首页 » 公司新闻 » LiFePO4 » 2024年串并联锂离子电池组模组趋势
随着世界越来越依赖锂离子电池驱动的技术，对更高效、更强大的电池组的需求也在不断增加。 串并联锂离子电池组模组设计方案吸引了锂电池组工程师和业界的关注。 适用于各种应用的电池组设计行业。
为什么更多的产品经理更喜欢设计并联、串联、串并联电池组？
2024 年，更多人选择并联、串联和串并联锂离子电池组设计，主要原因有两个：
1）超过100瓦时（Wh）的电池不能带上飞机，从而使并联、串联和串并联电池组更加优化。
2）并联、串联、串并联电池组设计，为大型户外设备等特殊应用提供了便捷的更换、便携性和灵活的配置。
什么是并联、串联和串并联锂离子电池组？
1.串联锂离子电池组
另一方面，串联电池组设计将电池组端到端连接以增加电池组的电压。串联充电电池组的核心优点是电压较高，缺点是与并联电池组相比容量和放电电流较低。
上图中的虚线框代表BMS，其中电阻R1代表MOS的阻抗。当MOS导通时，MOS处于低阻状态，假设R1=0.001Ω；当MOS不导通时，MOS处于高阻状态，假设R1=1000MΩ。以4节锂电池串联为例，串联后的原理图简化如下。假设每节电池的电压为4V。如果4节电池的BMS全部处于导通状态。That is, R1=R2=R3=R4=0.001Ω; 每个电阻两端的电压分别为U1、U2、U3和U4；Then, U1=U2=U3=U4=4V.
如果4个电池中第一个电池的BMS全部处于非导通状态，即R1=1000MΩ； R2=R3=R4=0.001Ω；每个电阻两端的电压分别为U1、U2、U3和U4；Then, U1≈16V; U2=U3=U4≈0V.
经过上述分析，可以得到以下结论：多节锂电池串联后，如果其中一节锂电池的BMS触发某种保护，MOS管切换到高阻状态，MOS管端将几乎承受整个电路的全部电压。在这种情况下，如果总电压超过MOS的极限，那么MOS就会烧毁。因此，只有设计为串联的电池才允许串联，且串数不得超过设计值。
2. 并联锂离子电池组
并联电池组设计将单个电池单元并联连接，以增加电池组容量。并联电池连接通常用于需要高电流输出的应用。并联电池的优势包括能够增加容量和放电电流。然而，这种设计需要开发重要的电池管理系统 (BMS) 技术。
以4节锂电池并联为例，简化示意图如下，每节电池电压分别为U1、U2、U3、U4；每节电池内阻分别为R1、R2、R3、R4。假设 R1 = R2 = R3 = R4 = 0.03 Ω理想情况下，U1=U2=U3=U4，电路正常工作；如果U1>U2=U3=U4，则电池1将为电池2、3和4充电。
充电电流可简化为：电池 2、3、4 的充电电流。I2 = I3 = I4 = (U1 – U2) / (0.03 + 0.03/3) / 3假设U1=12V，U2=U3=U4=9V，代入上式可得：I2=I3=I4=25A
根据以上计算，可以得出：1、如果锂电池并联时压差足够小的话，是可以的。2、如果锂电池并联，压差比较大，会产生很大的瞬时电流，可能会损坏电池。
3、串并联锂离子电池组
串并联电池组设计结合了并联和串联电池组的特点。 这种类型的电池组可以提高电压和容量以及更高的放电电流输出。 并串联电池连接的主要缺点是成本增加。
模块化与中央电池管理系统 (BMS)：哪个更适合您的电池组设计？
在设计电池管理系统 (BMS) 时，工程师必须确保电池单元保持良好的循环和工作温度平衡。电池单元需要在整个放电和充电周期中保持相同的充电状态 (SOC)。 CM Batteries我们的首席技术官利用计算和模拟来设计系统，以确保电池组的安全性并延长电池的使用寿命和可靠性。
CM Batteries 提供以下 BMS 设计选项：
图1 BMS设计1
如图 1 所示，模块化 BMS 被划分为多个相同的子模块，每个电池组都通过导线连接面板的不同部分，以监控电池的各个特定区域。其中一个 BMS 模块被指定为“主”模块，负责管理整个电池组的调度并与外界通信。“从”BMS 通过通信总线与“主”BMS 进行通信，但最终它们具有相同的功能。
优点：
集中式BMS的小型化：具有多级联的特点，具有集中式BMS的大部分优点，包括易维护、成本低等。
更小的单模组尺寸：子模组到单电池的线材较短，可以靠近电池放置，避免因线材过长带来的隐患和错误。
易于扩展：可添加更多子模块实现扩展。
缺点：
比集中式BMS需要更多的电线：模块化BMS不仅需要连接到电池组，而且每个模块之间还需要连接电线。
成本较高：虽然每个模块的功能相同，但并不是所有的功能都会用到，造成浪费，特别是考虑到从模块用处不大。
因为我们觉得这个设计不是特别高效， CM Batteries 提供了该 BMS 设计的改进版本，如图 2 所示。
图2 BMS设计2
在本设计中，我们根据主从模块的不同功能，将从模块分开，去掉从模块不使用的功能，从而可以显着降低成本。
主BMS负责相对较多的功能，如计算、预测、决策、通信等。从模块仅负责测量。 这种设计继承了模块化结构的大部分优点，同时也降低了扩展成本。
还有一种分布式 BMS 设计解决方案，具有高连接可靠性、无需过长的电缆以及电池和测量电路的紧密集成，有助于减少干扰和错误。这种模式比较安全。然而，由于成本高且工艺复杂，它并不是许多客户选择的设计。
并联、串联和串并联电池组设计选项在电池组解决方案中变得越来越流行，特别是对于户外设备应用。由于航班上电池最大电流容量的限制以及这些设计提供的便利性和灵活性，预计到 2024 年会有更多人选择并联、串联和串并联电池组解决方案。每种型号都有其优点和缺点，仔细的电池管理系统 (BMS) 设计对于确保每种电池的安全运行、可靠性和延长使用寿命至关重要。模块化BMS设计方案可满足不同需求并降低成本， 工程师 CM Batteries 可以帮助您做到这一点。
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