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锂电池成组的配置

作者：朱玉龙（来源：IND4汽车人）

前阵子也讨论过这个问题：现在都在追求高能量密度，高续驶里程，3个电芯并联已经无法满足要求，要求更多的电芯并联，这也对安全提出了考验，部门公司采用先串后并的方法，可是又会出现其他问题。我们来系统性的考虑一下。

2016年的续航对比

这里是从现实考虑，由于把纯电的车辆定义为城市用车，整个续航里程都定义比较低，在往2020年的发展路上，势必需要做里程上面的突破和定义（从200过渡到300英里，按照一般的工况折算下来300~450公里的），整个外在的表现就是电池的能量开始大幅往上走。

从复用基本技术的角度，我们可以看到，如果在现有平台上面来做的话，整个电压是完全给限制住的。如果往上走的话，需要调整驱动逆变器、DCDC、电空调、车载充电机还有其他相关的高压电器部件的需求。所以总额的串数是限制住的。

我们以400V为例，由于单体的电压在增高，LFP到三元NCM增到了3.7，总串数限制住了，也就是要达到50、60、70、80、90、100kwh，就需要增加Ah。

我们把现在的BEV的电芯罗列一下，其实大家都知道大容量随着能量密度的提升，安全性方面有挺大的困难。这个一直性上面也有挺多的问题。

1）先并后串

这个容量和SOC的不均衡引起的环流其实大家都可以理解，直流内阻随着循环次数带来的偏差，使得脉冲放电的时候，整个电流的环流比较明显，这也是柳兄所谓的震荡

所以我们靠着很多的办法去分级和筛选电芯

1.静态容量匹配：在设定的条件下对电池进行充电，根据放电电流和放电时间来计算容量,然后按照容量值对电池进行分类。

2.电压匹配：OCV配组法，影响静态电压一致性的因素主要是电荷状态和自放电率，电荷状态是指荷电量与标称容量的比值。根据开路电压与电池电荷状态的关系：开路电压越高则电荷状态数值越大，所以各单体电池的电荷状态差别越大则静态电压一致性越差；反之如果各单体电池电荷状态越接近，则静态电压一致性越好。

3.内阻匹配：防止内阻不一致的单体锂离子电池组装在一起，当循环充放电后电池包内的单体电池差异性被放大，从而导致电池包的容量加速衰减，大大减少电池包的使用寿命，最终电池包过早报废。

这里还有一个自放电，这也会影响电池静态电压一致性的另外一个因素是自放电率。即使各单体电池开始时的静态电压完全一致，但如果各单体电池的自放电率不同，则随着时间的推移，自放电率大的电池电压相对于自放电率低的电池电压下降得明显，所以自放电率不同也会造成静态电压的不一致。

2）先串后并

把N串放在一起，其累积起来的效果，有点加成效应。在脉冲放电的时候，整个效果是挺有趣的。

备注：储能由于整个放电稳定，可以通过一系列措施加DCDC，加预充来做。

所以面对这个情况，顶级电芯企业一是为了节约成本考虑，二是为了电池寿命的考虑，都在往大电芯容量进发，走一条客观上允许电池单体有不安全的特点，但是在模组级别和系统级别去做规避的道路。说到底，我其实觉得Tesla能在400V下面做90Kwh、100Kwh，还真的需要松下的18650稳定而一致的工艺。

· 它占了两个便宜，电芯好，能用的18650或者更大的电芯其实也只有松下、三星和LG三家可以

· 整个电池包大的情况下，一个是DOD其实还是挺好的，不深；其次是跑了同等里程，循环的次数不多

· 所以国内创业车企如果真学这个，用国内的18650电芯，电池包容量再往下做，事情就不是那样了

小结：在制造的时候，只是EOL关，来做内阻、自放电方面的确认，往上推，其实这些要求随着车不一样；电池单体不一样，很多参数的要求都不一样。开个头，与各位做电池的兄弟们一起讨论。

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锂电池成组的配置

接《汽车高压电气绝缘考虑》，我们主要谈几个部分。

1）确定各个部分需要考虑的部分

我们首先要确定我们要处理的对象，可以分为以下的几类

第一类：高电压的导体和导电外壳之间，包含所有高电压往GND的所有，我们常见的主要是主正/主负还有其他高压端与GND之间

第二类：高电压的导体和通电到低电压的电路之间，主要存在于子单元CSC（测量电路与通信电路之间）、BMS之间（电池组高压/继电器状态测量、绝缘测量电路与主控电路和通信电路之间）

第三类：相反极性的高电压的导体之间，我们通常说的主正与主负之间

第四类：同一高压端采用隔离接触器/继电器两侧之间

图1 某商用车电池系统

在这个情况下，我们一般从高压线束、采样线束、BDU、BMS和BMU分解来操作，以BDU分解来看，主要是做一个表格：

通过这个我们可以搞清楚我们把什么东西分开

2）确定爬电距离和电气间隙

爬电距离：沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。

电气间隙：在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。即在保证电气性能稳定和安全的情况下，通过空气能实现绝缘的最短距离。

一般来说爬电距离要求的数值比电气间隙要求的数值要大，考虑须同时满足这两者的要求（即要考虑表面的距离，还要考虑空间的距离）

这套过程，在哪里都是类似的，这个套路在传统的功率电子上，形成以下的结果：

在汽车里面，毕竟有一些特殊性，主要是大家的依据，是按照传统设备来的《IEC Standard 60664-1 Insulation coordination for equipment within low-voltage systems - Part 1: Principles, requirements and tests 2007》，汽车里面有自己的特殊性。从这个里面转化过去有一些区别

目标：Consider the insulation spacing between HV+ and HV within a battery pack with a system regeneration voltage of 300 V and housed in a package with an environmental rating of IP6K9K.

电气间隙

Further assume that insulating material has been tested to Material Group II

Reinforced insulation is required because the insulation is between the positive and negative rails.

Battery System package is sealed to IPX9K, the system is considered to be pollution degree 2.

IEC 60664-1 Table F.1 the impulse voltage for overvoltage category 1 at 300 V is found to be 1500 V.

To obtain reinforced insulation, IEC 60664-1 specifies using the next higher impulse voltage (or 160% of the impulse voltage) => 2500 V

Using IEC 60664-1 Table F. 2, the clearance for pollution degree 2 at 2500 V for the inhomogeneous field case is 0.6 mm.

Finally, the clearance must be altitude corrected by multiplying by 1.4 for operation at 4,570 m, yielding 0.84 mm.

爬电距离

The creepage distance for basic insulation for Pollution degree 2, Material Group II can be obtained from IEC 60664-1 Table F.4.

The creepage distance for 300V is 2.1 mm and is obtained using linear interpolation.

IEC 60664-1, section 5.2.4, creepage distance for reinforced insulation is obtained by doubling the creepage distance for basic insulation.

The required creepage distance is therefore 4.2 mm.

3）检查设计中的爬电距离&电气间隙的实际情况

包括在3D模型中的对象之间的距离

在考虑中，需要考虑装配的公差

在考虑中，需要考虑在工作条件下（振动&冲击）部件的移动

最后再提一句，我觉得哈，虽然Coating这个事情会让CMU、BMS散热变成一个问题，但是按照UL840的要求，带高压的PCBA还是要Coating一下，一个是绝缘的考虑，另一个是ESD的考虑

作者：朱玉龙

参考文件：

1）《Application of Insulation Standards to High Voltage Automotive Applications》

电子电器好课(点击标题查看）

《CAN网络的休眠和唤醒测试》

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