摘要：對汽車用動力鋰離子電池材料、電池系統的組成及設計應用進行了介紹,對國內外鋰離子電池系統主要供應商進行了綜述,同時對目前車用鋰離子電池系統還存在的主要問題及解決方法進行了

關鍵詞：鋰離子動力電池；研究現狀；展望

Lithiumion power batteryresearch situation and Prospect

Yan Wen-hao

Abstract:： the composition and the design and application of automobile power lithium ion battery materials, battery system are introduced, the main supplier to domestic and foreign system of lithium ion battery were reviewed, and the main problems at present Li ion battery for vehicle system still exist and solving methods were discussed.

0引言

    近十幾年來，隨著各種便攜式電子設備及電動汽車的廣泛應用和快速發展，對其動力系統-化學電源的需求急劇增長，鋰離子電池以其高容量、高電壓、高循環穩定性、高能量密度、無環境污染等優異的性能倍受青睞。

1　車用鋰離子電池材料
1. 1　理想的車用鋰離子電池正負極材料要求
    電池材料的物理結構和化學組成決定了它的性能,理想的車用鋰離子電池材料應具備以下特征: (1) 具有層狀或隧道的晶體結構,以利于鋰離子的嵌入和脫出,以保證鋰離子電池的循環壽命;(2)充放電過程中,應有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出,使電極具有較高的電化學容量; ( 3)在鋰離子進行嵌脫時,電池有較平穩的充放電電壓; (4)鋰離子應有較大的擴散系數,以減少極化造成的能量損耗,保證電池有較好的快充放電性能; (5)材料應價格便宜,對環境無污染,質量輕,可回收。
1. 2　車用鋰離子電池正極材料
    目前鋰離子電池正極材料主要有:鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰等,負極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。

從整車安全和電池成本考慮,磷酸鐵鋰是最有可能在汽車用動力電池上應用的鋰電池正極材料,其優點有:
   (1) 安全性好:穩定,即使在過充電情況下也不會產生游離氧,不和電解液反應; 可以放電到0 V,電池無大的損傷;與有機電解液反應活性低;熱力學穩定狀態, 400 ℃以下無變化。
   (2) 穩定性高:充放電過程中,晶體結構不會發生變化;三維結構, L i +二維移動,利于鋰的嵌入;充電電壓低,電解液更穩定,電池副反應少;循環壽命長。
   (3) 環保:整個生產過程清潔無毒,所有原料都無毒。
   (4) 價格便宜:磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料,價格便宜。
   但磷酸鐵鋰材料也存在以下缺點:
   (1) 導電性差:磷酸鐵鋰不能得到大范圍應用的主要問題,需往磷酸鐵鋰顆粒內部摻入導電碳材料或導電金屬微粒,或顆粒表面包覆導電碳材料,提高材料的電子電導率。
   (2) 振實密度較低:一般只能達到1. 3～1. 5,該缺點決定了在小型電池如手機電池等沒有優勢,主要用來制作動力電池。
   (3) 電壓平臺低:一般為3. 2 V。
目前鋰鐵電池正極生產技術有以下三種: (1)在粉體顆粒表面以碳元素涂布; (2)用金屬氧化物包覆顆粒; (3)采用納米制程技術細化材料顆粒,使之微粒化。

2　車用鋰離子電池系統車用鋰離子電池系統一般由電芯及電池組、電池管理系統 、高壓電安全系統 、冷卻系統和檢測單元等組成。

2. 1　電芯及電池組
    一個典型的鋰離子電芯主要包括正極片、負極片、正負極集流體、隔膜紙、外殼及密封圈、蓋板等,常用電芯形狀主要有圓柱形和方形。
為了滿足整個電池系統的電壓、能量和功率要求,電池組一般是由若干個電芯按照串聯或并聯的方式組合起來,每個電芯之間由導線連接,同時,為了對電芯的溫度、電流、電壓、荷電狀態等信息進行實時監測,又可以把電池組分成若干個模塊,各電芯和模塊之間以一定方式科學合理組合,保證整個電池組的電性能、熱平衡和散熱要求。
2. 2　電池管理系統
    電池管理系統用來監控和保護電池的運行狀態,應該能精確檢測電池的參數,包括:單體電壓、模塊電壓、電流、溫度。利用電池模塊和電池系統的信息計算并報告荷電狀態,壽命狀態  ,當前可用充放電功率,并執行對接觸器的控制。系統由 接觸器、預充電電阻、保險絲、電壓傳感器溫度傳感器,以及電流傳感器等模塊組成。

2. 3　電池安全及高壓電
2. 3. 1　電池安全
    對于車用鋰離子電池,國標和美國先進電池協會有嚴格的濫用性能測試要求及測試項目。濫用測試性能等級要求從1到7級,當等級大于2級,電池即遭到了不可修復的損壞。濫用測試項目分為3大類,包括機械、熱和電濫用總共16個項目。每個量產的電池產品都必須完成以上濫用測試。
    如果車用鋰離子電池系統使用不當,如過充、過放、過熱、碰撞等條件下可能產生以下安全隱患: (1)內部短路,應用鈷酸鋰的鋰電池在過充時(甚至正常充放電時) ,鋰離子在負極堆積形成枝晶,刺穿隔膜,形成內部短路; ( 2)產生大電流,包括外部短路時,電池瞬間大電流放電,產生巨大熱量,內部短路,隔膜穿透,溫度上升,短路擴大,形成惡性循環; (3)氣體排放,如有機電解液在大電流,高溫條件下電解,產生氣體,導致內壓升高,嚴重時沖破殼體; (4)燃燒,金屬鋰在殼體破裂時與空氣接觸,導致燃燒,同時引燃電解質發生爆炸。

    因此在設計車用鋰離子動力電池系統時,應從電池材料(包括正負極材料、隔膜、電解液)、電芯的設計和制造(包括電池結構、安全設計、均一性)、電池系統的安全功能(包括電池管理系統、熱管理系統、高壓安全、外殼等)、整車安全功能等不同層面進行研究和分析,確保其在車上的安全使用。
2.  3. 2　高壓互鎖回路
    車用鋰離子電池系統設計時,電池管理系統要提供一個手動開關,手動開關內部集成主回路的保險絲及主回路的高壓互鎖電路。當手動開關從電池系統中拔出,此時要保證電池系統的輸出端沒有任何潛在的危險電壓。電池管理系統同時要為充電器提供另一個高壓互鎖電路。電池管理系統要實時監控高壓動力母線以及充電器的高壓互鎖電路,電池管理系統提供高壓互鎖電路的輸出源,同時在網絡上給出當前的高壓互鎖電路的監控信息。所有的高壓部件都應提供高壓互鎖的連接裝置,這些高壓互鎖連接裝置通過串行方式進行連接。

2. 3. 3　絕緣電阻測量
    電池管理系統要實時測量高壓動力母線正負極和車身的絕緣電阻狀態,并通過總線上報當前的絕緣電阻值。如果當前測量的絕緣電阻值小于設定值,如對于最高電壓400V左右的系統,絕緣電阻為400 KΩ時,電池管理系統要給出報警信號,如果當前測量的絕緣電阻值小于設定值,如200 KΩ,電池管理系統要給出危險信號并切斷所有的主接觸器。
2. 3. 4　碰撞安全
    車輛在行使過程中,碰撞是不可避免的。出于安全考慮,電池系統主回路上必須安裝碰撞開關,且要求車用鋰離子電池管理系統的正極、負極主接觸器及預充電接觸器的電源由碰撞開關提供。同時,電池管理系統需要控制正極、負極主接觸器及預充電接觸器的電源負極。
當碰撞開關斷開后,正極、負極主接觸器及預充電接觸器的電源會被切斷。
2. 4　電池熱管理系統
    根據不同的油電混合程度以及純電動續駛里程,車用鋰離子電池系統無論是功率、能量還是體積、重量都有所不同。當車輛在不同運行工況下,電池系統由于其自身有一定的內阻,在輸出功率、電能的同時產生一定的熱量,使電池溫度升高,當電池溫度超出其正常工作溫度區間時,必須限功率工作,否則會影響電池的壽命。為了保證電池系統的電性能和壽命,車用鋰電池系統都必須具有熱管理系統。在設計電池熱管理系統時,一般的要求有:
   (1)電池滿功率工作的溫度區間定義,電池降功率工作區間定義;
   (2)電池低溫啟動性能要求;
   (3)電池隔熱功能;
   (4)電池主動制冷和主動制熱功能;
   (5)制冷和制熱方案,如風冷或液冷。
    風冷方案設計主要考慮電池系統結構的設計,風道,風扇的位置及功率的選擇,風扇的控制策略等。液冷方案設計主要考慮冷卻管道,流場,進出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調壓縮機的控制策略等。
2. 5　電池系統外形設計及布置
    根據汽車制造企業的要求進行設計,因不同的車型和可用空間大小要求而設計,形狀可適當靈活設計,一般做成一個整體比較好,有利于電池的熱管理,降低成本,提高電池的熱均衡性,提高電池的壽命。對于乘用車,一般放置位置在車身底盤、車后座椅及后備箱之間或備胎空間里。

3　車用鋰離子電池系統國外主要的車用鋰離子電池。

    從發展趨勢看,大型動力鋰離子電池企業與大型汽車公司合作開發車用動力電池系統已成為潮流。強強聯手一方面將加強動力電池開發的資本實力,保障了產業化所需要的資金,另一方面加快了汽車與動力電池的接口融合,將加速其產業化。

4　鋰離子電池系統存在的技術難題和解決措施
     鋰離子電池是未來車用動力電池的首選技術。但鋰離子電池仍然處于實驗、限量生產水平,短期應用還存在風險, 鋰離子電池應用到混合動力車上面臨的主要挑戰是產量和可靠性,包括壽命和潛在安全問題,從而導致電池生產商和汽車制造商同時面臨很大的經濟風險,很多化學和電池機構正在進行該項研究。
5　展望

    目前全球電動車電池技術發展有兩大方向:一是從現有的二次電池加以改良,另一則是開發新的燃料電池。目前車用動力電池多數仍停留在價格相對便宜的鉛酸電池等傳統產品上,但隨著技術突破和生產成本有效控制,鋰電池質輕、續航里程長以及高能量密度和輸出功率的優勢逐漸浮現,長期來看將成為發展主流,整車廠與鋰離子電池生產廠商合作共同開發電池系統是必然趨勢。
     但在鋰離子電池系統本身存在的價格、壽命、安全等主要問題解決之前,其在新能源汽車上的大規模應用還需要2～5年。

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