汽车用动力锂离子电池设计注意事项

泡泡

1 车用锂离子电池材料
1. 1 理想的车用锂离子电池正负极材料要求

电池材料的物理结构和化学组成决定了它的性能,理想的车用锂离子电池材料应具备以下特征:
(1) 具有层状或隧道的晶体结构,以利于锂离子的嵌入和脱出,以保证锂离子电池的循环寿命;
(2)充放电过程中,应有尽可能多的锂离子嵌入和脱出,使电极具有较高的电化学容量;
( 3)在锂离子进行嵌脱时,电池有较平稳的充放电电压;
(4)锂离子应有较大的扩散系数,以减少极化造成的能量损耗,保证电池有较好的快充放电性能;
(5)材料应价格便宜,对环境无污染,质量轻,可回收。

1. 2 车用锂离子电池正极材料
目前锂离子电池正极材料主要有:锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等,负极材料主要有石墨、钛酸锂等。  从整车安全和电池成本考虑,磷酸铁锂是最有可能在汽车用动力电池上应用的锂电池正极材料,其优点有:
(1) 安全性好:稳定,即使在过充电情况下也不会产生游离氧,不和电解液反应; 可以放电到0 V,电池无大的损伤;与有机电解液反应活性低;热力学稳定状态, 400 ℃以下无变化。
(2) 稳定性高:充放电过程中,晶体结构不会发生变化;三维结构, L i +二维移动,利于锂的嵌入;充电电压低,电解液更稳定,电池副反应少;循环寿命长。
(3) 环保:整个生产过程清洁无毒,所有原料都无毒。
(4) 价格便宜:磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料,价格便宜。
但磷酸铁锂材料也存在以下缺点:
(1) 导电性差:磷酸铁锂不能得到大范围应用的主要问题,需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒,或颗粒表面包覆导电碳材料,提高材料的电子电导率。
(2) 振实密度较低:一般只能达到1. 3?1. 5,该缺点决定了在小型电池如手机电池等没有优势,主要用来制作动力电池。
(3) 电压平台低:一般为3. 2 V。
目前锂铁电池正极生产技术有以下三种:
(1)在粉体颗粒表面以碳元素涂布;
(2)用金属氧化物包覆颗粒;
(3)采用纳米制程技术细化材料颗粒,使之微粒化。   

2 车用锂离子电池系统
车用锂离子电池系统一般由电芯及电池组、电池管理系统(BMS) 、高压电安全系统(直流接触器、熔断器、预充电电阻) 、冷却系统和检测单元(电流传感器、电压传感器和温度传感器)等组成。

2. 1 电芯及电池组
一个典型的锂离子电芯主要包括正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等,常用电芯形状主要有圆柱形和方形。 为了满足整个电池系统的电压、能量和功率要求,电池组一般是由若干个电芯按照串联或并联的方式组合起来,每个电芯之间由导线连接,同时,为了对电芯的温度、电流、电压、荷电状态(SOC)等信息进行实时监测,又可以把电池组分成若干个模块,各电芯和模块之间以一定方式科学合理组合,保证整个电池组的电性能、热平衡和散热要求。

2. 2 电池管理系统BMS
电池管理系统(BMS)用来监控和保护电池的运行状态,应该能精确检测电池的参数,包括:单体电压、模块电压、电流、温度。利用电池模块和电池系统的信息计算并报告荷电状态SOC,寿命状态SOH ( State Of Health) ,当前可用充放电功率,并执行对接触器的控制。BMS系统由BMU(Battery Module Unit,又名CECU, Center Electronic Controller Unit) , CSC (Cell Supervising Circuit,又名LECU, Local Electronic Control Unit) 、接触器、预充电电阻、保险丝、电压传感器温度传感器,以及电流传感器等模块组成。
在BMS中, CSC主要功能有:
(1) 单体/模块电压采集:一个模块由若干个电池单体串并联组成,并由一个CSC监控,每个CSC采集模块内各个单体的电压和整个模块的电压;
(2) 模块内平衡: CSC根据判断模块内各个单体的电压,通常是通过电阻放电的形式,消除模块间容量的差异;
(3) 电池模块温度检测: CSC测量若干点模块内电池的温度;
(4) CAN通信: CSC将采集到的数据上传给BMU。
BMU主要功能有:
(1) 系统电压测量: BMU采集整个系统的总电压;
(2) 电流测量: BMU采集整个系统的电流,通常通过分流器( shunt)或者霍尔器件(Hall) ;
(3) 绝缘检测: BMU 测量电池组对车身地(vehicle chassis)之间的绝缘电阻,可通过三电压法等方式;
(4) SOC预测功能:在实时充放电过程中,能在线监测电池组容量,能随时给出电池组整个系统的剩余容量百分比;
(5) SOH预测功能:根据实际的运行累积状况,给出蓄电池组的当前容量,内阻,循环寿命,日历寿命等;
(6) 可充放电功率计算: BMU通过不同SOC,温度来计算当前整车可以放电和充电的功率;
(7) 故障保护:过电流、过压、欠压、过温、单体间电压/温度不平衡。在以上故障出现时, BMU通知给VMS整车管理系统,请求降功率运行或关断充放电回路;
(8) 预充电: BMU在闭合高压接触器时,先对高压母线预充电;
(9) 模块间平衡: BMU通过命令控制CSC,来补偿不同模块间的容量差异;
(10) 热管理: BMU通过电池温度,实现对散热装置的控制(如风冷,控制风扇的转速) ;
(11) 通讯功能: BMU采用CAN总线的方式分别与子系统模块、VMS整车管理系统及充电器进行通讯;
(12) 充电器控制: BMU控制充电器的输出,并监测整个充电过程。

  2. 3 电池安全及高压电
2. 3. 1 电池安全
对于车用锂离子电池,国标和美国先进电池协会(USABC)有严格的滥用性能测试要求及测试项目。滥用测试性能等级要求从1到7级,当等级大于2级,电池即遭到了不可修复的损坏。滥用测试项目分为3大类,包括机械、热和电滥用总共16个项目。每个量产的电池产品都必须完成以上滥用测试。
如果车用锂离子电池系统使用不当,如过充、过放、过热、碰撞等条件下可能产生以下安全隐患:
(1)内部短路,应用钴酸锂的锂电池在过充时(甚至正常充放电时) ,锂离子在负极堆积形成枝晶,刺穿隔膜,形成内部短路;
( 2)产生大电流,包括外部短路时,电池瞬间大电流放电,产生巨大热量,内部短路,隔膜穿透,温度上升,短路扩大,形成恶性循环;
(3)气体排放,如有机电解液在大电流,高温条件下电解,产生气体,导致内压升高,严重时冲破壳体;
(4)燃烧,金属锂在壳体破裂时与空气接触,导致燃烧,同时引燃电解质发生爆炸。
    因此在设计车用锂离子动力电池系统时,应从电池材料(包括正负极材料、隔膜、电解液)、电芯的设计和制造(包括电池结构、安全设计、均一性)、电池系统的安全功能(包括电池管理系统、热管理系统、高压安全、外壳等)、整车安全功能等不同层面进行研究和分析,确保其在车上的安全使用。

2. 3. 2 高压互锁回路HVL
车用锂离子电池系统设计时,电池管理系统要提供一个手动开关,手动开关内部集成主回路的保险丝及主回路的高压互锁电路。当手动开关从电池系统中拔出,此时要保证电池系统的输出端没有任何潜在的危险电压。电池管理系统同时要为充电器提供另一个高压互锁电路。电池管理系统要实时监控高压动力母线以及充电器的高压互锁电路,电池管理系统提供高压互锁电路的输出源,同时在CAN网络上给出当前的高压互锁电路的监控信息。所有的高压部件都应提供高压互锁的连接装置,这些高压互锁连接装置通过串行方式进行连接。

2. 3. 3 绝缘电阻测量
电池管理系统要实时测量高压动力母线正负极和车身的绝缘电阻状态,并通过CAN总线上报当前的绝缘电阻值。如果当前测量的绝缘电阻值小于设定值,如对于最高电压400V左右的系统,绝缘电阻为400 KΩ时,电池管理系统要给出报警信号,如果当前测量的绝缘电阻值小于设定值,如200 KΩ,电池管理系统要给出危险信号并切断所有的主接触器。

2. 3. 4 碰撞安全
车辆在行使过程中,碰撞是不可避免的。出于安全考虑,电池系统主回路上必须安装碰撞开关,且要求车用锂离子电池管理系统的正极、负极主接触器及预充电接触器的电源由碰撞开关提供。同时,电池管理系统需要控制正极、负极主接触器及预充电接触器的电源负极。 当碰撞开关断开后,正极、负极主接触器及预充电接触器的电源会被切断。

2. 4 电池热管理系统
根据不同的油电混合程度以及纯电动续驶里程,车用锂离子电池系统无论是功率、能量还是体积、重量都有所不同。当车辆在不同运行工况下,电池系统由于其自身有一定的内阻,在输出功率、电能的同时产生一定的热量,使电池温度升高,当电池温度超出其正常工作温度区间时,必须限功率工作,否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命,车用锂电池系统都必须具有热管理系统。
在设计电池热管理系统时,一般的要求有:
(1)电池满功率工作的温度区间定义,电池降功率工作区间定义;
(2)电池低温启动性能要求;
(3)电池隔热功能;
(4)电池主动制冷和主动制热功能;
(5)制冷和制热方案,如风冷或液冷。

风冷方案设计主要考虑电池系统结构的设计,风道,风扇的位置及功率的选择,风扇的控制策略等。液冷方案设计主要考虑冷却管道,流场,进出口冷却剂的流量、温度、压降。水泵及整车空调压缩机的控制策略等。

2. 5 电池系统外形设计及布置
根据汽车制造企业的要求进行设计,因不同的车型和可用空间大小要求而设计,形状可适当灵活设计,一般做成一个整体比较好,有利于电池的热管理,降低成本,提高电池的热均衡性,提高电池的寿命。对于乘用车,一般放置位置在车身底盘、车后座椅及后备箱之间或备胎空间里。