电动汽车用锂离子蓄电池包及蓄电池选型

作者：车杜兰 周荣 乔维高    来源：《汽车与配件》

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 目前混合动力车(HEV)和插电式混合动力车(PHEV)在商业上大规模生产和获得更多市场份额的主要障碍是蓄电池。电动车所用的蓄电池必须具有性能高、廉价、寿命长、安全性能高等特点。锂离子蓄电池最有可能应付这些挑战。目前，世界各地都在做相应的研究和开发，以改善蓄电池的特性。但是即使是性能最好的蓄电池，组合成很差的蓄电池包也可能导致蓄电池包整体的性能、寿命降低，安全性变差而导致成本增加。此外我们还必须考虑到机械、包装、电、热、安全、监测、控制以及与车辆其它部分的接口等方面问题。 蓄电池包一般是由蓄电池模块或单体电池组成。一个蓄电池模块又由多个单体电池组成。蓄电池装载在一个有电子和热控制的箱体中，这个箱体内还有整个蓄电池系统与车辆其它组成部分的接口设施以及蓄电池管理系统。每个模块也有其适当的包装、热控制和机械或电子设备。这个装载有蓄电池、热控制和电子设备以及其它部件的箱体就是我们通常所说的蓄电池包。 蓄电池选取 锂离子蓄电池的包装应该考虑到以下几点：蓄电池模块单体电池之间的互连设计；蓄电池、蓄电池模块与电子元件相互之间连接的具体设计；结构上受冲击和振动的保护；如何对蓄电池包进行碰撞保护；选择理想的固定在车辆的位置；与车辆其它组成部分的机械接口设计。因此在蓄电池的最初设计中，就必须考虑到：安全性(滥用限制)；整个系统的包装费用；对包装的寿命和耐用性的影响；包装的可回收和再利用性；制造的成本；维修/修理方便性；散热管理(因为温度影响蓄电池寿命和性能)；电子监测和控制；显示性能、容量、衰退等的计量设施等。所以在最初选用合适类型的蓄电池，对于蓄电池包的包装、互连设计、散热管理等都是非常有意义的。 蓄电池的安全性 安全性是锂离子蓄电池的最大关注点。在滥用试验中，过电压，过充，过放，过热，钉穿刺，外部短路，或内部短路缺陷等都可能导致蓄电池热失控和电解质泄漏，产生烟雾、开孔、火灾、甚至爆炸。对于在车辆上应用的蓄电池我们应该严格要求。虽然目前通过改进蓄电池正负极材料，添加能提高安全性能的添加剂和通过有效的电子和机械控制几乎可以消除或大大减少事故发生的可能性，但由于如过压和挤压以及热失控造成内部短路仍然需要特别关注。因此应该针对性的对蓄电池包进行相应设计，减少这些情况的影响，提高蓄电池包的安全性。 少量大容量锂离子蓄电池单体电池与众多小容量锂离子蓄电池单体电池比较 在PHEV、HEV和EV上使用大量小容量锂离子蓄电池单体电池与使用少量大容量锂离子蓄电池单体电池是有差别的。例如，Energy CS在PHEV蓄电池包内使用超过2000个小18650单体电池(2Ah)。而克莱斯勒公司则在PHEV蓄电池包上使用200个大得多的单体电池(41Ah)。使用大量小容量单体电池具有一定优势，例如电池成本较低(目前商品市场上多为小容量单体电池)，安全性较好(能更快的散热)，由于蓄电池单元小则安全事故规模小以及电池生产加工的品质高等。但也有很多缺点，其中包括单体电池间有太多连接，需要更高的集成和装配成本，重量体积比低，可靠性差(组成部分多，且有些多余)，需要昂贵的电气管理等。使用较少的大容量单体电池具有一些优势，例如装配成本低、重量和体积比高、可靠性高(因为减少了若干连接部分)。但是，缺点在于蓄电池的成本较高，质量较低，散热管理变得更加困难，而且会出现规模较大的安全事故。最后决定使用哪种必须根据具体应用权衡分析。 圆柱形与棱柱形单体电池比较 使用圆柱型锂离子蓄电池单体电池与棱柱(或叠压板)型锂离子蓄电池单体电池也是有差别的。圆柱型单体电池可大量生产且具有高品质。但是，随着各种车辆可装载蓄电池包空间的形状因素变化的需要，成本优势就减少了。圆柱型设计坚固耐用且结构强韧，特别是抗锤击、冲击和振动，能防止安全事故发生。随着圆柱型单体电池卷绕面积变大，其外部可散热的表面积与内部卷绕层面积比相对减小; 因此，传热能力下降且内部温度梯度增加。棱柱或叠压板的设计具有较高的外部可散热的表面积与内部叠绕层面积比，更易进行热管理。并且棱柱形单体电池可比圆柱单体电池提供更高的包装体积效率。但是，如果棱柱形单体电池使用的是软膜包装，还必须在设计中考虑到防止局部应力，抵抗锤击、冲击和振动等。相应设施可能会增加体积和重量，降低了软膜包装棱柱形单体电池的体积优势。 蓄电池热分析 热管理是蓄电池在低温环境和高温环境获得理想性能和寿命至关重要。高温降低锂离子蓄电池的性能和寿命，从而限制车辆的驱动范围(续驶里程)或性能。热管理系统在低温下对蓄电池加热，在高温下对蓄电池进行散热冷却。热管理相应的冷却和加热系统增加了蓄电池包的成本、重量和体积。热管理不仅是为了保持蓄电池的最大温度低于限值，而且还保持单体电池之间的温度均匀性。为改善蓄电池包热场均衡，这种温差变化需要在小范围内波动(例如，低于5℃ )。因此我们在蓄电池包的设计中，必须根据锂离子蓄电池的热特性合理选取锂离子蓄电池类型，并针对有利于热均衡的原则合理地设计蓄电池包冷却、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。 同种蓄电池不同温度条件下热耗率比较 同一种蓄电池在不同温度下热耗率(每产生1kW·h的电能所消耗的热量)是不一样的，这是因为电池内部的化学反应与温度密切相关。如图3所示，环境温度对蓄电池性能是很有影响的。周围环境温度较低，蓄电池运行时会自身反应产生的热量较多。在蓄电池正常运行温度范围内，环境温度越高蓄电池自身产生的热量相对越少，所消耗的化学能越少，效率较高。这是因为蓄电池与周围环境存在着热交换。热管理就应该保证蓄电池在自己的最佳运行温度范围环境中运行以提高蓄电池效率，同时保证所有蓄电池周围运行温度环境的一致性以确保所有蓄电池的运行状况一致。 同类型蓄电池不同形状的比较 长方形蓄电池一般是叠压型，圆柱形蓄电池是卷绕型。它们的封装方式各不一样，热特性由于结构不同存在相应差异。不同大小形状的圆柱与长方形蓄电池的热分布是不相同的。由于散热表面积大小不同，蓄电池内部的热梯度也不同。图2的长方形蓄电池W/L大亦即有较大的散热表面积，内部的温差较小，散热性能较好。 鉴于形状不同的圆柱形锂离子蓄电池温度场比较更加直观，我们分析同类型不同半径 、不同大小容量的圆柱形蓄电池在同一车辆行驶状态下的内部温度场。这里两个20Ah的蓄电池并联就相当于一个40Ah的蓄电池。 如图3所示，可以看出40Ah蓄电池内部有17℃的内部温差和16%的电流密度不均衡。而两个20Ah蓄电池并联的同等容量蓄电池组，单体电池内部只有10℃的温差和6%的电流密度差。大容量电池温度梯度更大，这主要是由于电池的散热表面积比例相对减少而造成的。并且实验分析得出并联的两个20Ah蓄电池比一个40Ah的蓄电池使用寿命要长。这就说明了应用小容量蓄电池的部分优势。 同种蓄电池不同模块化方式的比较 蓄电池包有时是由许多单体电池组成的蓄电池模块组成的。单体电池的热特性各不相同，在它们组成蓄电池模块后，由于组合数量，排列方式以及封装方式不同蓄电池模块的热特性也差异很大。因此我们在选取恰当单体电池的同时还要考虑组成模块的方式、单体电池数量、电池摆放排列和封装方式等。 我们对一组生热量较小的用于EV的力神棱柱形液态锂离子蓄电池组在无通风状态下的温度场进行仿真热分析。模拟满充电池在1C恒流放电至截止电压状态下的蓄电池组(模块)温升情况。 理想的蓄电池包温度场分布如图4。即假设保证每个蓄电池表面与外界的热交换边界条件相同。 实际上蓄电池成组密集摆放，四周与中心的散热条件不同。各个蓄电池表面散热边界条件不同，从而造成整体存在温差，即中间产生热量集聚温度高，边缘温度低的现象(如图5)。 少量单体电池组成蓄电池模块后，温度不均衡相对较小。组成模块的单体电池数量越大，热量集聚的现象越明显。如图6所示，当大量单体电池密集摆放就会出现较大的温度不均匀性，蓄电池包内蓄电池模块内单体电池温差就会越大，有45℃之大。而少量单体电池组成蓄电池模块密集摆放在一起，温差只有1℃左右。 此类蓄电池属于发热量较小的应用于EV的小容量蓄电池，并且是在发热量较小的车辆运行状态下没有采取强制冷却的蓄电池模块。实际车辆行驶中蓄电池运行情况复杂，发热量大幅增加。对于发热量较大的应用于PHEV的大容量蓄电池，单体电池电流较大，生热率更高，密集摆放后造成的温度不均衡现象就会更加明显。模块间，单体电池间的温差将会加大。严重影响蓄电池的一致性，同时还造成安全隐患，这使得蓄电池模块整体性能大幅降低。这时就必须进行有效的蓄电池模块热管理，采取风冷和液冷，必要时还要采取性能更佳的相变材料作为传热介质来进行热管理。因此我们在选取合理的单体电池类型后还要根据蓄电池特性选取恰当的模块化方式，选取合适的单体电池数量、摆放排列方式以及模块封装方式等。 蓄电池包应该合理设计才能发挥出蓄电池的最佳性能，还要考虑到机械，包装，电，热，安全，监测和控制多方面以及与车辆其它部分的接口等问题。我们在选取蓄电池时，就应该充分考虑到选取合适的类型、恰当的模块化模式、合适的排列摆放以及封装方式。我们可以看出蓄电池的选取对蓄电池包的性能有很大的影响，严重时会导致蓄电池包的性能下降、成本升高、并且具有安全隐患等。同时也迫切需要蓄电池制造商的协同努力，制造出最适用于电动汽车使用的蓄电池。

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