汽車用動力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

1、汽車用動力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀時間:2010-08-27 來源:上海汽車 作者:上海捷能汽車技術(shù)有限 對汽車用動力鋰離子電池材料、電池系統(tǒng)的組成及設(shè)計應(yīng)用進行了介紹,對國內(nèi)外鋰離子電池系統(tǒng)主要供應(yīng)商進行了綜述,同時對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行了探討。1車用 HYPERLINK /tags.php?/鋰離子電池 鋰鋰離子電電池材料料1. 1理想的的車用鋰鋰離子電電池正負負極材料料要求電池材料的的物理結(jié)結(jié)構(gòu)和化化學組成成決定了了它的性性能,理想的的車用鋰鋰離子電電池材料料應(yīng)具備備以下特特征: (1)具有有層狀或或隧道的的晶體結(jié)結(jié)構(gòu),以利于于鋰離子子的嵌入入和脫出出,以保證證

2、鋰離子子電池的的循環(huán)壽壽命;(2)充充放電過過程中,應(yīng)有盡盡可能多多的鋰離離子嵌入入和脫出出,使電極極具有較較高的電電化學容容量; ( 33)在鋰鋰離子進進行嵌脫脫時,電池有有較平穩(wěn)穩(wěn)的充放放電電壓壓; (4)鋰鋰離子應(yīng)應(yīng)有較大大的擴散散系數(shù),以減少少極化造造成的能能量損耗耗,保證電電池有較較好的快快充放電電性能; (55)材料料應(yīng)價格格便宜,對環(huán)境境無污染染,質(zhì)量輕輕,可回收收。1. 2車用鋰鋰離子電電池正極極材料目前鋰離子子電池正正極材料料主要有有:鋰鈷氧氧化物、鋰鋰鎳氧化化物、鋰鋰錳氧化化物、磷磷酸鐵鋰鋰等,負極材材料主要要有石墨墨、鈦酸酸鋰等。不不同鋰離離子電池池正極材材料性能能比較見

3、見表1。從整車安全全和電池池成本考考慮,磷酸鐵鐵鋰是最最有可能能在汽車車用 HYPERLINK /tags.php?/動力電池 動力力電池上上應(yīng)用的的鋰電池池正極材材料,其優(yōu)點點有:(1)安安全性好好:穩(wěn)定,即使在在過充電電情況下下也不會會產(chǎn)生游游離氧,不和電電解液反反應(yīng);可以放放電到00 V,電池無無大的損損傷;與有機機電解液液反應(yīng)活活性低;熱力學學穩(wěn)定狀狀態(tài), 4000以下無無變化。(2)穩(wěn)穩(wěn)定性高高:充放電電過程中中,晶體結(jié)結(jié)構(gòu)不會會發(fā)生變變化;三維結(jié)結(jié)構(gòu), L ii +二二維移動動,利于鋰鋰的嵌入入;充電電電壓低,電解液液更穩(wěn)定定,電池副副反應(yīng)少少;循環(huán)壽壽命長。(3)環(huán)環(huán)保:整個生生

4、產(chǎn)過程程清潔無無毒,所有原原料都無無毒。(4)價價格便宜宜:磷酸鹽鹽采用磷磷酸源和和鋰源以以及鐵源源為材料料,價格便便宜。但磷酸鐵鋰鋰材料也也存在以以下缺點點:(1)導(dǎo)導(dǎo)電性差差:磷酸鐵鐵鋰不能能得到大大范圍應(yīng)應(yīng)用的主主要問題題,需往磷磷酸鐵鋰鋰顆粒內(nèi)內(nèi)部摻入入導(dǎo)電碳碳材料或或?qū)щ娊鸾饘傥⒘Ａ?或顆粒粒表面包包覆導(dǎo)電電碳材料料,提高材材料的電電子電導(dǎo)導(dǎo)率。(2)振振實密度度較低:一般只只能達到到1. 31. 5,該該缺點決決定了在在小型電電池如手手機電池池等沒有有優(yōu)勢,主要用用來制作作動力電電池。(3)電電壓平臺臺低:一般為為3. 2 VV。目前鋰鐵電電池正極極生產(chǎn)技技術(shù)有以以下三種種: (1

5、)在在粉體顆顆粒表面面以碳元元素涂布布; (2)用用金屬氧氧化物包包覆顆粒粒; (3)采采用納米米制程技技術(shù)細化化材料顆顆粒,使之微微?；?車用鋰鋰離子電電池系統(tǒng)統(tǒng)車用鋰離子子電池系系統(tǒng)一般般由電芯芯及電池池組、電電池管理理系統(tǒng)(BMSS)、高高壓電安安全系統(tǒng)統(tǒng)(直流接接觸器、熔熔斷器、預(yù)預(yù)充電電電阻)、冷卻卻系統(tǒng)和和檢測單單元(電流傳傳感器、電電壓傳感感器和溫溫度傳感感器)等組成成,如圖1所示。2. 1電芯及及電池組組一個典型的的鋰離子子電芯主主要包括括正極片片、負極極片、正正負極集集流體、隔隔膜紙、外外殼及密密封圈、蓋蓋板等,常用電電芯形狀狀主要有有圓柱形形和方形形。為了滿足整整個電池池

6、系統(tǒng)的的電壓、能能量和功功率要求求,電池組組一般是是由若干干個電芯芯按照串串聯(lián)或并并聯(lián)的方方式組合合起來,每個電電芯之間間由導(dǎo)線線連接,同時,為了對對電芯的的溫度、電電流、電電壓、荷荷電狀態(tài)態(tài)(SOOC)等等信息進進行實時時監(jiān)測,又可以以把電池池組分成成若干個個模塊,各電芯芯和模塊塊之間以以一定方方式科學學合理組組合,保證整整個電池池組的電電性能、熱熱平衡和和散熱要要求。2. 2電池管管理系統(tǒng)統(tǒng)BMSS電池管理系系統(tǒng)(BBMS)用來監(jiān)監(jiān)控和保保護電池池的運行行狀態(tài),應(yīng)該能能精確檢檢測電池池的參數(shù)數(shù),包括:單體電電壓、模模塊電壓壓、電流流、溫度度。利用用電池模模塊和電電池系統(tǒng)統(tǒng)的信息息計算并并報

7、告荷荷電狀態(tài)態(tài)SOCC,壽命命狀態(tài)SSOH ( SStatte OOf HHeallth) ,當當前可用用充放電電功率,并執(zhí)行行對接觸觸器的控控制。BBMS系系統(tǒng)由BBMU(Battterry MModuule Uniit,又又名CEECU, Ceenteer EElecctroonicc Coontrrolller Uniit) , CCSC (Ceell Suppervvisiing Cirrcuiit,又又名LEECU, Loocall Ellecttronnic Conntrool UUnitt)、接接觸器、預(yù)預(yù)充電電電阻、保保險絲、電電壓傳感感器溫度度傳感器器,以及電電流傳感感器等模

8、模塊組成成。圖22顯示了了電池及及其管理理系統(tǒng)與與外部連連接的典典型例子子。在BMS中中, CCSC主主要功能能有:(1)單單體/模塊電電壓采集集:一個模模塊由若若干個電電池單體體串并聯(lián)聯(lián)組成,并由一一個CSSC監(jiān)控控,每個CSSC采集集模塊內(nèi)內(nèi)各個單單體的電電壓和整整個模塊塊的電壓壓;(2)模模塊內(nèi)平平衡: CSCC根據(jù)判判斷模塊塊內(nèi)各個個單體的的電壓,通常是是通過電電阻放電電的形式式,消除模模塊間容容量的差差異;(3)電電池模塊塊溫度檢檢測: CSCC測量若若干點模模塊內(nèi)電電池的溫溫度;(4) CCAN通通信: CSCC將采集集到的數(shù)數(shù)據(jù)上傳傳給BMMU。BMU主要要功能有有:(1)系系統(tǒng)

9、電壓壓測量: BMMU采集集整個系系統(tǒng)的總總電壓;(2)電電流測量量: BBMU采采集整個個系統(tǒng)的的電流,通常通通過分流流器( shuunt)或者霍霍爾器件件(Haall) ;(3)絕絕緣檢測測: BBMU測量電電池組對對車身地地(veehiccle chaassiis)之之間的絕絕緣電阻阻,可通過過三電壓壓法等方方式;(4) SSOC預(yù)預(yù)測功能能:在實時時充放電電過程中中,能在線線監(jiān)測電電池組容容量,能隨時時給出電電池組整整個系統(tǒng)統(tǒng)的剩余余容量百百分比;(5) SSOH預(yù)預(yù)測功能能:根據(jù)實實際的運運行累積積狀況,給出蓄蓄電池組組的當前前容量,內(nèi)阻,循環(huán)壽壽命,日歷壽壽命等;(6)可可充放電電

10、功率計計算: BMUU通過不不同SOOC,溫溫度來計計算當前前整車可可以放電電和充電電的功率率;(7)故故障保護護:過電流流、過壓壓、欠壓壓、過溫溫、單體體間電壓壓/溫度不不平衡。在在以上故故障出現(xiàn)現(xiàn)時, BMUU通知給給VMSS整車管管理系統(tǒng)統(tǒng),請求降降功率運運行或關(guān)關(guān)斷充放放電回路路;(8)預(yù)預(yù)充電: BMMU在閉閉合高壓壓接觸器器時,先對高高壓母線線預(yù)充電電;(9)模模塊間平平衡: BMUU通過命命令控制制CSCC,來補補償不同同模塊間間的容量量差異;(10)熱管理理: BBMU通通過電池池溫度,實現(xiàn)對對散熱裝裝置的控控制(如風冷冷,控制風風扇的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速) ;(11)通訊功功能: BMUU

11、采用CAAN總線線的方式式分別與與子系統(tǒng)統(tǒng)模塊、VMS整車管理系統(tǒng)及充電器進行通訊;(12)充電器器控制: BMMU控制制充電器器的輸出出,并監(jiān)測測整個充充電過程程。2. 3電池安安全及高高壓電2. 3. 1電池安安全對于車用鋰鋰離子電電池,國標和和美國先先進電池池協(xié)會(USAABC)有嚴格格的濫用用性能測測試要求求及測試試項目。濫濫用測試試性能等等級要求求從1到7級,當?shù)燃壖壌笥?2級,電池即即遭到了了不可修修復(fù)的損損壞。濫濫用測試試項目分分為3大類,包括機機械、熱熱和電濫濫用總共共16個項項目。每每個量產(chǎn)產(chǎn)的電池池產(chǎn)品都都必須完完成以上上濫用測測試。如果車用鋰鋰離子電電池系統(tǒng)統(tǒng)使用不不當,

12、如過充充、過放放、過熱熱、碰撞撞等條件件下可能能產(chǎn)生以以下安全全隱患: (11)內(nèi)部部短路,應(yīng)用鈷鈷酸鋰的的鋰電池池在過充充時(甚至正正常充放放電時) ,鋰鋰離子在在負極堆堆積形成成枝晶,刺穿隔隔膜,形成內(nèi)內(nèi)部短路路; ( 2)產(chǎn)生大大電流,包括外外部短路路時,電池瞬瞬間大電電流放電電,產(chǎn)生巨巨大熱量量,內(nèi)部短短路,隔膜穿穿透,溫度上上升,短路擴擴大,形成惡惡性循環(huán)環(huán); (3)氣氣體排放放,如有機機電解液液在大電電流,高溫條條件下電電解,產(chǎn)生氣氣體,導(dǎo)致內(nèi)內(nèi)壓升高高,嚴重時時沖破殼殼體; (4)燃燒,金屬鋰鋰在殼體體破裂時時與空氣氣接觸,導(dǎo)致燃燃燒,同時引引燃電解解質(zhì)發(fā)生生爆炸。如如圖3所示。

13、因此在設(shè)計計車用鋰鋰離子動動力電池池系統(tǒng)時時,應(yīng)從電電池材料料(包括正正負極材材料、隔隔膜、電電解液)、電芯芯的設(shè)計計和制造造(包括電電池結(jié)構(gòu)構(gòu)、安全全設(shè)計、均均一性)、電池池系統(tǒng)的的安全功功能(包括電電池管理理系統(tǒng)、熱熱管理系系統(tǒng)、高高壓安全全、外殼殼等)、整車車安全功功能等不不同層面面進行研研究和分分析,確保其其在車上上的安全全使用。2. 3. 2高壓互互鎖回路路HVLL車用鋰離子子電池系系統(tǒng)設(shè)計計時,電池管管理系統(tǒng)統(tǒng)要提供供一個手手動開關(guān)關(guān),手動開開關(guān)內(nèi)部部集成主主回路的的保險絲絲及主回回路的高高壓互鎖鎖電路。當當手動開開關(guān)從電電池系統(tǒng)統(tǒng)中拔出出,此時要要保證電電池系統(tǒng)統(tǒng)的輸出出端沒有有

14、任何潛潛在的危危險電壓壓。電池池管理系系統(tǒng)同時時要為充充電器提提供另一一個高壓壓互鎖電電路。電電池管理理系統(tǒng)要要實時監(jiān)監(jiān)控高壓壓動力母母線以及及充電器器的高壓壓互鎖電電路,電池管管理系統(tǒng)統(tǒng)提供高高壓互鎖鎖電路的的輸出源源,同時在在CANN網(wǎng)絡(luò)上上給出當當前的高高壓互鎖鎖電路的的監(jiān)控信信息。所所有的高高壓部件件都應(yīng)提提供高壓壓互鎖的的連接裝裝置,這些高高壓互鎖鎖連接裝裝置通過過串行方方式進行行連接。2. 3. 3絕緣電電阻測量量電池管理系系統(tǒng)要實實時測量量高壓動動力母線線正負極極和車身身的絕緣緣電阻狀狀態(tài),并通過過CANN總線上上報當前前的絕緣緣電阻值值。如果果當前測測量的絕絕緣電阻阻值小于于設(shè)

15、定值值,如對于于最高電電壓4000V左左右的系系統(tǒng),絕緣電電阻為4400 K時,電池管管理系統(tǒng)統(tǒng)要給出出報警信信號,如果當當前測量量的絕緣緣電阻值值小于設(shè)設(shè)定值,如2000 K,電池管管理系統(tǒng)統(tǒng)要給出出危險信信號并切切斷所有有的主接接觸器。2. 3. 4碰撞安安全車輛在行使使過程中中,碰撞是是不可避避免的。出出于安全全考慮,電池系系統(tǒng)主回回路上必必須安裝裝碰撞開開關(guān),且要求求車用鋰鋰離子電電池管理理系統(tǒng)的的正極、負負極主接接觸器及及預(yù)充電電接觸器器的電源源由碰撞撞開關(guān)提提供。同同時,電池管管理系統(tǒng)統(tǒng)需要控控制正極極、負極極主接觸觸器及預(yù)預(yù)充電接接觸器的的電源負負極。當碰撞開關(guān)關(guān)斷開后后,正極、

16、負負極主接接觸器及及預(yù)充電電接觸器器的電源源會被切切斷。2. 4電池熱熱管理系系統(tǒng)根據(jù)不同的的油電混混合程度度以及純純電動續(xù)續(xù)駛里程程,車用鋰鋰離子電電池系統(tǒng)統(tǒng)無論是是功率、能能量還是是體積、重重量都有有所不同同。當車車輛在不不同運行行工況下下,電池系系統(tǒng)由于于其自身身有一定定的內(nèi)阻阻,在輸出出功率、電電能的同同時產(chǎn)生生一定的的熱量,使電池池溫度升升高,當電池池溫度超超出其正正常工作作溫度區(qū)區(qū)間時,必須限限功率工工作,否則會會影響電電池的壽壽命。為為了保證證電池系系統(tǒng)的電電性能和和壽命,車用鋰鋰電池系系統(tǒng)都必必須具有有熱管理理系統(tǒng)。在在設(shè)計電電池熱管管理系統(tǒng)統(tǒng)時,一般的的要求有有:(1)電池池

17、滿功率率工作的的溫度區(qū)區(qū)間定義義,電池降降功率工工作區(qū)間間定義;(2)電池池低溫啟啟動性能能要求;(3)電池池隔熱功功能;(4)電池池主動制制冷和主主動制熱熱功能;(5)制冷冷和制熱熱方案,如風冷冷或液冷冷。風冷方案設(shè)設(shè)計主要要考慮電電池系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)的的設(shè)計,風道,風扇的的位置及及功率的的選擇,風扇的的控制策策略等。液液冷方案案設(shè)計主主要考慮慮冷卻管管道,流場,進出口口冷卻劑劑的流量量、溫度度、壓降降。水泵泵及整車車空調(diào)壓壓縮機的的控制策策略等。2. 5電池系系統(tǒng)外形形設(shè)計及及布置根據(jù)汽車制制造企業(yè)業(yè)的要求求進行設(shè)設(shè)計,因不同同的車型型和可用用空間大大小要求求而設(shè)計計,形狀可可適當靈靈活設(shè)計計,

18、一般做做成一個個整體比比較好,有利于于電池的的熱管理理,降低成成本,提高電電池的熱熱均衡性性,提高電電池的壽壽命。對對于乘用用車,一般放放置位置置在車身身底盤、車車后座椅椅及后備備箱之間間或備胎胎空間里里。3車用鋰鋰離子電電池系統(tǒng)統(tǒng)主要國國內(nèi)外供供應(yīng)商國外主要的的車用鋰鋰離子電電池供應(yīng)應(yīng)商及主主推體系系、合作作企業(yè)相相關(guān)信息息見表22。從發(fā)展趨勢勢看,大型動動力鋰離離子電池池企業(yè)與與大型汽汽車公司司合作開開發(fā)車用用動力電電池系統(tǒng)統(tǒng)已成為為潮流。強強強聯(lián)手手一方面面將加強強動力電電池開發(fā)發(fā)的資本本實力,保障了了產(chǎn)業(yè)化化所需要要的資金金,另一方方面加快快了汽車車與動力力電池的的接口融融合,將加速速其產(chǎn)業(yè)業(yè)化。4鋰離子子電池系系統(tǒng)存在在的技術(shù)術(shù)難題和和解決措措施鋰離子電池池是未來來車用動動力電池池的首選選技術(shù)。但但鋰離子子電池仍仍然處于于實驗、限限量生產(chǎn)產(chǎn)水平,短期應(yīng)應(yīng)用還存存在風險險,鋰離離子電池池應(yīng)用到到混合動動力車上上面臨的的主要挑挑戰(zhàn)