锂电池组的串数设计研究

0. 背景问题

使用磷酸铁锂电池组建电池组，锂电池单体的标称电压为3.2V，然后在组建48v电池组时，行业内的标准做法都是采取16串的方式，而16串标称电压是3.2*16=51.2伏，而15串的标称电压刚好是48v。

为什么大家都用16串而不用15串呢？这里是考虑到锂电池的放电特性，16串的容量更大，且能更好的匹配48v铅酸电池组特性。

那为什么不选用17串呢？能否选择17串呢？以下就这一问题进行研究分析。

1. 关键参数对比

假设选用的充电器最高电压约为58.5v，若用此充电器分别给16串和17串的磷酸铁锂电池组充电，此时，17串的电池组应该是充不满的，那么对比16节的充满电的电池组，哪个存的总电量多？

在使用相同充电器（最高电压58.5V）的情况下，16串磷酸铁锂电池组存储的总电量（能量）更多。以下是详细分析：

2. 总能量（电量）计算

假设每节电池容量为 C Ah，总能量为 电压 × 容量（Wh）：

• 16串电池组：

  • 充满电压：58.4V（3.65V/节 × 16）。
  • 总能量 = 58.4V × C = 58.4C Wh（完全利用容量）。

• 17串电池组：

  • 充电电压限制：58.5V（3.44V/节 × 17）。
  • 实际充入容量：因电压低于满充值（3.65V），实际容量可能降至 约95% C（需根据具体电池曲线调整）。
  • 总能量 = 58.5V × 0.95C ≈ 55.6C Wh（容量未完全利用）。

3. 关于充电量的结论

• 能量差异：

  • 16串：58.4C Wh（完全充满）。
  • 17串：55.6C Wh（未充满）。
  • 16串比17串多存储约5%的能量（58.4C vs. 55.6C）。

• 原因：
  尽管17串总电压略高（58.5V > 58.4V），但因每节电池未充满，实际容量显著下降，导致总能量反而更低。

4. 关于充电量的扩展分析

• 电池容量与电压的关系：
  磷酸铁锂电池的容量与充电截止电压强相关。若充电电压不足（如3.44V vs. 3.65V），电池无法达到标称容量（图1）。

  • 示例：某电池在3.65V时可释放100%容量，但在3.44V时可能仅释放95%。

• 系统效率：
  17串因电压不匹配，可能导致充电器效率略降，进一步减少实际充入能量。

5. 考虑电能量最大化时的应用建议

• 选16串：若需最大化储能，优先匹配充电器电压（58.5V充16串至58.4V）。
• 选17串：仅在对电压需求更高（如54.4V系统）且可接受容量损失时适用，不推荐。

6. 寿命影响因素分析

(1) 充电电压与寿命的关系

磷酸铁锂电池（LiFePO₄）的循环寿命与充电截止电压强相关：

• 满充电压（3.65V）：
  • 长期满充会导致电解液分解和正极材料晶格损伤，循环寿命通常为2000-3000次（80%容量保持率）。
• 低电压充电（3.4-3.5V）：
  • 降低电压可大幅减少副反应，循环寿命可延长至5000次以上（图1）。
  • 示例：某实验显示，充电至3.5V的电池，寿命比3.65V时延长约40%。

(2) 两种方案的电压对比

7. 寿命差异的量化估算

假设电池容量衰减遵循以下规律：

• 16串：满充3.65V，年衰减率约3-5%（高温下更高）。
• 17串：充电至3.44V，年衰减率约1-2%。

场景模拟（初始容量100Ah）：

8. 扩展考量

(1) 电池一致性影响

• 16串风险：
  满充时若单体电压不均，易出现过充，加速个别电池老化。
• 17串优势：
  低电压充电降低过充风险，即使存在轻微不一致，仍能保持安全区间。

(2) 温度敏感性

• 高温环境：
  高电压（3.65V）的16串电池组老化速度会进一步加剧，而17串的低电压方案对温度更耐受。

(3) 经济性权衡

• 能量损失 vs. 寿命增益：
  17串损失约5%的总能量（见前序分析），但寿命延长50-100%，长期使用成本更低。

9. 考虑寿命时的应用建议

• 优先17串：
  若系统对能量需求不敏感（如低功耗设备或储能缓冲场景），且追求长寿命、低维护，17串是更优选择。
• 慎用16串：
  仅在对能量要求苛刻且可接受定期更换电池时适用（如需满容量支撑离网系统）。

10. 总结

在相同充电器条件下，16串电池组因完全充满，存储的总电量（能量）显著高于未充满的17串电池组。
若仅考虑电池实际容量，则16串磷酸铁锂电池组更具优势。
若仅考虑电池寿命，17串磷酸铁锂电池组因工作在更低电压区间，可显著延缓老化，其寿命优势远超16串方案的容量优势。这一结论在高温、长期循环或不均衡风险较高的场景中尤为突出。

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