电动汽车用锂离子蓄电池组的选型匹配

0 引言
节能和环保是目前汽车技术研究的主要方向，电动汽车要实现商业规模化并占有更多的市场份额，动力电池是制约电动汽车技术发展的瓶颈。作为电动汽车最关键的零部件，动力蓄电池包必须满足安全性好、性能高、价格低廉和寿命长等要求。目前世界各地都在做相应的研究和开发，以期改善蓄电池的特性。即使性能最好的蓄电池单体，组合成蓄电池包同样会导致蓄电池包整体的性能、寿命和安全性能降低。因此，做好蓄电池包的选型匹配工作是非常有必要的。
1 锂离子蓄电池的安全性分析
安全性是锂离子蓄电池的最大关注点。由于电池的比能量高，且电解液大多为有机易燃物，当电池生热的速度大于散热速度时，就会有可能出现安全问题[1]。因此对于车辆上使用的蓄电池应该有更严格的要求。
1.1 电池设计对锂离子蓄电池安全性的影响
随着锂离子动力电池循环的进行，电池容量逐步降低，内阻增大，正极相对负极而言有较大的结构变化，与此同时，负极表面的SEI膜增厚，在循环的末期有锂和锂的化合物沉积。即使新电池在出厂时能通过安全性试验，但是电池在使用的后期不一定再能通过，这是因为在使用过程中正负极活性物质发生结构性变化，在使用后期会析出金属锂; 在电化学循环过程中，极带表面敷料的不均匀性易造成金属锂的不均匀沉积而形成枝晶，引发安全问题。欲获得更为可靠和安全的锂离子动力蓄电池包，在设计时就必须考虑时效性，尤其是考虑电池在使用后期的安全性。
电池的使用环境对电池的安全性能起着关键性的作用，尤其是电池在误用或滥用条件下。长期使用的蓄电池的耐热扰动及耐滥用能力变差，为了避免电池在滥用时内部物质反应产生大量的热，需对不同结构的电池采用针对性设计。
对于圆柱与方形钢壳结构的锂离子电池，具有安全阀结构设计，当电池内部产生大量的气体时，安全机构就会启动。此外，还可以降低电池温度以消除热失控。而对于铝塑包装膜电池，由于内部没有保护装置，对电池的设计要求更加苛刻。当发生误用与滥用时，随着化学反应产生的气体逐步增大，会将包装膜鼓胀或将铝膜焊封位置鼓破而泄压，以保证蓄电池的使用安全。
1.2 电池材料对锂离子蓄电池安全性的影响
电池材料的热稳定性是影响锂离子动力电池安全性的重要因素，主要跟电池材料的热稳定性相关。当电池的温度升高时，电池内部就有热反应发生，如果产生的热量超过了散失的热量，就会发生热逸溃[2]。

正负极材料的结构对锂离子的嵌入和脱出有着决定性影响，因而影响电池的循环寿命，如图1所示。使用容易脱嵌的活性材料，充放电循环时活性材料的结构变化小且可逆，有利于延长电池的寿命[3]。在锂离子电池滥用的条件下，随着电池内部温度的升高，发生正极活性物质的分解和电解液的氧化。这两种反应将产生大量的热，从而导致电池温度的进一步上升。同时不同的脱锂状态对活性物质晶格转变、分解温度和电池的热稳定性影响相差很大。寻找热稳定好的正极材料是锂离子动力电池的关键。

图1 锂离子电池结构示意图

2 蓄电池成组选型
蓄电池作为EV、HEV、PHEV上的动力电源，必须要具有足够的能量，但是单体电芯又无法满足该能量需求，因此就需要大量的单体电芯进行串并联组合。电池包的设计要考虑到电池组的重量、体积以及在车辆空间上的分配等。
电池包的结构有很大的多样性，这主要是因为所选取电芯的种类繁多，形状大小不一，不同车辆上需求的电芯数量不一，车辆上有效装载电池包的空间不同，还有要考虑到散热加热设计等等因素。在设计电池包时，主要是根据所选取电芯的形状、数量，合理的排列摆放方式，以及电池包在车辆上的有效装载空间来确定。
2.1 电动车辆对电池性能的要求
（1）纯电动汽车对电池的工作要求
纯电动汽车行驶完全依赖电池提供能量，电池容量越大，续驶里程就越长，所需电池包体积、重量也越大。纯电动汽车要根据设计目标、道路情况和行驶工况的不同来选配电池。
① 电池包要有足够的能量和容量。
② 电池要能够实现深度放电(例如80％)而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功率和全放电。
③ 需要安装电池管理系统和热管理系统，显示电池组的剩余电量和实现温度控制。
④ 由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。
（2）混合动力汽车对电池的工作要求
混合动力汽车与纯电动汽车相比对电池的容量要求有所降低，但要能够根据整车要求实时提供更大的瞬时功率，即要实现“小电池提供大电流”。由于混合动力汽车构型的不同，串联式和并联式混合动力汽车对电池的要求又有差别。
① 串联式混合动力汽车完全由电机驱动，内燃机—发电机总成与电池组一起提供电机需要的电能，电池SOC处于较高的水平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要小一些。
② 并联式混合动力汽车内燃机和电机都可直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶需求可以由不同的动力组合结构来满足。动力电池的容量可以更小，但是要求电池组瞬时提供的功率能满足汽车加速或爬坡要求，电池的最大放电电流有时可能高达20C以上。
在不同类型的混合动力汽车上，由于工作环境、汽车构型、工作模式的复杂性，对混合动力汽车用动力电池提出统一的要求是比较困难的，但一些典型、共性的要求可以归纳如下：
1) 电池的峰值功率要大，能短时大功率充放电。
2) 循环寿命要长，达到1000次以上的深度放电循环和40万次以上的浅度放电循环。
3) 电池的SOC应尽可能保持在50％~85％的范围内。
4) 需要配备电池管理系统和热管理系统。
(3) 可外接充电式混合动力汽车(PHEV)对电池的工作要求
PHEV对动力电池的要求要兼顾纯电动和混合动力两种模式。如图2所示，PHEV在设计上既要实现城市里以纯电动模式的行驶又要实现在高速公路上以混合动力模式的行驶(电池电量也在消耗)。PHEV期望纯电动工作模式的行驶里程达到几十公里，而且期望电池在低SOC时也能提供很高的功率水平。

图2  PHEV 的工作模式

图3  PHEV、EV和HEV对电池要求的差别

图3给出了PHEV、EV和HEV对电池的要求在功率密度和能量密度上的差别。从成本上讲，由于电池成本高，PHEV的售价会比传统汽车和无纯电动模式的混合动力汽车高，用户也会期望PHEV电池性能好、寿命长。可见，PHEV对电池的要求是非常高的。
2.2 电池包形状及在车上的装载位置
由于组成电池包的电芯形状各异，数量不一，排列固定的方式不同，以及电池包散热通风管路系统的设计不同，使得电池包的形状各不相同，如图4所示。电池包除了其装载固定电池的作用外，还起着要起到密封、防水、保护电池免受外界冲击、外界热量干扰等功能。 因其在车辆上装载的空间位置不一，导致电池包的结构具有很大的多样性。

图4 不同类型的电芯、模组和电池包

图5 电池包形状及在车上的安装位置

此外，整车厂确定电池包形状时不仅要考虑到电芯的规格性能还要考虑到电池包在整车的安装位置等，如图5所示。
2.3 单体电芯的性能比较
究竟是采用单体大容量电芯技术方案还是小容量电芯并联技术方案一直是业内人士争论的问题。采用哪种技术路线取决于是电池成组后的结果，是否在性能、体积、重量、价格、安装等方面具有优越性。
（1）不同容量单体电芯的比较
在PHEV、HEV和EV的电池包上使用单体大容量电芯与小容量电芯并联是有很大差别的。采用单体大容量电芯存在装配成本低，电池成本高，不利于散热等方面的不足；而小容量的电芯成本低，安全性能好。目前有些企业采用上万只“18650”小电芯串并联组成动力电池组，主要基于小电芯技术成熟，已在笔记本电脑等产品上获得较长时间的应用考验，电池的一致性好。但作为电动汽车用动力电池来讲，它们之间有太多的连接，需要更高的集成和装配成本。
（2）圆柱形与棱柱形单体电芯的比较
从电芯的外形来说主要分圆柱形和棱柱形，这不是一个单纯的设计问题，而是要综合考虑电池的电化学机理、电池的热学特性。电磁场特性、电池的材料、电芯生产设备的成熟性可靠性等因素。
从动力电池产业链来看，小型圆柱形电芯的生产工艺和设备要比棱柱形电芯的成熟度高，且电芯具有较高的布置灵活性，可满足安装电池包空间的形状变化需求。但电池模块集成，电池包集成和车载应用等方面就有些困难。棱柱叠片技术可以更好的把电芯内部的热量散发出来，有利于温度分布的一致性，从模块的角度上讲，有利于将单体散热与模块及电池包的冷却系统相结合，满足新能源汽车长循环寿命的要求。
综上所述，要发挥好锂离子蓄电池的最佳性能，需要考虑制造效率、自动化程度、包装、电化学、热能分析、安全、检测控制以及与车辆其它部分接口等诸多因素，具体问题具体权衡分析。
3 蓄电池热管理的结构设计
热管理是电池在高低温环境下运行获得理想性能和寿命的重要因素。热管理在不同的气候条件下，不同的车辆运行条件下，确保电池组在安全的温度范围内运行，而且还保持电池温差变化在小范围内波动(例如，低于5℃)。与此同时热管理相应的冷却和加热系统也增加了电池包的成本、重量和体积。因此，我们在电池包的设计中，必须根据锂电池的热特性合理选取锂电池类型，并针对所选取电池的热特性来根据有利于热均衡的原则合理的设计电池包冷却散热管理系统结构。同时保证所设计的系统具有结构简单、可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。同时我们也应该分析清楚不同类型锂电池的热特性，然后根据热特性相应设计合适的热管理系统。
4 结论
选取合适的类型、恰当的模块化模式、合适的排列摆放以及封装方式才能使得电池包发挥出电池的最佳性能。若选取不当会直接导致电池包的性能下降、成本升高、并且存在安全隐患。此外还必须考虑到机械、包装、电、热、安全、监测和控制方面以及与车辆其它部分的接口等问题。作为整车厂的我们也需要电池制造商的协同努力，共同匹配出适合于电动汽车使用的动力电池。

参考文献
[1] Shin—ichi Tobishima， Jun—chic Yamaki． A consideration of lithium ion safety[J]．Journal of Power Sources，81-82：882- 886
[2]唐致远，管道安，张娜，邓艳波．锂离子动力电池的安全性研究．化工进展24 (10) ：1098
[3]庞静，刘伯文，卢世刚．锂离子电池性能研究现状与进展．电池，289-291。

基金项目：“十二五”863计划电动车重大专项“A0级小型城市纯电动轿车开发”课题编号：2012AA111202。
作者简介：朱永利（1971~）工程师

（朱永利  吕彦玲)
（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心  河北保定 071000）