汽车用动力锂离子电池发展现状时间:2010-08-27:上海汽车作者:上海捷能汽车技术有限对汽车用动力锂离子电池材料、电池系统的组成及设计应用进行了介绍,对国内外锂离子电池系统主要供应商进行了综述,同时对目前车用锂离子电池系统还存在的主要问题及解决方法进行了探讨。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。不同锂离子电池正极材料性能比较见表1。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0V,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,Li+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3.2V。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,如图1所示。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(StateOfHealth),当前可用充放电功率,并执行对接触器的控制。BMS系统由BMU(BatteryModuleUnit,又名CECU,CenterElectronicControllerUnit),CSC(CellSupervisingCircuit,又名LECU,LocalElectronicControlUnit)、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。图2显示了电池及其管理系统与外部连接的典型例子。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...