汽車用動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

1、 新能源汽車收稿日期:2009-06-22汽車用動(dòng)力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀謝先宇王潘安浩傅振興(上海捷能汽車技術(shù)有限公司, 上海201804【摘要】對(duì)汽車用動(dòng)力鋰離子電池材料、電池系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了介紹, 對(duì)國(guó)內(nèi)外鋰離子電池系統(tǒng)主要供應(yīng)商進(jìn)行了綜述, 同時(shí)對(duì)目前車用鋰離子電池系統(tǒng)還存在的主要問題及解決方法進(jìn)行了探討, 并對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)在新能源汽車上的應(yīng)用進(jìn)行了展望?！続b s trac t 】The constituti on and design app licati on of the powerL i 2i on battery and sys 2te m in the vehic

2、le is intr oduced . The domestic and main liers i syste m are su mmarized, and the key p r oble m s and s oluti on 2are dis 2cussed . App licati on of L i 2i on battery system p .【主題詞】11. 1理想的車用鋰離子電池正負(fù)極材料要求電池材料的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成決定了它的性能, 理想的車用鋰離子電池材料應(yīng)具備以下特征:(1 具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu), 以利于鋰離子的嵌入和脫出, 以保證鋰離子電池的循環(huán)壽命; (2 充放

3、電過程中, 應(yīng)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(xué)容量; (3 在鋰離子進(jìn)行嵌脫時(shí), 電池有較平穩(wěn)的充放電電壓; (4 鋰離子應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù), 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(yīng)價(jià)格便宜, 對(duì)環(huán)境無污染, 質(zhì)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(fù)極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。不同鋰離子電池正極材料性能比較見表1。從整車安全和電池成本考慮, 磷酸鐵鋰是最表1不同鋰離子電池正極材料性能比較正極材料理論容量(mAh /g 實(shí)際容量(mAh /g 工作電壓

4、(V 安全性能成本L i CoO 22741401553. 7一般高L i N i O 22741902102. 54. 2差居中L i M n2O 41489012034好低L iFeP O 4170120-1603. 2很好低有可能在汽車用動(dòng)力電池上應(yīng)用的鋰電池正極材料, 其優(yōu)點(diǎn)有:(1 安全性好:穩(wěn)定, 即使在過充電情況下也不會(huì)產(chǎn)生游離氧, 不和電解液反應(yīng); 可以放電到0V, 電池?zé)o大的損傷; 與有機(jī)電解液反應(yīng)活性低; 熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài), 400以下無變化。(2 穩(wěn)定性高:充放電過程中, 晶體結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化; 三維結(jié)構(gòu), L i +二維移動(dòng), 利于鋰的嵌入; 充電電壓低, 電解液更穩(wěn)定,

5、 電池副反應(yīng)少; 循環(huán)壽命長(zhǎng)。(3 環(huán)保:整個(gè)生產(chǎn)過程清潔無毒, 所有原料都無毒。(4 價(jià)格便宜:磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以12上海汽車2010101 新能源汽車及鐵源為材料, 價(jià)格便宜。但磷酸鐵鋰材料也存在以下缺點(diǎn):(1 導(dǎo)電性差:磷酸鐵鋰不能得到大范圍應(yīng)用的主要問題, 需往磷酸鐵鋰顆粒內(nèi)部摻入導(dǎo)電碳材料或?qū)щ娊饘傥⒘? 或顆粒表面包覆導(dǎo)電碳材料, 提高材料的電子電導(dǎo)率。(2 振實(shí)密度較低:一般只能達(dá)到1. 31. 5, 該缺點(diǎn)決定了在小型電池如手機(jī)電池等沒有優(yōu)勢(shì), 主要用來制作動(dòng)力電池。(3 電壓平臺(tái)低:一般為3. 2V 。目前鋰鐵電池正極生產(chǎn)技術(shù)有以下三種:(1 在粉體顆粒表面以碳元素涂布

6、; (2 用金屬氧化物包覆顆粒; (3 采用納米制程技術(shù)細(xì)化材料顆粒, 使之微?；?、電池管理系統(tǒng)(BMS 、高壓電安全系統(tǒng)(直流接觸器、熔斷器、預(yù)充電電阻 、冷卻系統(tǒng)和檢測(cè)單元(電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器 等組成,如圖1所示 。圖1車用離子電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2. 1電芯及電池組一個(gè)典型的鋰離子電芯主要包括正極片、負(fù)極片、正負(fù)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(gè)電池系統(tǒng)的電壓、能量和功率要求, 電池組一般是由若干個(gè)電芯按照串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合起來, 每個(gè)電芯之間由導(dǎo)線連接, 同時(shí), 為了對(duì)電芯的溫度、電流、電壓、荷電狀態(tài)(SOC 等信

7、息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 又可以把電池組分成若干個(gè)模塊, 各電芯和模塊之間以一定方式科學(xué)合理組合, 保證整個(gè)電池組的電性能、熱平衡和散熱要求。2. 2電池管理系統(tǒng)BM S電池管理系統(tǒng)(BMS 用來監(jiān)控和保護(hù)電池的運(yùn)行狀態(tài), 應(yīng)該能精確檢測(cè)電池的參數(shù), 包括:單體電壓、模塊電壓、電流、溫度。利用電池模塊SOC , 壽命狀態(tài)(State 率, BMU (CECU, Center Electr onic , CSC (Cell Supervising Circuit, 又名LECU, Local Electr onic Contr ol Unit 、接觸器、預(yù)充電電阻、保險(xiǎn)絲、電壓傳感器溫度傳感器, 以及電

8、流傳感器等模塊組成。圖2顯示了電池及其管理系統(tǒng)與外部連接的典型例子 。圖2電池管理系統(tǒng)B M S 組成及與外部連接示意圖在BMS 中, CSC 主要功能有:(1 單體/模塊電壓采集:一個(gè)模塊由若干個(gè)電池單體串并聯(lián)組成, 并由一個(gè)CSC 監(jiān)控, 每個(gè)CSC 采集模塊內(nèi)各個(gè)單體的電壓和整個(gè)模塊的電壓;(2 模塊內(nèi)平衡:CSC 根據(jù)判斷模塊內(nèi)各個(gè)單體的電壓, 通常是通過電阻放電的形式, 消除模塊間容量的差異;(3 電池模塊溫度檢測(cè):CSC 測(cè)量若干點(diǎn)模塊內(nèi)電池的溫度;22上海汽車2010101 新能源汽車(4 CAN 通信:CSC 將采集到的數(shù)據(jù)上傳給BMU 。BMU 主要功能有:(1 系統(tǒng)電壓測(cè)量

9、:BMU 采集整個(gè)系統(tǒng)的總電壓;(2 電流測(cè)量:BMU 采集整個(gè)系統(tǒng)的電流, 通常通過分流器(shunt 或者霍爾器件(Hall ;(3 絕緣檢測(cè):BMU 測(cè)量電池組對(duì)車身地(vehicle chassis 之間的絕緣電阻, 可通過三電壓法等方式;(4 SOC 預(yù)測(cè)功能:在實(shí)時(shí)充放電過程中, 能在線監(jiān)測(cè)電池組容量, 能隨時(shí)給出電池組整個(gè)系統(tǒng)的剩余容量百分比;(5 SOH 預(yù)測(cè)功能:況, 給出蓄電池組的當(dāng)前容量, 歷壽命等;(6 :SOC , ;(7 :過電流、過壓、欠壓、過溫、單體間電壓/溫度不平衡。在以上故障出現(xiàn)時(shí), BMU 通知給VMS 整車管理系統(tǒng), 請(qǐng)求降功率運(yùn)行或關(guān)斷充放電回路;(8

10、 預(yù)充電:BMU 在閉合高壓接觸器時(shí), 先對(duì)高壓母線預(yù)充電;(9 模塊間平衡:BMU 通過命令控制CSC, 來補(bǔ)償不同模塊間的容量差異;(10 熱管理:BMU 通過電池溫度, 實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱裝置的控制(如風(fēng)冷, 控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速 ;(11 通訊功能:BMU 采用CAN 總線的方式分別與子系統(tǒng)模塊、VMS 整車管理系統(tǒng)及充電器進(jìn)行通訊;(12 充電器控制:BMU 控制充電器的輸出, 并監(jiān)測(cè)整個(gè)充電過程。2. 3電池安全及高壓電2. 3. 1電池安全對(duì)于車用鋰離子電池, 國(guó)標(biāo)和美國(guó)先進(jìn)電池協(xié)會(huì)(US ABC 有嚴(yán)格的濫用性能測(cè)試要求及測(cè)試項(xiàng)目。濫用測(cè)試性能等級(jí)要求從1到7級(jí), 當(dāng)?shù)燃?jí)大于2級(jí), 電池即遭

11、到了不可修復(fù)的損壞。濫用測(cè)試項(xiàng)目分為3大類, 包括機(jī)械、熱和電濫用總共16個(gè)項(xiàng)目。每個(gè)量產(chǎn)的電池產(chǎn)品都必須完成以上濫用測(cè)試。如果車用鋰離子電池系統(tǒng)使用不當(dāng), 如過充、過放、過熱、碰撞等條件下可能產(chǎn)生以下安全隱患:(1 內(nèi)部短路, 應(yīng)用鈷酸鋰的鋰電池在過充時(shí)(甚至正常充放電時(shí) , 鋰離子在負(fù)極堆積形成枝晶, 刺穿隔膜, 形成內(nèi)部短路; (2 產(chǎn)生大電流, 包括外部短路時(shí), 電池瞬間大電流放電, 產(chǎn)生巨大熱量, 內(nèi)部短路, 隔膜穿透, 溫度上升, 短路擴(kuò)大, 形成惡性循環(huán); (3 氣體排放, 如有機(jī)電解液在大電流, 高溫條件下電解, 產(chǎn)生氣體, , 嚴(yán); (4 , , , 。 圖3電池系統(tǒng)溫升產(chǎn)生

12、的原因及可能造成的結(jié)果因此在設(shè)計(jì)車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)時(shí), 應(yīng)從電池材料(包括正負(fù)極材料、隔膜、電解液 、電芯的設(shè)計(jì)和制造(包括電池結(jié)構(gòu)、安全設(shè)計(jì)、均一性 、電池系統(tǒng)的安全功能(包括電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓安全、外殼等 、整車安全功能等不同層面進(jìn)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HV I L車用鋰離子電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 電池管理系統(tǒng)要提供一個(gè)手動(dòng)開關(guān), 手動(dòng)開關(guān)內(nèi)部集成主回路的保險(xiǎn)絲及主回路的高壓互鎖電路。當(dāng)手動(dòng)開關(guān)從電池系統(tǒng)中拔出, 此時(shí)要保證電池系統(tǒng)的輸出端沒有任何潛在的危險(xiǎn)電壓。電池管理系統(tǒng)同時(shí)要為充電器提供另一個(gè)高壓互鎖電路。電池管理系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)控高

13、壓動(dòng)力母線以及充電器的高壓互鎖電路, 電池管理系統(tǒng)提供高壓互鎖電路的輸32上海汽車2010101 新能源汽車出源, 同時(shí)在CAN 網(wǎng)絡(luò)上給出當(dāng)前的高壓互鎖電路的監(jiān)控信息。所有的高壓部件都應(yīng)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(jìn)行連接。2. 3. 3絕緣電阻測(cè)量電池管理系統(tǒng)要實(shí)時(shí)測(cè)量高壓動(dòng)力母線正負(fù)極和車身的絕緣電阻狀態(tài), 并通過CAN 總線上報(bào)當(dāng)前的絕緣電阻值。如果當(dāng)前測(cè)量的絕緣電阻值小于設(shè)定值, 如對(duì)于最高電壓400V 左右的系統(tǒng),絕緣電阻為400K時(shí), 電池管理系統(tǒng)要給出報(bào)警信號(hào), 如果當(dāng)前測(cè)量的絕緣電阻值小于設(shè)定值, 如200K, 電池管理系統(tǒng)要給出危險(xiǎn)信號(hào)并切斷所

14、有的主接觸器。2. 3. 4碰撞安全車輛在行使過程中, 于安全考慮, 關(guān), 供。同時(shí), 、負(fù)極主接觸器及預(yù)充電接觸器的電源負(fù)極。當(dāng)碰撞開關(guān)斷開后, 正極、負(fù)極主接觸器及預(yù)充電接觸器的電源會(huì)被切斷。2. 4電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)根據(jù)不同的油電混合程度以及純電動(dòng)續(xù)駛里程, 車用鋰離子電池系統(tǒng)無論是功率、能量還是體積、重量都有所不同。當(dāng)車輛在不同運(yùn)行工況下, 電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻, 在輸出功率、電能的同時(shí)產(chǎn)生一定的熱量, 使電池溫度升高, 當(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時(shí), 必須限功率工作, 否則會(huì)影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命, 車用鋰電池系統(tǒng)都必須具有熱管理系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)電池?zé)?/p>

15、管理系統(tǒng)時(shí), 一般的要求有:(1 電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義, 電池降功率工作區(qū)間定義;(2 電池低溫啟動(dòng)性能要求; (3 電池隔熱功能;(4 電池主動(dòng)制冷和主動(dòng)制熱功能; (5 制冷和制熱方案, 如風(fēng)冷或液冷。風(fēng)冷方案設(shè)計(jì)主要考慮電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì), 風(fēng)道, 風(fēng)扇的位置及功率的選擇, 風(fēng)扇的控制策略等。液冷方案設(shè)計(jì)主要考慮冷卻管道, 流場(chǎng), 進(jìn)出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調(diào)壓縮機(jī)的控制策略等。2. 5電池系統(tǒng)外形設(shè)計(jì)及布置根據(jù)汽車制造企業(yè)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì), 因不同的車型和可用空間大小要求而設(shè)計(jì), 形狀可適當(dāng)靈活設(shè)計(jì), 一般做成一個(gè)整體比較好, 有利于電池的熱管理, 降低成本,

16、提高電池的熱均衡性, 提高電池的壽命。對(duì)于乘用車, 一般放置位置在車身底盤、。3國(guó)外主要的車用鋰離子電池供應(yīng)商及主推體系、合作企業(yè)相關(guān)信息見表2。表2國(guó)外主要的車用鋰離子電池供應(yīng)商企業(yè)主推體系合作企業(yè)Sony L i N i Co MnOToyota H itachi L i M n 2O 4L i N i CoA l OHondaM I T L i N i Co MnO 三菱重工ENAX L i N i Co Mn /HCMercedes Valence LFP O G M A123LFP O G M JCS L i N i CoA l OG MHD I L i M n 2O 4韓國(guó)現(xiàn)代LG

17、 CHE ML I B /SCG M比亞迪LFP O 比亞迪L i SHENLFP OLFP O從發(fā)展趨勢(shì)看, 大型動(dòng)力鋰離子電池企業(yè)與大型汽車公司合作開發(fā)車用動(dòng)力電池系統(tǒng)已成為潮流。強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手一方面將加強(qiáng)動(dòng)力電池開發(fā)的資本實(shí)力, 保障了產(chǎn)業(yè)化所需要的資金, 另一方面加快了汽車與動(dòng)力電池的接口融合, 將加速其產(chǎn)業(yè)化。4鋰離子電池系統(tǒng)存在的技術(shù)難題和解決措施鋰離子電池是未來車用動(dòng)力電池的首選技42上海汽車2010101 新能源汽車術(shù)。但鋰離子電池仍然處于實(shí)驗(yàn)、限量生產(chǎn)水平, 短期應(yīng)用還存在風(fēng)險(xiǎn), 鋰離子電池應(yīng)用到混合動(dòng)力車上面臨的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)量和可靠性, 包括壽命和潛在安全問題, 從而導(dǎo)致電池生產(chǎn)

18、商和汽車制造商同時(shí)面臨很大的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn), 很多化學(xué)和電池機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行該項(xiàng)研究。如圖4所示, 對(duì)于混合動(dòng)力車, 使用壽命、工作溫度范圍和價(jià)格還有很大挑戰(zhàn), 但在延長(zhǎng)使用壽命方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展并仍在繼續(xù)1 。圖4先進(jìn)鋰離子電池系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與美國(guó)Freedo mC AR 最小助力混合動(dòng)力車能量?jī)?chǔ)存目標(biāo)比較圖對(duì)于電動(dòng)車用電池, 使用壽命、工作溫度范圍和價(jià)格仍然有很大的挑戰(zhàn), 另外能量密度和比能量也存在挑戰(zhàn), 如圖5所示。為了達(dá)到能量需求目標(biāo), 在先進(jìn)的電極方面必須有大的發(fā)展和突破。另外, 包括鋰離子電池系統(tǒng)的高壓安全、電池材料的回收、電池充電技術(shù)等也還面臨著很大的挑戰(zhàn) 。圖5與US ABC 目前全球電動(dòng)車電池技術(shù)發(fā)展有兩大方向:一是從現(xiàn)有的二次電池加以改良, 另一則是開發(fā)新的