险的芯体，同时还应防止其他芯体的连锁反应，造成更大的损失。
③ 对于电动汽车的动力电池作业无论是在操作前、操作中和操作后都要时刻监控其温度变化，芯体温度高即意味着发生危险的可能性增加，必要时采取降温措施或中断作业。
④ 动力电池的作业可采用由一人监控指挥的作业方式进行，既提高效率又保障安全。