《汽车用动力锂离子电池发展现状》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车用动力锂离子电池发展现状（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、汽车用动力锂离子电池发展现状时间:2010-08-27 来源: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车用锂锂离子电电池材料料1. 1理想的的车用锂锂离子电电池正负负极材料料要求电池材料的的物理结结构和化化学组成成决定了了它的性性能,理想的的车用锂锂离子电电池材料料应具备备以下特特征: (1)具有有层状或或隧道的的晶体结结构,以利于于锂离子子的嵌入入和脱出出,以保证证锂离子子电池的的循环寿寿命;(2)充充放电过过程中,应有
2、尽尽可能多多的锂离离子嵌入入和脱出出,使电极极具有较较高的电电化学容容量; ( 33)在锂锂离子进进行嵌脱脱时,电池有有较平稳稳的充放放电电压压; (4)锂锂离子应应有较大大的扩散散系数,以减少少极化造造成的能能量损耗耗,保证电电池有较较好的快快充放电电性能; (55)材料料应价格格便宜,对环境境无污染染,质量轻轻,可回收收。1. 2车用锂锂离子电电池正极极材料目前锂离子子电池正正极材料料主要有有:锂钴氧氧化物、锂锂镍氧化化物、锂锂锰氧化化物、磷磷酸铁锂锂等,负极材材料主要要有石墨墨、钛酸酸锂等。不不同锂离离子电池池正极材材料性能能比较见见表1。从整车安全全和电池池成本考考虑,磷酸铁铁锂是最最
3、有可能能在汽车车用动力力电池上上应用的的锂电池池正极材材料,其优点点有:(1)安安全性好好:稳定,即使在在过充电电情况下下也不会会产生游游离氧,不和电电解液反反应;可以放放电到00 V,电池无无大的损损伤;与有机机电解液液反应活活性低;热力学学稳定状状态, 4000以下无无变化。(2)稳稳定性高高:充放电电过程中中,晶体结结构不会会发生变变化;三维结结构, L ii +二二维移动动,利于锂锂的嵌入入;充电电电压低,电解液液更稳定定,电池副副反应少少;循环寿寿命长。(3)环环保:整个生生产过程程清洁无无毒,所有原原料都无无毒。(4)价价格便宜宜:磷酸盐盐采用磷磷酸源和和锂源以以及铁源源为材料料,
4、价格便便宜。但磷酸铁锂锂材料也也存在以以下缺点点:(1)导导电性差差:磷酸铁铁锂不能能得到大大范围应应用的主主要问题题,需往磷磷酸铁锂锂颗粒内内部掺入入导电碳碳材料或或导电金金属微粒粒,或颗粒粒表面包包覆导电电碳材料料,提高材材料的电电子电导导率。(2)振振实密度度较低:一般只只能达到到1. 31. 5,该该缺点决决定了在在小型电电池如手手机电池池等没有有优势,主要用用来制作作动力电电池。(3)电电压平台台低:一般为为3. 2 VV。目前锂铁电电池正极极生产技技术有以以下三种种: (1)在在粉体颗颗粒表面面以碳元元素涂布布; (2)用用金属氧氧化物包包覆颗粒粒; (3)采采用纳米米制程技技术细
5、化化材料颗颗粒,使之微微粒化。2车用锂锂离子电电池系统统车用锂离子子电池系系统一般般由电芯芯及电池池组、电电池管理理系统(BMSS)、高高压电安安全系统统(直流接接触器、熔熔断器、预预充电电电阻)、冷却却系统和和检测单单元(电流传传感器、电电压传感感器和温温度传感感器)等组成成,如图1所示。2. 1电芯及及电池组组一个典型的的锂离子子电芯主主要包括括正极片片、负极极片、正正负极集集流体、隔隔膜纸、外外壳及密密封圈、盖盖板等,常用电电芯形状状主要有有圆柱形形和方形形。为了满足整整个电池池系统的的电压、能能量和功功率要求求,电池组组一般是是由若干干个电芯芯按照串串联或并并联的方方式组合合起来,每个
6、电电芯之间间由导线线连接,同时,为了对对电芯的的温度、电电流、电电压、荷荷电状态态(SOOC)等等信息进进行实时时监测,又可以以把电池池组分成成若干个个模块,各电芯芯和模块块之间以以一定方方式科学学合理组组合,保证整整个电池池组的电电性能、热热平衡和和散热要要求。2. 2电池管管理系统统BMSS电池管理系系统(BBMS)用来监监控和保保护电池池的运行行状态,应该能能精确检检测电池池的参数数,包括:单体电电压、模模块电压压、电流流、温度度。利用用电池模模块和电电池系统统的信息息计算并并报告荷荷电状态态SOCC,寿命命状态SSOH ( SStatte OOf HHeallth) ,当当前可用用充放
7、电电功率,并执行行对接触触器的控控制。BBMS系系统由BBMU(Battterry MModuule Uniit,又又名CEECU, Ceenteer EElecctroonicc Coontrrolller Uniit) , CCSC (Ceell Suppervvisiing Cirrcuiit,又又名LEECU, Loocall Ellecttronnic Conntrool UUnitt)、接接触器、预预充电电电阻、保保险丝、电电压传感感器温度度传感器器,以及电电流传感感器等模模块组成成。图22显示了了电池及及其管理理系统与与外部连连接的典典型例子子。在BMS中中, CCSC主主要功能
8、能有:(1)单单体/模块电电压采集集:一个模模块由若若干个电电池单体体串并联联组成,并由一一个CSSC监控控,每个CSSC采集集模块内内各个单单体的电电压和整整个模块块的电压压;(2)模模块内平平衡: CSCC根据判判断模块块内各个个单体的的电压,通常是是通过电电阻放电电的形式式,消除模模块间容容量的差差异;(3)电电池模块块温度检检测: CSCC测量若若干点模模块内电电池的温温度;(4) CCAN通通信: CSCC将采集集到的数数据上传传给BMMU。BMU主要要功能有有:(1)系系统电压压测量: BMMU采集集整个系系统的总总电压;(2)电电流测量量: BBMU采采集整个个系统的的电流,通常
9、通通过分流流器( shuunt)或者霍霍尔器件件(Haall) ;(3)绝绝缘检测测: BBMU测量电电池组对对车身地地(veehiccle chaassiis)之之间的绝绝缘电阻阻,可通过过三电压压法等方方式;(4) SSOC预预测功能能:在实时时充放电电过程中中,能在线线监测电电池组容容量,能随时时给出电电池组整整个系统统的剩余余容量百百分比;(5) SSOH预预测功能能:根据实实际的运运行累积积状况,给出蓄蓄电池组组的当前前容量,内阻,循环寿寿命,日历寿寿命等;(6)可可充放电电功率计计算: BMUU通过不不同SOOC,温温度来计计算当前前整车可可以放电电和充电电的功率率;(7)故故障保
10、护护:过电流流、过压压、欠压压、过温温、单体体间电压压/温度不不平衡。在在以上故故障出现现时, BMUU通知给给VMSS整车管管理系统统,请求降降功率运运行或关关断充放放电回路路;(8)预预充电: BMMU在闭闭合高压压接触器器时,先对高高压母线线预充电电;(9)模模块间平平衡: BMUU通过命命令控制制CSCC,来补补偿不同同模块间间的容量量差异;(10)热管理理: BBMU通通过电池池温度,实现对对散热装装置的控控制(如风冷冷,控制风风扇的转转速) ;(11)通讯功功能: BMUU采用CAAN总线线的方式式分别与与子系统统模块、VMS整车管理系统及充电器进行通讯;(12)充电器器控制: B
11、MMU控制制充电器器的输出出,并监测测整个充充电过程程。2. 3电池安安全及高高压电2. 3. 1电池安安全对于车用锂锂离子电电池,国标和和美国先先进电池池协会(USAABC)有严格格的滥用用性能测测试要求求及测试试项目。滥滥用测试试性能等等级要求求从1到7级,当等级级大于22级,电池即即遭到了了不可修修复的损损坏。滥滥用测试试项目分分为3大类,包括机机械、热热和电滥滥用总共共16个项项目。每每个量产产的电池池产品都都必须完完成以上上滥用测测试。如果车用锂锂离子电电池系统统使用不不当,如过充充、过放放、过热热、碰撞撞等条件件下可能能产生以以下安全全隐患: (11)内部部短路,应用钴钴酸锂的的锂
12、电池池在过充充时(甚至正正常充放放电时) ,锂锂离子在在负极堆堆积形成成枝晶,刺穿隔隔膜,形成内内部短路路; ( 2)产生大大电流,包括外外部短路路时,电池瞬瞬间大电电流放电电,产生巨巨大热量量,内部短短路,隔膜穿穿透,温度上上升,短路扩扩大,形成恶恶性循环环; (3)气气体排放放,如有机机电解液液在大电电流,高温条条件下电电解,产生气气体,导致内内压升高高,严重时时冲破壳壳体; (4)燃烧,金属锂锂在壳体体破裂时时与空气气接触,导致燃燃烧,同时引引燃电解解质发生生爆炸。如如图3所示。因此在设计计车用锂锂离子动动力电池池系统时时,应从电电池材料料(包括正正负极材材料、隔隔膜、电电解液)、电芯芯
13、的设计计和制造造(包括电电池结构构、安全全设计、均均一性)、电池池系统的的安全功功能(包括电电池管理理系统、热热管理系系统、高高压安全全、外壳壳等)、整车车安全功功能等不不同层面面进行研研究和分分析,确保其其在车上上的安全全使用。2. 3. 2高压互互锁回路路HVLL车用锂离子子电池系系统设计计时,电池管管理系统统要提供供一个手手动开关关,手动开开关内部部集成主主回路的的保险丝丝及主回回路的高高压互锁锁电路。当当手动开开关从电电池系统统中拔出出,此时要要保证电电池系统统的输出出端没有有任何潜潜在的危危险电压压。电池池管理系系统同时时要为充充电器提提供另一一个高压压互锁电电路。电电池管理理系统要
14、要实时监监控高压压动力母母线以及及充电器器的高压压互锁电电路,电池管管理系统统提供高高压互锁锁电路的的输出源源,同时在在CANN网络上上给出当当前的高高压互锁锁电路的的监控信信息。所所有的高高压部件件都应提提供高压压互锁的的连接装装置,这些高高压互锁锁连接装装置通过过串行方方式进行行连接。2. 3. 3绝缘电电阻测量量电池管理系系统要实实时测量量高压动动力母线线正负极极和车身身的绝缘缘电阻状状态,并通过过CANN总线上上报当前前的绝缘缘电阻值值。如果果当前测测量的绝绝缘电阻阻值小于于设定值值,如对于于最高电电压4000V左左右的系系统,绝缘电电阻为4400 K时,电池管管理系统统要给出出报警信
15、信号,如果当当前测量量的绝缘缘电阻值值小于设设定值,如2000 K,电池管管理系统统要给出出危险信信号并切切断所有有的主接接触器。2. 3. 4碰撞安安全车辆在行使使过程中中,碰撞是是不可避避免的。出出于安全全考虑,电池系系统主回回路上必必须安装装碰撞开开关,且要求求车用锂锂离子电电池管理理系统的的正极、负负极主接接触器及及预充电电接触器器的电源源由碰撞撞开关提提供。同同时,电池管管理系统统需要控控制正极极、负极极主接触触器及预预充电接接触器的的电源负负极。当碰撞开关关断开后后,正极、负负极主接接触器及及预充电电接触器器的电源源会被切切断。2. 4电池热热管理系系统根据不同的的油电混混合程度度以及纯纯电动续续驶里程程,车用锂锂离子电电池系统统无论是是功率、能能量还是是体积、重重量都有有所不同同。当车车辆在不不同运行行工况下下,电池系系统由于于其自身身有一定定的内阻阻,在输出出功率、电电能的同同时产生生一定的的热量,使电池池温度升升高,当电池池温度超超出其正正常工作作温度区区间时,必须限限功率工工作,否则会会影响电电池的寿寿命。为为了保证证电池系系统的电电性能和和寿命,车用
