電動汽車磷酸鐵鋰動力電池技術的發展

于京諾，王 強，陳 煒

（1.魯東大學交通學院，山東 煙臺 264025；2.上海通用汽車有限公司，上海 201206；3.寧夏公路管理局，寧夏 銀川 750004）

1 概述

國務院 《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中，將發展新能源汽車作為七大培育和發展戰略性新興產業之一。即將發布的國家 《新能源汽車產業發展規劃》提出，將堅持以純電動作為我國汽車工業轉型的主要戰略取向，重點發展純電動汽車、插電式混合動力汽車。

純電動汽車發展的瓶頸是蓄電池。由于現有的蓄電池普遍存在比能量和比功率低、價格高、循環壽命短等缺點，導致電動汽車續駛里程短、使用成本高等問題，因此蓄電池技術的發展成為電動汽車發展的關鍵［1］。

目前，純電動汽車使用的蓄電池有鉛酸電池以及鎳氫和鋰離子等高性能電池。鉛酸電池由于其比能量低，制約了其在純電動汽車上的使用。鋰離子電池由于比能量較高，適合于作為純電動汽車的動力源，特別是磷酸鐵鋰電池，因其比能量大 （可達120 Wh／kg）、循環壽命長 （電池組循環壽命可達1500次）、 放電電壓高 （單體電池為3.2V）、 無記憶效應、具有快速充電能力、自放電速率小、具有多種安全保護措施、密封良好、無泄漏現象、環保等眾多優點，是目前純電動汽車較理想的動力源，應用前景廣闊［2］。 如雪佛蘭Volt、 日產LEAF、 比亞迪E6、榮威350等電動汽車均采用了磷酸鐵鋰蓄電池作為動力電池。

雖然磷酸鐵鋰電池的性能與其它類型的電池相比具有一定優勢，但是仍然不能滿足電動汽車嚴苛的使用要求。因此，找出磷酸鐵鋰電池存在問題的原因，采取正確有效的措施改進磷酸鐵鋰電池的制造技術，提高磷酸鐵鋰電池的性能，對于電動汽車工業的發展至關重要。

2 磷酸鐵鋰電池存在的幾個關鍵技術問題

由于磷酸鐵鋰電池問世較晚，其材料、生產工藝、技術標準、使用方法等方面尚不成熟，存在著許多問題，影響了磷酸鐵鋰電池的性能。

2.1 單體電池之間一致性差

電動汽車動力電池系統是由電池模塊組成的，而電池模塊由單體電池組合而成。單體電池之間的差異性主要表現在兩個方面:一是剛生產出的單體電池之間性能不一致，因此需要采用容量或內阻篩選的辦法，將性能相近的單體電池組裝在一起形成電池模塊；單體電池之間的差異性較大，會導致單體電池的優質率和合格率降低。二是在使用過程中單體電池性能出現差異，這會影響電池系統的循環壽命，使電池模塊的循環壽命大大低于單體電池的循環壽命［3］。

造成單體電池性能差異的原因，包括材料、設備、工藝、標準、使用管理等方面。材料性能不穩定、批次差異、生產設備控制精度低、生產工藝一致性差、缺乏嚴格的生產和檢測標準、對使用缺乏有效的管理、使用環境的差異較大等，都是造成單體電池性能差異的原因。

2.2 電池管理系統有待改進

為確保電池模塊在汽車上能夠正常工作，延長電池使用壽命，必須對電池進行合理有效的管理和控制。因此，汽車上的動力電池必須有電池管理系統 （Battery Management System， 簡稱BMS）。 電池管理系統的功能是控制電池模塊的充、放電過程，監測電池的工作情況，預測電池的荷電狀態 （State of Charging，簡稱SOC）等。國內外對電池管理系統的研究均投入了大量的人力物力。例如，日本青森工業研究中心從1997年開始至今，仍在持續進行BMS實際應用的研究；美國Villanova大學和USNanocorp公司已經合作多年，對各種類型的電池SOC進行基于模糊邏輯的預測；豐田、本田以及通用汽車公司等都把BMS納入技術開發的重點。我國對于電池管理系統的研究起步較晚，雖然取得了長足的進步，但與電機、電機控制技術、電池技術相比，電池管理系統還不是很成熟。尤其是在均衡充電、數據采集的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進一步改進和提高。

2.3 電池系統試驗驗證評價體系有待完善

科學有效的電池系統試驗驗證評價體系，是保證電池生產品質、促進電池技術進步和發展的關鍵。在磷酸鐵鋰動力電池系統試驗驗證評價方面，美國、加拿大、日本等國家都制訂了較完善的電池試驗內容和方法，對磷酸鐵鋰動力電池所有技術性能和安全性能進行了大量試驗研究工作。美國的ATD項目、日本的NEDO項目在分析研究電動車用電池的失效機理基礎上，建立適用于磷酸鐵鋰動力電池的測試評價方法。我國的磷酸鐵鋰動力電池工業起步較晚，有關動力電池的標準還不完善，試驗方法和技術尚不成熟。北京理工大學、中國北方車輛研究所、萬向電動汽車有限公司等單位進行了動力電池工況循環性能和動力電池組性能的研究。我國有關動力電池的試驗、驗證、評價方法和標準都有待進一步完善。

此外，磷酸鐵鋰電池還存在其他一些問題:如低溫性能差，0℃時的容量保持率僅為60%～70%；導電性差，鋰離子擴散速度慢，使高倍率放電容量下降；制造工藝復雜，成品率低，導致電池制作成本高。

3 促進磷酸鐵鋰電池技術發展的措施

3.1 加強高性能磷酸鐵鋰電池設計研究

高性能動力電池設計技術以及單體電池的一致性和安全性設計技術是磷酸鐵鋰電池技術的關鍵。

1）高性能動力電池設計 應通過研究不同類型電池材料、不同類型電池制備工藝對電池綜合性能的影響規律，探討基于國產化電池材料的電池設計方法、國產電池材料的兼容性匹配技術和工藝，拓展國產電池材料的應用范圍，實現動力電池的低成本制造。

2）單體電池的一致性設計 應通過研究單體電池差異性的表現形式和形成過程，建立電池一致性的綜合評價體系；研究電池材料對于單體電池的一致性的影響規律、微觀機理和評價方法；研究制備工藝過程和使用條件對于電池不一致性的影響機理，探討電池一致性的制備工藝保障措施和使用環境的最優化設計方法。

3）單體電池的安全性設計 應研究電池材料和電池制備工藝對于單體電池安全性的影響規律、微觀機理和評價方法；研究電池在正常使用以及非正常的誤用或濫用條件下的損傷過程和相關機理，建立電池損傷的電化學理論和微觀結構模型；研究電池損傷與相關參數的關聯，探索電池故障預警理論和方法，發展基于安全性考慮的電池設計技術。

通過改進電解液體系、正極配方、材料性能，改善電芯結構設計以及建立電池溫度控制體系等措施，改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能；通過添加有機碳源和高價金屬離子聯合摻雜等方法改善導電性；通過納米化LiFePO4晶粒等方法，減小鋰離子在晶粒中的擴散距離，從而改善電池的高倍率放電特性。

3.2 采用先進的大規模制造工藝

只有采用先進的大規模制造工藝，才能提高磷酸鐵鋰電池的品質，保持單體電池的一致性，降低電池的生產成本，全面提高磷酸鐵鋰電池的性能。要通過研究磷酸鐵鋰電池水系溶劑工藝、導電劑粒度與添加量對正極覆料導電性的影響，電極面密度設計、極耳材質及焊接工藝對電池倍率性能的影響，電解液量與電池內阻的關系及循環性能的影響，動力電池生產過程一致性的評價體系，設計磷酸鐵鋰電池大規模制造工藝流程。

通過對各關鍵制造工序工藝原理的分析，以磷酸鐵鋰電池制造工藝為基礎，裝備先進的全自動卷繞關鍵工藝裝備、全自動疊片工藝裝備、涂覆工藝裝備、隔膜生產工藝裝備，生產過程自動檢測儀器及裝備等，實現磷酸鐵鋰電池的高品質大規模制造。

3.3 實現磷酸鐵鋰電池系統熱、電、結構設計一體化集成及高效管理

在進行磷酸鐵鋰電池結構設計時，必須綜合考慮熱、電因素，實現磷酸鐵鋰電池熱、電、結構一體化系統集成技術。應以磷酸鐵鋰電池熱模型為基礎，對動力電池系統的熱流場進行CFD（Computational Fluid Dynamic，計算流體力學）數值計算，分析不同結構、不同容量條件下動力電池系統的熱分布狀況。通過分析電池組散熱影響因素，找到有效的電池系統溫度控制技術與熱管理方法。在此基礎上，優化鐵鋰電池熱、電、結構設計一體化集成方案。

先進有效的電池管理系統是電池正常工作的根本保證。通過研究動力電池組的荷電狀態SOC與健康程度 （State of Health，簡稱SOH）動態估算方法，提高估算準確性和精確度；通過研究鋰離子電池組能量均衡控制技術與應用，以及電池充放電保護安全措施，優化電池充電過程，開發嵌入式電池智能管理系統，提高電池管理系統的性能。

3.4 建立完善的磷酸鐵鋰動力電池系統試驗驗證評價體系

通過研究鋰離子單體電池和電池模塊系統科學有效的試驗方法，建立運用工況法試驗電池系統循環壽命的方法；通過研究工況法試驗時放電電流的變化規律，以及不同類型驅動電機在確定的工況下蓄電池的放電電流的變化規律，建立磷酸鐵鋰動力電池系統出廠試驗方法。

通過研究磷酸鐵鋰動力電池系統裝車試驗的內容和方法，建立磷酸鐵鋰動力電池系統裝車后的工況法試驗體系。

根據磷酸鐵鋰動力電池裝車試驗結果與出廠試驗結果之間的差異，分析造成試驗結果差異的原因，提出改進出廠試驗的方法，建立全面、科學合理的評價磷酸鐵鋰動力電池系統的體系。

4 結束語

蓄電池技術的發展是電動汽車發展的關鍵，磷酸鐵鋰動力電池為電動汽車的發展帶來了新的希望。只有采取正確有效的措施，解決好磷酸鐵鋰動力電池的幾個關鍵技術問題，才能夠使磷酸鐵鋰動力電池的性能得到全面的提高，促進電動汽車產業的發展。

［1］陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現代電動汽車技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［2］曹秉剛，張傳偉，白志峰，等.電動汽車技術進展和發展趨勢［J］.西安交通大學學報， 2004， 38 （1）: 1-5.

［3］林成濤，李 騰，田光宇，等.電動汽車用鋰離子動力電池的壽命試驗［J］.電池， 2010， 40 （1）: 23-26.