動(dòng)力電池之包與保

襄樊南車專用汽車股份有限公司 宋喜秀

動(dòng)力電池之包與保

襄樊南車專用汽車股份有限公司 宋喜秀

電動(dòng)汽車電池包，電壓極限不能超；電池容量要充裕，安全性能要達(dá)標(biāo)。動(dòng)力電池成組成包過(guò)程中承載的保電壓、保容量、保安全、無(wú)故障的技術(shù)使命，使動(dòng)力電池的發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。

電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N載體，由電池模組或單體電池組成的電池包，則是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行駛和作業(yè)的動(dòng)力源泉。由于車載動(dòng)力電池單元的電氣性能直接決定了電動(dòng)汽車整車的機(jī)動(dòng)性能，所以人們對(duì)動(dòng)力電池的發(fā)展瓶頸特別關(guān)注：充電過(guò)程遲緩，放電機(jī)制敏感，力學(xué)性能遲鈍，潛在安全風(fēng)險(xiǎn)……車載動(dòng)力電池的各種短板效應(yīng)，使其成為電動(dòng)汽車技術(shù)突破的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

追根溯源，電池之遲，遲在與專用汽車運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)不相適應(yīng)的三個(gè)方面，表現(xiàn)為新能源電池面臨的三個(gè)動(dòng)力挑戰(zhàn)（表1）：容量有極限，負(fù)載有局限，安全有隱患。所以，電池模組電池包的各種性能指標(biāo)必須符合“保電壓、保容量、保安全、無(wú)故障”的總體技術(shù)要求，才能解決車載新能源的動(dòng)力挑戰(zhàn)。

表1 新能源電池的動(dòng)力挑戰(zhàn)專用汽車特點(diǎn)動(dòng)力電池難點(diǎn)解決方案長(zhǎng)途跋涉，任勞任怨車輛空間有限，電池容量有限保存容量，快充慢放動(dòng)力強(qiáng)勁，舉重若輕電流強(qiáng)度偏小，負(fù)載能力有限保持電壓，晶格不塌有備無(wú)患，隨機(jī)應(yīng)變顛簸工況頻繁，環(huán)境溫度多變保證安全，全面防范

保持電壓 晶格不塌

1780年秋天，意大利醫(yī)學(xué)家伽伐尼（Luigi Galvani）在解剖一只青蛙時(shí)，發(fā)現(xiàn)手術(shù)刀碰到青蛙大腿上的神經(jīng)時(shí)，已經(jīng)死掉了的青蛙的大腿會(huì)產(chǎn)生抽搐。伽伐尼換用銅和鐵、銅和銀等不同的金屬器械連接到青蛙的肌肉和神經(jīng)上，青蛙的尸體都會(huì)發(fā)生抖動(dòng)；改用玻璃之類的介質(zhì)搭接神經(jīng)，青蛙腿則不會(huì)抖動(dòng)——這就是電流生理學(xué)發(fā)展史上著名的“青蛙試驗(yàn)”。伽伐尼就此認(rèn)為動(dòng)物有自發(fā)電的本能，并認(rèn)為動(dòng)物的腦部是“分泌”電液的器官。

同時(shí)期的意大利物理學(xué)家亞歷山德羅?伏打（AlessandroVolta，又譯伏特）卻不以為然。伏打強(qiáng)調(diào)，電流效應(yīng)的主體不是動(dòng)物體，而是那些金屬器械的屬性差異，并于1800年春天以鋅為負(fù)極，銀為正極，用鹽水作電解質(zhì)溶液，成功發(fā)明了人類歷史上第一套化學(xué)電源裝置——“伏打電池（如圖1）”。

圖1 伏打電池

電解質(zhì)溶液中正負(fù)兩個(gè)電極的不同活性、不同電勢(shì)產(chǎn)生的電勢(shì)差（電壓），是驅(qū)動(dòng)電荷流動(dòng)的根本動(dòng)力。伏打電池開(kāi)辟了化學(xué)電源和電氣化學(xué)工業(yè)新時(shí)代，“伏”也被命名為電壓參數(shù)U的計(jì)量單位（V）而載入史冊(cè)。電壓1V的物理學(xué)定義是：在載荷為恒定電流1A（安）的導(dǎo)線上，功率消耗為1W（瓦）的兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差?；瘜W(xué)電源產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)200多年的技術(shù)積累，逐步形成了以鉛酸蓄電池為代表的酸性蓄電池、以鎳氫及鎳鎘電池為代表的堿性蓄電池、以鋰離子電池為代表的新型高能中性蓄電池這三類蓄電池競(jìng)相發(fā)展的三足鼎立局面。三類常用蓄電池的單體電壓見(jiàn)表2。

表2 3類常用蓄電池的單體電壓電池類型鉛酸蓄電池鋰離子電池鎳氫電池開(kāi)路電壓（V）2 . 1～2 . 2 4 . 1～4 . 2 1 . 4工作（額定）電壓（V）2 . 0 3 . 6～3 . 7 1 . 2放電截止電壓（V）1 . 7 2 . 6 0～2 . 7 5 1 . 0充電限制電壓（V）2 . 3 4 . 2～4 . 3能量密度（W h / k g）3 0～5 0 1 3 0～1 5 0 6 0～7 0工作溫度（℃）-2 0～7 0 -2 0～6 0 -1 0～5 0

鋰是直徑最小最活潑的金屬，直徑小體積小容量密度高，是組合動(dòng)力電池的理想材料。但是，由于化學(xué)特性太活潑，潛在著安全隱患——鋰金屬暴露在空氣中時(shí)，會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)而爆炸。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)石墨及鋰的化合物等材料的分子結(jié)構(gòu)，是納米等級(jí)的小晶格，可以用來(lái)儲(chǔ)存鋰離子（Li+），鋰離子電池應(yīng)運(yùn)而生。鋰離子電池主要由電芯和保護(hù)系統(tǒng)組成。電芯以鋰-碳層間化合物（LiXC6）或鈦酸鋰（Li4Ti5O12）為負(fù)極，以鈷酸鋰（LiCoO2）、錳酸鋰（LiMn2O4）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、鎳鈷錳三元鋰（LiNiXCoyMnZO2）等鋰的化合物為正極，以溶解有鋰鹽的有機(jī)溶液為電解質(zhì)，能量密度大，輸出電壓高，自放電小，工作溫度范圍寬,充電效率高，輸出功率大，使用壽命長(zhǎng),不含有毒有害物質(zhì)，被認(rèn)定為可以取代鉛酸蓄電池解決車用新能源挑戰(zhàn)的綠色動(dòng)力電池。

圖2 充電限制電壓（恒流恒壓充電法）

鋰離子電池的本質(zhì)是濃度差電池，充電時(shí)鋰離子從正極活性物質(zhì)晶格中脫出，經(jīng)過(guò)電解液嵌入負(fù)極活性物質(zhì)的晶格中；放電時(shí)，嵌入負(fù)極活性物質(zhì)晶格中的鋰離子又回到正極；鋰離子電池的充放電過(guò)程，沒(méi)有金屬的溶解和析出，只有鋰離子的嵌入和脫出。顯而易見(jiàn)，嵌入層間晶格中的鋰離子越多，充電量越大，回到正極的鋰離子越多，放電量越高。但是，試驗(yàn)證明，充電時(shí)最高終止電壓不能超過(guò)4.2V的充電限制電壓（圖2），否則，過(guò)充會(huì)因脫嵌鋰離子數(shù)目過(guò)半，造成正極晶型儲(chǔ)存格坍塌，而使電池呈現(xiàn)壽命終結(jié)狀態(tài)，這是其一；其二，放電時(shí)，又要限制放電截止電壓不能超過(guò)2.7V，通常以3.0V為下限保護(hù)電壓，使負(fù)極保留有最低限度的鋰離子，正極鋰離子濃度不超限度，從而保障脫嵌嵌入通道暢通無(wú)阻；其三，縮小充放電電壓范圍，可以大幅提高電池的充放電循環(huán)壽命。充電不超上限值，放電不超下限量，而且需要精密控制——這就是電池電壓保護(hù)系統(tǒng)的重要使命之一。

以鋰離子電池3.7V的單體電壓水平驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車顯然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了滿足汽車動(dòng)力更高的電壓需求，動(dòng)力單元設(shè)計(jì)工程師將一定數(shù)量的單體鋰離子電池串聯(lián)成高壓電池組模塊，與電壓保護(hù)系統(tǒng)等功能模塊集成的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，縮寫B(tài)MS，圖3）一起裝配成電池包，形成可以安全快捷充放電的動(dòng)力單元。總部設(shè)在 美國(guó)加州硅谷地帶的特斯拉（Tesla）汽車公司，是世界上第一個(gè)采用 鋰離子電池的電動(dòng)車公司，我國(guó)于2005年7月開(kāi)發(fā)的大容量磷酸鐵鋰電池，已裝備數(shù)以萬(wàn)計(jì)的純電動(dòng)商用車車型。晶格不塌，保持電壓，脫嵌嵌入，從容收發(fā)。

圖3 BMS功能框圖

保存容量，快充慢放

電勢(shì)差的形成離不開(kāi)電極、回路、電解質(zhì)及自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)四項(xiàng)基本條件。其中，電極活性物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量和利用率決定電池容量C（Ah）。電池容量是指電池存儲(chǔ)電量的大小，包括充電量和放電量——給鎳氫電池、鉛酸蓄電池進(jìn)行恒流恒壓充電，然后以恒流放電，被測(cè)電池的放電量與充電量大致相當(dāng)。鋰離子電池因?yàn)橛凶畹头烹婋妷阂?，所以鋰電池容量特指在溫度、放電率、終止電壓等技術(shù)參數(shù)一定條件下電池能夠放出的電量，是在連續(xù)放電時(shí)間T(h)內(nèi)對(duì)電流I(A，安培)的積分：C=∫Idt。

電池容量分為實(shí)際容量、 理論容量與額定容量。額定容量是設(shè)計(jì)與生產(chǎn)時(shí)規(guī)定的容量，有8Ah、12Ah、15Ah等多種規(guī)格。單體電池的 理論容量可以根據(jù)法拉第電解定律和電極外形尺寸計(jì)算出來(lái)，但受車輛空間及電極活性限制，單體電池的實(shí)際容量十分有限。電池生產(chǎn)商將規(guī)定數(shù)量的單體電池并聯(lián)成電池模組、電池包（圖4），提高動(dòng)力單元的實(shí)際容量。

圖4 動(dòng)力電池包

由上述容量計(jì)算公式不難看出，在額定容量條件下，鋰離子電池的充放電時(shí)間是與充放電電流強(qiáng)度，即負(fù)載功率是反比例的數(shù)學(xué)關(guān)系。其中，實(shí)際充放電流強(qiáng)度（A）與額定容量（Ah）的比值，分別叫做充電倍率和放電倍率。電池在充放電循環(huán)和正常存放過(guò)程中，容量會(huì)發(fā)生衰減，而且，小倍率充放電衰減慢，大倍率充放電衰減快。

在電池的充放電循環(huán)過(guò)程中，電壓與容量相輔相成。額定電壓U(V)與額定容量C（Ah）的乘積就是電池存儲(chǔ)電能的能量E（KW·h，千瓦時(shí)）。

E=∫UIdt =U×∫Idt=U×C。

電池能量指標(biāo)是電池產(chǎn)品產(chǎn)量的計(jì)量單位，也是動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)整車做功的主要理論依據(jù)之一。電池包的能量配置有大量小容量單體電池與少量大容量單體電池2種組合模式。2種組合模式的配置工藝和生產(chǎn)成本各有千秋，動(dòng)力單元設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)車輛的總體尺寸和性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 不同溫度下的放電能力

為了提高續(xù)駛里程和作業(yè)效率，專用汽車對(duì)動(dòng)力電池的普遍要求是快充慢放。“快充”的技術(shù)路線是恒流恒壓充電法（如圖2），即在大電流快速充電到充電限制電壓后，再轉(zhuǎn)入恒壓充電模式，充電電流隨著電池容量的逐步上升慢慢降低到零，自動(dòng)停止充電?！奥拧钡募夹g(shù)要求是，降低車輛的自身質(zhì)量，提高電池的能量密度，選擇阻力較小的路況和工況進(jìn)行作業(yè)等。另外，環(huán)境溫度影響電極活性和放電能力（圖5），車輛在冬天運(yùn)營(yíng)，應(yīng)做好車輛自身的預(yù)熱和保溫工作；在夏季運(yùn)營(yíng)，BMS中的熱量管理系統(tǒng)則會(huì)啟動(dòng)散熱及安全預(yù)警機(jī)制，避免續(xù)航時(shí)間嚴(yán)重縮水。

快充慢放，保存容量，充而不堵，放有余量。

保證安全，全面防范

由單體電池按照串聯(lián)、并聯(lián)配置要求集成的動(dòng)力電池包，其本質(zhì)仍然是化學(xué)電源結(jié)構(gòu)，所以有易燃易爆易漏電的先天不足：自重和體積比較大，鋰分子又比較活躍，即使在靜止存放的狀態(tài)下也有可能發(fā)生爆炸，BMS很難控制單體電池的一致性，再加上BMS自身死機(jī)的可能性和車身電路的復(fù)雜性（圖6），因此在安全性管理上很難控制。據(jù)測(cè)試機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有的電池模組電池包結(jié)構(gòu)中，單體電池的安全風(fēng)險(xiǎn)普遍存在——低的風(fēng)險(xiǎn)包括漏液、變形、排氣等潛在損失和損害，高的風(fēng)險(xiǎn)包括電弧、過(guò)流、爆炸等事故隱患，而且，電池的能量密度越高，漏液漏電、爆燃爆炸造成的傷害后果越嚴(yán)重。

2015年4月26日，五洲龍A10純電動(dòng)大巴在深圳普天新能源的深圳灣加電站充電時(shí)，因?yàn)檐囕v的BMS死機(jī)，在充電電壓達(dá)到限制電壓時(shí)充電電壓保護(hù)系統(tǒng)失效，而且充電機(jī)也沒(méi)有采取相應(yīng)應(yīng)急措施而繼續(xù)充電，結(jié)果過(guò)充1小時(shí)18分鐘，過(guò)充電量57.9 KW·h，最終，大巴尾部電池倉(cāng)1號(hào)電池箱、左前輪后部電池箱等多個(gè)電池箱因承受不了高溫負(fù)荷而破裂，電解液泄漏引發(fā)短路并繼發(fā)自燃。調(diào)查顯示，這是一起典型的過(guò)充失火事故。

圖6 電動(dòng)汽車電氣原理拓?fù)鋱D

圖7 電池包進(jìn)水起火

2015年12月13日下午5時(shí)許，由香港生產(chǎn)力促進(jìn)局研發(fā)，并交由內(nèi)地制造的首輛“香港品牌”電動(dòng)巴士突然著火，全車瞬間陷于火海冒出濃烈黑煙并伴有爆炸聲響。經(jīng)消防部門初步調(diào)查，懷疑是電路短路引起的一次火警。

2016年7月9日上午，南京玄武區(qū)徐莊軟件園內(nèi)2輛泡在水里的海格大巴車先后突然起火。同樣懷疑是因電池包進(jìn)水后電池短路引發(fā)的火災(zāi)（圖7）。

保障動(dòng)力電池包的安全運(yùn)行，既是動(dòng)力電池技術(shù)突破的基礎(chǔ)工程，同時(shí)也是新能源汽車推廣的系統(tǒng)工程。需要通過(guò)總體控制技術(shù)，全面做好預(yù)防工作。

首先，是主動(dòng)安全與被動(dòng)安全相結(jié)合。BMS通過(guò)溫度、電壓、電流等技術(shù)參數(shù)監(jiān)控裝置及機(jī)械鎖、電子鎖等開(kāi)關(guān)裝置管理電池，是電池包的主動(dòng)安全技術(shù)。除此之外，還有防水、防撞、防觸電等被動(dòng)安全技術(shù)，需要大量的長(zhǎng)時(shí)間的濫用試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)加以檢測(cè)和完善。兩種安全技術(shù)雙管齊下，才能防患于未然。

其次，是安全技術(shù)與質(zhì)量、安全制度相結(jié)合。電池包生產(chǎn)過(guò)程中，上線、下線、檢測(cè)、包裝等工序要按質(zhì)量控制要求設(shè)置必要的質(zhì)量控制點(diǎn)，車輛司乘、維保、監(jiān)控人員應(yīng)按規(guī)定的流程檢查電池充放電過(guò)程中通訊協(xié)議的執(zhí)行和指令傳遞情況，避免安全保護(hù)措施連環(huán)失效情況的發(fā)生。電動(dòng)汽車的監(jiān)控系統(tǒng)在一部分地區(qū)并沒(méi)有起到真正的安全監(jiān)控作用，更多的是作為數(shù)據(jù)采集工具而存在，有些地方甚至只是作為展示品應(yīng)付參觀。

再次，是技術(shù)突破與市場(chǎng)運(yùn)用相結(jié)合。生產(chǎn)企業(yè)在政策利好時(shí)應(yīng)保持市場(chǎng)理性，不能放松安全問(wèn)題、技術(shù)問(wèn)題，盲目追求數(shù)量擴(kuò)張和產(chǎn)能擴(kuò)大；科研部門要在保證安全的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)，并將主要精力放在技術(shù)攻堅(jiān)上，而不能片面地提高現(xiàn)有電池的能量密度；車輛運(yùn)用單位，在安全要求等級(jí)比較高的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，可以要求為電池包加裝保險(xiǎn)絲類二次保護(hù)裝置。

最后，是標(biāo)準(zhǔn)化與競(jìng)爭(zhēng)力相結(jié)合。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)新能源汽車零部件廠商，有的以性能指標(biāo)取勝，有的以價(jià)格優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先，有的以規(guī)模超前為榮，對(duì)于電芯、電池模塊和電池包之間的間隙大小沒(méi)有統(tǒng)一的要求；在插接套件、電極電纜等高壓電氣部件等系統(tǒng)安全防護(hù)方面也沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)劃；電池系統(tǒng)各部件的設(shè)計(jì)空間及整體設(shè)計(jì)也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，客觀上存在的安全事故風(fēng)險(xiǎn)不可低估。

2017-02-01