鋰電單體和系統(tǒng)集成知識

鋰電系統(tǒng)研究所陳保貴鋰電單體及系統(tǒng)集成知識目錄一、鋰電池單體性能二、大容量電池與小容量電池并聯(lián)特征三、小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較四、不同結(jié)構(gòu)的電池特性五、電池組合形式六、純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)動力型圓柱電池規(guī)格表1鋰電池單體性能類別型號標(biāo)稱電壓（V)標(biāo)稱容量(mAh)內(nèi)阻

(mΩ)最大充電電流(A)最大持續(xù)放電電流(A)上限電壓(V)截止電壓(V)充電溫度（℃）放電溫度（℃）尺寸（mm）動力型圓柱系列INR18650P3.61500≦253C20C4.22.750-45-20℃～60℃18.2±0.2*65.0±0.5INR18650P3.61300≦253C20C4.22.750-45-20℃～60℃18.2±0.2*65.0±0.5INR18500P3.61100≦253C20C4.22.750-45-20℃～60℃18.2±0.2*50.0±0.5INR14500P3.6600≦253C20C4.22.750-45-20℃～60℃14.1±0.2*50.0±0.5容量型圓柱鋰電池規(guī)格表1鋰電池單體性能類別型號標(biāo)稱電壓（V)標(biāo)稱容量(mAh)內(nèi)阻(mΩ)最大充電電流(A)最大持續(xù)放電電流(A)上限電壓(V)截止電壓(V)充電溫度（℃）放電溫度（℃）尺寸（mm）容量型圓柱系列IFR26650H3.23600≦351C2C3.6520-45-20℃～60℃26.2±0.2*65.0±0.5IFR266503.23000≦351C2C3.6520-45-20℃～60℃26.2±0.2*65.0±0.5IFR18650H3.21800≦701C2C3.6520-45-20℃～60℃18.2±0.2*65.0±0.5IFR186503.21500≦701C2C3.6520-45-20℃～60℃18.2±0.2*65.0±0.5ICR185003.61500≦701C2C4.22.750-45-20℃～60℃18.2±0.2*50.0±0.5ICR186503.62200≦701C2C4.22.750-45-20℃～60℃18.2±0.2*65.0±0.5ICR186503.62400≦701C2C4.22.750-45-20℃～60℃18.2±0.2*65.0±0.5大容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)組合方便指標(biāo)占優(yōu)勢（體積比能量、質(zhì)量比能量等）組合方便，僅需考慮串聯(lián)組合★缺點(diǎn)工藝復(fù)雜，合格率低內(nèi)部電流密度、溫度的分布均勻性部分結(jié)構(gòu)電池（如軟包裝等，引流能力受限）小容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)電池表面積/體積大，散熱性能好圓柱：比表面積/體積=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半徑；方形電池時(shí)，比表面積/體積=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、c分別指電池的長、寬、高）安全系數(shù)高★缺點(diǎn)大容量電池需并聯(lián)應(yīng)用串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)復(fù)雜，組合成本高串并聯(lián)組合體積大，影響部分應(yīng)用電動汽車對電池安全性的要求★安全性是電動汽車第一指標(biāo)?！镫妱悠囯姵氐氖褂锰攸c(diǎn)：高速移動、劇烈震動、高溫工作、快速充放電，潛在著撞擊、刺傷、短路、跌落、浸水、火燒、甚至槍擊的可能性。★因此，電動汽車對動力電池的安全性要求極高，對百萬分之一的非安全概率都會造成極其嚴(yán)重的后果，它意味著大陸年產(chǎn)100萬輛新能源汽車每年都要發(fā)生多起安全事故。★對鋰動力電池科研、生產(chǎn)、使用過程：召回制度、安全隱患對鋰電池企業(yè)是致命性的打擊?！锇踩?、安全、再安全是鋰動力電池永久的話題。3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較世界上沒有絕對安全的電池★電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不安全因素?！锊煌碾娀瘜W(xué)體系，不同的容量，使用工藝參數(shù)，使用環(huán)境，使用程度，都對安全性有較大的影響?！锼械陌踩跃c溫度有關(guān)：控制溫度的重要性?！锼须姵匕ㄒ淮坞姵?、各類二次電池，均存在安全性問題3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較安全性本質(zhì)：電池中的能量以20Ah鋰離子電池為例:★

20Ah（3.6V）

72Wh259.2KJ★

1克TNT4.20KJ★

20Ah鋰離子電池的能量

61.7克TNT能量3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較20Ah鋰離子電池僅存儲的電能相當(dāng)于61.7克TNT炸藥的能量。以上計(jì)算還未計(jì)電解液燃燒所含能量，及正極活性物質(zhì)分解的能量。電解液的能量★鋰離子電池的電解液用量

6mL/AH★汽油的密度

0.71克/mL★

1克汽油

42KJ★

1克TNT4.183KJ★

1Ah電池的電解液能量

178.9KJ★

1Ah電池的電解液能量

42.6克TNT★

20Ah電池的電解液能量

832克TNT3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較注意：該能量不具備直接爆炸條件安全性結(jié)論1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差2、保護(hù)措施

外置保護(hù)電路內(nèi)裝置PTC（但會增加電池內(nèi)阻）電解液添加阻燃劑（會影響電池性能）3、熱管理的重要性4、外部保護(hù)不能解決電池內(nèi)部問題

電池設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

PACK設(shè)計(jì)3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較安全性比較★小容量電池容易實(shí)現(xiàn)過充過放保護(hù)措施(單體電池保護(hù)設(shè)計(jì)）電池容量低，出現(xiàn)問題能量釋放少，對周圍電池影響小★大容量電池保護(hù)措施少內(nèi)部問題釋放能量大，連鎖反應(yīng)引起周圍電池故障，安全失控3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較4不同結(jié)構(gòu)的電池特性圓柱形方形軟包裝安全性安全閥雙重保護(hù)，PTC泄氣閥外殼保護(hù)耐壓性高中差功率性能好較好一般組合體積大小小組合成本高低低形狀標(biāo)準(zhǔn)殼體金屬或塑料殼體，改變較難可以制作成各種大小電池散熱性能良好一般差工藝性成熟，易于自動化生產(chǎn)一般一般組合特點(diǎn)體積大，散熱表面大組合體積小，組合工藝簡單組合工藝較簡單，機(jī)械強(qiáng)度低應(yīng)用領(lǐng)域廣泛（動力類及消費(fèi)類）動力電池動力電池電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性

軟包裝

圓柱

方形電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性代表性廠家4不同結(jié)構(gòu)的電池特性★圓柱形產(chǎn)品：A123、Valance、力神、CENS、微宏、新太行等★方形電池：星恒、雷天、洛陽天空、力神、ATL、國軒等★軟包裝：中信國安、萬向、雙登、豐江、環(huán)宇等相對來講，純電動汽車用軟包裝（方形外殼）和方形電池居多，混合電動車用圓柱和方形（金屬殼體）居多。圓柱電池組合形式5電池組合形式拼裝卡板模塊內(nèi)部組合示意圖方形電池組合形式5電池組合形式軟包裝電池組合形式5電池組合形式串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)注意點(diǎn)5電池組合形式★如何降低電池組合的內(nèi)阻★串聯(lián)容量的一致性★并聯(lián)內(nèi)阻的均勻性★單體電池電流的均勻性動力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的6純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求，為其提供具有最佳使用性能的動力電源系統(tǒng)?！锇踩砸蟆镫娦阅芤蟆镫姵剡x型與系統(tǒng)配置要解決的問題6純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)★在允許的尺寸、重量范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使其滿足整車系統(tǒng)的用電要求★尋找簡單可行的工藝★降低成本★在條件許可的情況下，提高產(chǎn)品的技術(shù)性能★克服和解決環(huán)境污染問題設(shè)計(jì)流程6純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定的參數(shù)與解決的問題6純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）電氣特性：標(biāo)稱電壓及運(yùn)行電壓范圍標(biāo)稱容量及可用容量范圍電源系統(tǒng)常規(guī)放電電流電源系統(tǒng)充電要求（2）功率特性電源系統(tǒng)最大輸出功率及持續(xù)時(shí)間電源系統(tǒng)最大反饋功率及持續(xù)時(shí)間（3）環(huán)境特性電源系統(tǒng)使用溫度范圍充電溫度范圍貯存溫度范圍確定的參數(shù)與解決的問題6純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（4）物理特性電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與尺寸電源系統(tǒng)質(zhì)量其他機(jī)械性能、防護(hù)性能等要求（5）BMS要求

BMS具備的管理與保護(hù)功能（最大程度避免電池過充過放）

電池的SOC、SOH判斷通訊方式及收發(fā)器件設(shè)計(jì)要求

電氣控制要求及通訊協(xié)議（6）整車接口要求物理接口：包括電池安裝、固定方式、冷卻介質(zhì)的空間走向、相關(guān)管路電氣接口：包括整車線束定義及技術(shù)規(guī)范、連接件的型號及管腳定義通訊接口：包括與整車的通訊、BMS內(nèi)部通訊、與充電機(jī)通訊需要了解的整車信息6純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對整車的了解越詳細(xì)，設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)