（广东林一新能源科技有限公司）
摘要：对电化学储能系统中的电池连接方式做了说明，并阐述分析了储能系统对连接的基本要求及其内在原因，对目前应用的电池连接的各种方式进行了深入探讨；提出了电池组连接方式的主要发展方向。
关键词：电池连接方式；电池连接要求；快插连接器
储能是可能改变能源和电力生产与消费方式及至人们未来生活方式的革命性技术，其在调峰、调频、应急供电的作用显著。在储能项目中电化学储能占比超50%[1]。电化学储能中必须解决的关键技术问题是如何通过合适的连接组合形成所需容量的电池储能系统。在这个成组集成过程中，连接本身的性能对电池储能整体的性能具有直接性影响。因此，探讨各级电池组间的连接本身对电池储能系统技术具有重大意义。
1.电化学储能系统对连接的要求及存在的问题
1.1 电池成组及系统集成的主要流程[1]
（1）电池单体成组
（2）安装电池管理系统
（3）将电池组与电池管理组合，通过高效连接，形成电池模块
（4）通过电池模块串并连接，并引入高压管理及电池系统智能单元，实现大容量电池系统集成
（5）将大容量电池系统与储能变流器连接构成电池储能单元
（6）将若干电池储能单元并联集成大容量电池储能系统
电池组是储能系统的核心。我们可以注意到，在由电池单体成组，到电池组成电池模块，再由电池模块实现大容量电池系统集成，然后构成电池储能单元，最后由电池储能单元集成为大容量电池储能系统，过程都是由连接实现的，可谓无连接不成电池储能。
1.2 锂电池成组集成重点问题对连接的要求
（1）电池组寿命问题：同批模组间的连接电阻需保持高度一致性且不能错接；
（2）温度场问题：连接电阻需要足够小，一致性高且不能错接；
（3）安全性问题：设计出合理的连接方式，且不能错接。
综上所述，针对电池各级连接中的技术需求，电池间的动力连接需要做到以下三点技术要求：（1）连接电阻的高一致性；（2）连接电阻尽量小，温升尽量低；（3）杜绝错接。
1.3 错接是对电池集成系统影响最大的连接问题
（1）一旦错接，会导致同批模块及单元之间的连接电阻不一致，电压不一致，容量不一致，进而破坏了电池组的一致性，最终造成电池组寿命降低。
（2）一旦错接，会导致某些连接电阻过高，进而产生局部温度过高，会对电池特性产生十分明显的负面影响，加速了电池组性能恶化。
（3）一旦错接，如果是短路会即刻造成或大或小的安全事故，如果是局部连接电阻过高，长时间工作后同样会诱发安全事故。
这些错接轻则导致断电（增加后期维护成本，降低可靠性），中则造成电池模块和电池储能单元的容量和寿命下降（容量快速衰减失效），重则会造成重大的安全性问题。如短路造成的巨大放电量 致生成大量的热，最终有可能造成电池的着火和爆炸。
1.4 各级别电池可能的错接方式
不能错接是锂电池成组技术对连接的关键要求，我们具体分析一下错接的方式和可能的后果。
各个级别的电池系统的连接方式有并联和串联两种。基于电池单体连接先并联的方式可有效促进并联单体电池间的容量自均衡，并保证电池组连接的可靠性，目前电池单体成组的连接通用方法是采用先并联再串联的方式。
电池模块之间的连接有串联并联两种方式，电池储能单元的连接主要采用并联。
对于相互之间采用串联组成的电池模块，错接会造成四种结果：
（1）相邻的电池模块之间正负两极接反
（2）串联的电池模块变成了并联
（3）某些电池模块成回路，造成短路
（4）连接错误，断开
对于采用并联连接的电池模块及电池储能单元，错接会造成以下两种结果：
（1）其中一个电池模块或电池储能单元正负极接反，形成回路即短路
（2）电池模块或电池储能单元间的并联成串联
2.电化学储能系统的理想连接实现方式
为实现电化学储能系统的理想连接，连接需要从以下三个方面提升连接性能：
（1）跟连接相关的零部件及工艺需保持高度的一致性。
（2）不同的额定电流设计出合理的连接电阻，做出温升足够低的连接产品。
（3）采用有完善的防误插功能连接，从客观上消除人为因素造成的错接。
3.各种连接方式的适用范围及优缺点
3.1 电池单体之间的连接
广泛采用焊接、螺栓连接、机械连接。焊接连接因其接触电阻低，生产效率提升空间巨大而广泛应用在电池单体之间的动力连接。且因单体电池的电流值小，电压低，焊接本身的缺点基本可忽略不计[2]。
3.2 电池组/模块/单元之间的动力联接
采用的连接方式主要有螺栓连接和快插连接器。这两种连接方式各有优缺点。
3.2.1 螺栓连接
螺栓连接的优点：
（1）接触电阻低，导电能力强大（见表1）
（2）成本低廉
（3）结构简单
螺栓连接的缺点：
（1）发生错接风险较高（无防错接功能）
（2）易在交变载荷下失效，长期使用时产生的蠕变易造成松脱
（3）效率低，需现场安装，人工成本高
（4）对工艺一致性要求较高
（5）后期维护及二次回收成本高
（6）功能单一，没有绝缘防触摸和密封功能
螺栓连接对于工艺的一致性要求较高，主要基于影响其接触点电阻的因素多与工艺相关。如：扭力，连接面的平整度，清洁度，粗糙度。这些多因素导致连接的接触点电阻变化范围大，过大的内阻范围影响电池系统的一致性，进而加重PCS系统的管理负担，降低电池系统的使用寿命和容量。
表1 额定电流与对应的螺栓参数[6]
3.2.2 快插连接器连接
快插连接器的优点：
（1）接触电阻低，导电能力强大（见表2）．
（2）具防误插功能，可有效解决错接。
（3）采用的快插快拔方式，安装方便快速，对安装工艺要求低。。
（4）其连接可模块化标准化
（5）后期维护成本低，二次回收利用成功率高
（6）采用有效可靠连接部件设计的连接器，抗震动能力较高且寿命较可靠。
快插连接器的缺点：
（1）成本比螺栓连接高30%左右（连接成本占储能系统整体成本的0.5%左右）
（2）结构比螺栓连接复杂，对应的整体连接器的可靠性设计及评估较复杂。
表2 某快插连接器额定电流表
3.3 快插连接器介绍
目前市面上的快插连接器的额定电流在40~500A，额定电压可达1000VDC，基本涵盖了电池动力连接所需要的电流电压值。
由于快插连接器属于连接器范畴，其设计非常灵活，根据实际应用需求，可增加各种功能，如防误插和防触摸。其专用的快插快拔功能，可极大降低安装维护及回收的人工成本，并提升了效率。
在防误插功能方面，采用物理结构键位设计、颜色标识、符号标识三者结合，可有效杜绝错接。
图1 市场上快插连接器图片
在连接的可靠性方面，可采用高标准的设计准则（冲击振动，热老化，热冲击及温湿循环）使其在长期使用和恶劣复杂的工况下的安全性更有保障，能从容应对储能系统的各种环境。
高电流快插连接器产品和核心接触件主流是环状扭簧，此种结构接触方式可靠性好，寿命长，抗恶劣坏境性能佳，是业界目前比较先进的大电流接触技术。且合理的设计使PEC组装式快插连接器的结构尺寸跟螺栓连接基本一致。
图3环状扭簧电流密度分布示意图
4.总结与展望
快插连接器由于具备防误插、防触摸、快插快拔功能，能较好的满足电化学储能系统中的各级电池连接的安全及高性能需求，是未来储能连接的趋势。而螺栓连接由于具有结构简单、成本低廉、导电能力强大的三大优点会继续应用在一定范围的储能系统连接。
研究出低成本高导电能力高可靠性的快插连接器是目前连接器行业亟需解决的问题，也是快插连接器的未来发展方向。
参考文献：
[1] 王松岑.大规模储能技术及其在电力系统中的应用 [M].北京；中国电力出版社，2016.
[2] 易水寒.动力电池主要的模组连接的方法汇总详细资料概述[DB/OL].电子发烧友网-中国电源.2018.04.22
[3] 王丽梅，程勇. 集成方式对磷酸铁锂电池组SOC间偏差的影响[J].应用基础与工程科学学报，2016.4（6）；541~548
[4] 胡春姣.纯电动汽车锂离子电池模块设计及热特性分析[D].长沙；湖南大学，2016
[5] 薛金花，叶季蕾. 储能系统中电池成组技术及应用现状[J].电源技术 研究与设计.2013.37(11).1944~1946
[6] DIN46200-1977[S]
论文作者:桂佩佩,邢国坚,陈守彬
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/18
标签：电池论文; 储能论文; 连接器论文; 系统论文; 方式论文; 电池组论文; 螺栓论文; 《电力设备》2018年第30期论文;