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时间:20010-008-277来源::上海汽车车作者::上海捷能能汽车技术术有限
对汽车用动动力锂离子子电池材料料、电池系系统的组成成及设计应应用进行了了介绍,对对国内外锂锂离子电池池系统主要要供应商进进行了综述述,同时对对目前车用用锂离子电电池系统还还存在的主主要问题及及解决方法法进行了探探讨。
1 车用锂锂离子电池池材料
理想的车车用锂离子子电池正负负极材料要要求
电池材料的的物理结构构和化学组组成决定了了它的性能能,理想的车车用锂离子子电池材料料应具备以以下特征::(1)) 具有层层状或隧道道的晶体结结构,以利于锂锂离子的嵌嵌入和脱出出,以保证锂锂离子电池池的循环寿寿命;(22)充放电电过程中,,应有尽可可能多的锂锂离子嵌入入和脱出,,使电极具具有较高的的电化学容容量;((3)在在锂离子进进行嵌脱时时,电池有较较平稳的充充放电电压压;(44)锂离子子应有较大大的扩散系系数,以减少极极化造成的的能量损耗耗,保证电池池有较好的的快充放电电性能;(5)材材料应价格格便宜,对环境无无污染,质量轻,可回收。
车用锂离离子电池正正极材料
目前锂离子子电池正极极材料主要要有:锂钴氧化化物、锂镍镍氧化物、锂锂锰氧化物物、磷酸铁铁锂等,负极材料料主要有石石墨、钛酸酸锂等。不不同锂离子子电池正极极材料性能能比较见表表1。
 
 
从整车安全全和电池成成本考虑,,磷酸铁锂锂是最有可可能在汽车车用动力电电池上应用用的锂电池池正极材料料,其优点有有:
(1) 安安全性好::稳定,即使在过过充电情况况下也不会会产生游离离氧,不和电解解液反应;; 可以放放电到0V,电池池无大的损损伤;与有机电电解液反应应活性低;;热力学稳稳定状态,,4000 ℃以下无变变化。
(2) 稳稳定性高::充放电过过程中,晶体结构构不会发生生变化;三维结构构,Li+二二维移动,,利于锂的的嵌入;充电电压压低,电解液更更稳定,电池副反反应少;循环寿命命长。
(3) 环环保:整个生产产过程清洁洁无毒,所有原料料都无毒。
(4) 价价格便宜::磷酸盐采采用磷酸源源和锂源以以及铁源为为材料,价格便宜宜。
但磷酸铁锂锂材料也存存在以下缺缺点:
(1) 导导电性差::磷酸铁锂锂不能得到到大范围应应用的主要要问题,需往磷酸酸铁锂颗粒粒内部掺入入导电碳材材料或导电电金属微粒粒,或颗粒表表面包覆导导电碳材料料,提高材料料的电子电电导率。
(2) 振振实密度较较低:一般只能能达到1..3~,该缺点点决定了在在小型电池池如手机电电池等没有有优势,主要用来来制作动力力电池。
(3) 电电压平台低低:一般为3..2VV。
目前锂铁电电池正极生生产技术有有以下三种种:(11)在粉体体颗粒表面面以碳元素素涂布;(2)用用金属氧化化物包覆颗颗粒;((3)采用用纳米制程程技术细化化材料颗粒粒,使之微粒粒化。
 
2 车用锂锂离子电池池系统
车用锂离子子电池系统统一般由电电芯及电池池组、电池池管理系统统(BMSS) 、高高压电安全全系统(直流接触触器、熔断断器、预充充电电阻)) 、冷却却系统和检检测单元((电流传感感器、电压压传感器和和温度传感感器)等组成,如图1所示。
 
 
电芯及电电池组
一个典型的的锂离子电电芯主要包包括正极片片、负极片片、正负极极集流体、隔隔膜纸、外外壳及密封封圈、盖板板等,常用电芯芯形状主要要有圆柱形形和方形。
为了满足整整个电池系系统的电压压、能量和和功率要求求,电池组一一般是由若若干个电芯芯按照串联联或并联的的方式组合合起来,每个电芯芯之间由导导线连接,,同时,为了对电电芯的温度度、电流、电电压、荷电电状态(SSOC)等等信息进行行实时监测测,又可以把把电池组分分成若干个个模块,各电芯和和模块之间间以一定方方式科学合合理组合,,保证整个个电池组的的电性能、热热平衡和散散热要求。
电池管理理系统BMMS
电池管理系系统(BMMS)用来来监控和保保护电池的的运行状态态,应该能精精确检测电电池的参数数,包括:单体电压压、模块电电压、电流流、温度。利利用电池模模块和电池池系统的信信息计算并并报告荷电电状态SOOC,寿命命状态SOOH(StatteOffHeaalth)),当前前可用充放放电功率,,并执行对对接触器的的控制。BBMS系统统由BMUU(BattteryyModduleUnitt,又名CECCU,CCenteerEllectrroniccConntrolllerUnitt),CSC(CelllSuupervvisinngCiircuiit,又名名LECUU,LoocalElecctronnicCContrrolUUnit)) 、接触触器、预充充电电阻、保保险丝、电电压传感器器温度传感感器,以及电流流传感器等等模块组成成。图2显示了电电池及其管管理系统与与外部连接接的典型例例子。
 
 
在BMS中中,CSSC主要功功能有:
(1) 单单体/模块电压压采集:一个模块块由若干个个电池单体体串并联组组成,并由一个个CSC监控控,每个CSCC采集模块块内各个单单体的电压压和整个模模块的电压压;
(2) 模模块内平衡衡:CSSC根据判判断模块内内各个单体体的电压,,通常是通通过电阻放放电的形式式,消除模块块间容量的的差异;
(3) 电电池模块温温度检测::CSCC测量若干干点模块内内电池的温温度;
(4)CCAN通信信:CSSC将采集集到的数据据上传给BBMU。
BMU主要要功能有::
(1) 系系统电压测测量:BBMU采集集整个系统统的总电压压;
(2) 电电流测量::BMUU采集整个个系统的电电流,通常通过过分流器((shuunt)或或者霍尔器器件(Haall);
(3) 绝绝缘检测::BMUU 测量电电池组对车车身地(vvehicclecchasssis)之之间的绝缘缘电阻,可通过三三电压法等等方式;
(4)SSOC预测测功能:在实时充充放电过程程中,能在线监监测电池组组容量,能随时给给出电池组组整个系统统的剩余容容量百分比比;
(5)SSOH预测测功能:根据实际际的运行累累积状况,,给出蓄电电池组的当当前容量,,内阻,循环寿命命,日历寿命命等;
(6) 可可充放电功功率计算::BMUU通过不同同SOC,,温度来计计算当前整整车可以放放电和充电电的功率;;
(7) 故故障保护::过电流、过过压、欠压压、过温、单单体间电压压/温度不平平衡。在以以上故障出出现时,BMU通通知给VMMS整车管管理系统,,请求降功功率运行或或关断充放放电回路;;
(8) 预预充电:BMU在在闭合高压压接触器时时,先对高压压母线预充充电;
(9) 模模块间平衡衡:BMMU通过命命令控制CCSC,来来补偿不同同模块间的的容量差异异;
(10)  热管理:BMU通通过电池温温度,实现对散散热装置的的控制(如风冷,控制风扇扇的转速));
(11)  通讯功能能:BMMU采用CANN总线的方方式分别与与子系统模模块、VMMS整车管管理系统及及充电器进进行通讯;;
(12)  充电器控控制:BBMU控制制充电器的的输出,并监测整整个充电过过程。
 
电池安全全及高压电电
..1 电池安全全
对于车用锂锂离子电池池,国标和美美国先进电电池协会((USABBC)有严严格的滥用用性能测试试要求及测测试项目。滥滥用测试性性能等级要要求从1到7级,当等级大大于2级,电池即遭遭到了不可可修复的损损坏。滥用用测试项目目分为3大类,包括机械械、热和电电滥用总共共16个项目目。每个量量产的电池池产品都必必须完成以以上滥用测测试。
如果车用锂锂离子电池池系统使用用不当,如过充、过过放、过热热、碰撞等等条件下可可能产生以以下安全隐隐患:((1)内部部短路,应用钴酸酸锂的锂电电池在过充充时(甚至正常常充放电时时),锂离离子在负极极堆积形成成枝晶,刺穿隔膜膜,形成内部部短路;(2))产生大电电流,包括外部部短路时,,电池瞬间间大电流放放电,产生巨大大热量,内部短路路,隔膜穿透透,温度上升升,短路扩大大,形成恶性性循环;(3)气气体排放,,如有机电电解液在大大电流,高温条件件下电解,,产生气体体,导致内压压升高,严重时冲冲破壳体;;(4))燃烧,金属锂在在壳体破裂裂时与空气气接触,导致燃烧烧,同时引燃燃电解质发发生爆炸。如如图3所示。
 
 
因此在设计计车用锂离离子动力电电池系统时时,应从电池池材料(包括正负负极材料、隔隔膜、电解解液)、电芯的的设计和制制造(包括电池池结构、安安全设计、均均一性)、电池系系统的安全全功能(包括电池池管理系统统、热管理理系统、高高压安全、外外壳等)、整车安安全功能等等不同层面面进行研究究和分析,,确保其在在车上的安安全使用。
..2 高压互锁锁回路HVVL
车用锂离子子电池系统统设计时,,电池管理理系统要提提供一个手手动开关,,手动开关关内部集成成主回路的的保险丝及及主回路的的高压互锁锁电路。当当手动开关关从电池系系统中拔出出,此时要保保证电池系系统的输出出端没有任任何潜在的的危险电压压。电池管管理系统同同时要为充充电器提供供另一个高高压互锁电电路。电池池管理系统统要实时监监控高压动动力母线以以及充电器器的高压互互锁电路,,电池管理理系统提供供高压互锁锁电路的输输出源,同时在CAAN网络上上给出当前前的高压互互锁电路的的监控信息息。所有的的高压部件件都应提供供高压互锁锁的连接装装置,这些高压压互锁连接接装置通过过串行方式式进行连接接。
..3 绝缘电阻阻测量
电池管理系系统要实时时测量高压压动力母线线正负极和和车身的绝绝缘电阻状状态,并通过CAAN总线上上报当前的的绝缘电阻阻值。如果果当前测量量的绝缘电电阻值小于于设定值,,如对于最最高电压4400V左左右的系统统,绝缘电阻阻为4000KΩ时,电池管理理系统要给给出报警信信号,如果当前前测量的绝绝缘电阻值值小于设定定值,如200KΩ,电池管理理系统要给给出危险信信号并切断断所有的主主接触器。
..4 碰撞安全全
车辆在行使使过程中,,碰撞是不不可避免的的。出于安安全考虑,,电池系统统主回路上上必须安装装碰撞开关关,且要求车车用锂离子子电池管理理系统的正正极、负极极主接触器器及预充电电接触器的的电源由碰碰撞开关提提供。同时时,电池管理理系统需要要控制正极极、负极主主接触器及及预充电接接触器的电电源负极。
当碰撞开关关断开后,,正极、负负极主接触触器及预充充电接触器器的电源会会被切断。
电池热管管理系统
根据不同的的油电混合合程度以及及纯电动续续驶里程,,车用锂离离子电池系系统无论是是功率、能能量还是体体积、重量量都有所不不同。当车车辆在不同同运行工况况下,电池系统统由于其自自身有一定定的内阻,,在输出功功率、电能能的同时产产生一定的的热量,使电池温温度升高,,当电池温温度超出其其正常工作作温度区间间时,必须限功功率工作,,否则会影影响电池的的寿命。为为了保证电电池系统的的电性能和和寿命,车用锂电电池系统都都必须具有有热管理系系统。在设设计电池热热管理系统统时,一般的要要求有:
(1)电池池满功率工工作的温度度区间定义义,电池降功功率工作区区间定义;;
(2)电池池低温启动动性能要求求;
(3)电池池隔热功能能;
(4)电池池主动制冷冷和主动制制热功能;;
(5)制冷冷和制热方方案,如风冷或或液冷。
风冷方案设设计主要考考虑电池系系统结构的的设计,风道,风扇的位位置及功率率的选择,,风扇的控控制策略等等。液冷方方案设计主主要考虑冷冷却管道,,流场,进出口冷冷却剂的流流量、温度度、压降。水水泵及整车车空调压缩缩机的控制制策略等。
电池系统统外形设计计及布置
根据汽车制制造企业的的要求进行行设计,因不同的的车型和可可用空间大大小要求而而设计,形状可适适当灵活设设计,一般做成成一个整体体比较好,,有利于电电池的热管管理,降低成本本,提高电池池的热均衡衡性,提高电池池的寿命。对对于乘用车车,一般放置置位置在车车身底盘、车车后座椅及及后备箱之之间或备胎胎空间里。
 
3 车用锂锂离子电池池系统主要要国内外供供应商
国外主要的的车用锂离离子电池供供应商及主主推体系、合合作企业相相关信息见见表2。
 
 
从发展趋势势看,大型动力力锂离子电电池企业与与大型汽车车公司合作作开发车用用动力电池池系统已成成为潮流。强强强联手一一方面将加加强动力电电池开发的的资本实力力,保障了产产业化所需需要的资金金,另一方面面加快了汽汽车与动力力电池的接接口融合,,将加速其其产业化。
 
4 锂离子子电池系统统存在的技技术难题和和解决措施施
锂离子电池池是未来车车用动力电电池的首选选技术。但但锂离子电电池仍然处处于实验、限限量生产水水平,短期应用用还存在风风险, 锂离子子电池应用用到混合动动力车上面面临的主要要挑战是产产量和可靠靠性,包括寿命命和潜在安安全问题,,从而导致致电池生产产商和汽车车制造商同同时面临很很大的经济济风险,很多化学学和电池机机构正在进进行该项研研究。
如图4所示示,对于混合合动力车,,使用寿命命、工作温温度范围和和价格还有有很大挑战战,但在延长长使用寿命命方面已经经取得了显显著进展并并仍在继续续。
 
 
对于电动车车用电池,, 使用寿寿命、工作作温度范围围和价格仍仍然有很大大的挑战,,另外能量量密度和比比能量也存存在挑战,,如图5所示。为为了达到能能量需求目目标,在先进的的电极方面面必须有大大的发展和和突破。
 
 
另外,包括括锂离子电电池系统的的高压安全全、电池材材料的回收收、电池充充电技术等等也还面临临着很大的的挑战。
 
5 展望
目前全球电电动车电池池技术发展展有两大方方向:一是从现现有的二次次电池加以以改良,另一则是是开发新的的燃料电池池。目前车车用动力电电池多数仍仍停留在价价格相对便便宜的铅酸酸电池等传传统产品上上,但随着技技术突破和和生产成本本有效控制制,锂电池质质轻、续航航里程长以以及高能量量密度和输输出功率的的优势逐渐渐浮现,长期来看看将成为发发展主流,,整车厂与与锂离子电电池生产厂厂商合作共共同开发电电池系统是是必然趋势势。
但在锂离子子电池系统统本身存在在的价格、寿寿命、安全全等主要问问题解决之之前,其在新能能源汽车上上的大规模模应用还需需要2~5年。