增程式純電動客車用鋰離子電池系統的研發

劉 輝，陳保貴，張君怡

(河南新太行電源有限公司，河南新鄉453000)

交通能源與環境問題是21世紀全球面臨的重大挑戰，也是制約汽車工業可持續發展的癥結所在。在環境和能源的雙重壓力下，電動汽車重新成為世界各國尤其是發達國家研究的重點。對于我國來說，電動汽車的研發還是趕超世界汽車強國的唯一出路[1-3]。

純電動汽車受限于成本高、續駛里程短等缺陷，在市場上的推廣應用受到了較大限制，只在政府主導的公交車、公務車上得到了部分示范應用，離真正的商業化運營還有很長的路要走。增程式汽車具有極低的排放，能源利用效率較傳統汽車提高近一倍，近年來受到各大車企的重視，投入巨資進行競相開發，在國家“863”增程式純電動轎車研發與產業化技術攻關項目支持下，河南新太行電源有限公司、山東東營科嶺電動車有限公司、廣汽客車等單位實施了增程式電動客車開發。本文介紹了增程式純電動客車用鋰離子電池系統435.2 V/300 Ah的研發過程，包括電池性能的優化、蓄電池組內部結構設計、管理系統(BMS)的功能與設計、性能測試與應用等。

1 開發目標

根據增程式純電動客車的使用要求，對于動力型鋰離子電池組的主要技術指標要求為：(1)電池容量300 Ah；(2)標稱電壓435.2 V；(3)工作溫度范圍：－20～60℃；(4)持續最大放電電流200 A；(5)峰值放電電流300 A；(6)允許最大回饋電流300 A。

根據以上使用要求和車上電池組的安裝空間，結合電池組的尺寸和電壓，最終確定此套鋰離子電源系統分為17個箱體，每箱電池的規格為25.6 V/300 Ah，17個箱體串聯使用。

動力型電池系統除了要滿足以上要求以外，還要具有良好的熱管理系統和智能化的電池管理控制系統。每個箱體內安裝數據采集模塊和散熱系統，17個箱體電池的數據處理由專用的高壓箱來完成。

汽車用動力型電池系統必須具備高效、耐久、一致性保持性好、安全可靠等特點，是本文開發、研究的重要內容。

2 研究內容

2.1 單體電池的設計與性能優化

對于電動汽車來說，安全性對于人員密集的交通工具尤為重要，必須充分考慮所選用電池組的安全性。磷酸鐵鋰作為正極材料制成的鋰離子電池在現有已實現工業化生產鋰電產品中安全性能最高。本項目選用LiFePO4作為單體電池正極材料體系，選用自動化程度高、技術成熟的圓柱形電芯[1-2]。

增程式汽車配置的電池總能量遠少于純電動汽車，但其在純電行駛時要求和純電動汽車具有相同的功率輸出及電流回饋輸入，這就對電池提出了更高的要求，對原有的在純電動汽車上使用的電芯必須進行優化，生產出能量、功率兼顧型電芯，電芯優化和調整方面主要有：(1)正極板制造優化，正極材料選擇安全性高的進口磷酸鐵鋰材料，采用新型涂敷技術及電極涂敷的在線監測、反饋和控制系統，控制電極涂敷均勻性，保證電池一致性；(2)負極材料的選擇及優化；(3)正負極活性材料粒徑、比表面積優化設計；(4)導電劑優化設計；(5)功能型電解液優化選擇；(6)功能型隔膜材料優化選擇。

2.2 鋰離子蓄電池組內部結構設計

2.2.1 電池組合結構設計

鋰離子電源系統電池組采用自主專利技術生產的標準單體模塊單元，提高了裝配的效率和精確度。電池組內部組合采用螺栓連接，整個螺栓連接形成三維網絡結構，提高了整個電池組的機械強度。電池組和箱體之間利用固定架用螺栓進行固定，使電池組和箱體聯成一體，可以承受汽車惡劣條件下對動力電池強裂振動、顛簸、沖擊振動[4-5]。

2.2.2 熱管理系統

鋰離子蓄電池組采用先進的電池恒溫技術即主動式熱管理系統。在設定溫度情況下，電池組啟動加熱或散熱控制元件，當溫度控制到設定值時，關閉加熱或散熱控制元件，溫度控制采用智回環路方式，不會頻繁地啟動或關閉加熱或散熱裝置。

2.2.3 防塵防水設計

鋰離子電池組采用整體防水、防塵設計，能夠滿足汽車在雨水等惡劣環境中正常行駛。

2.2.4 電池組箱體設計

電池組外殼主要采用陰極電泳防腐處理，然后再進行靜電噴塑，使外殼美觀大方，且具有優良的防腐蝕、防銹蝕、抗老化能力。

2.3 管理系統的設計與功能

管理系統(BMS)是車用鋰離子電池組安全使用的重要保證，充放電過程中必須實時對電池各種技術參數進行準確監控，并采取正確策略。BMS應具有的功能為：電池狀態的實時監控、數據處理、預充電、故障分析和定位、SOC估算、數據傳輸、熱管理、充放電控制、PC機在線監控、運行數據存儲、數據轉儲和數據庫管理等功能[3]。

3 性能測試與應用

根據項目研發的需要，對電源系統進行了測試，系統測試項目及結果見表1。

根據項目電源系統的性能要求，對研發的能量、功率兼顧型電芯進行了循環壽命測試，循環曲線如圖1所示。

表1 系統測試項目及結果

圖1 IFR26650-3000鋰離子電池循環曲線

根據項目電源系統的性能要求，對電源系統進行了常溫下0.5C充放電測試，測試結果符合項目要求。充放電曲線如圖2所示。

圖2 鋰離子電池組的充放電曲線

電源系統的常溫下1/3C充放電電池溫度變化曲線如圖3所示。

根據車輛的實際工況需求，對電源系統進行了模擬工況，實驗曲線如圖4所示。

圖3 鋰離子電池組充放電過程中溫度變化曲線

圖4 鋰離子電池組的模擬工況實驗曲線

4 結語

本項目產品即增程式純電動客車用鋰離子電池系統435.2 V/300 Ah已于2012年3月在山東科嶺動力有限公司生產的增程式純電動客車上裝車運行，運行一年多以來，電池組性能優異，系統性能穩定，完全滿足車輛實況運行。一年來電池溫度始終不超過40℃，溫差不大于5℃。目前該款產品已經批量生產、裝車運行，性能穩定，安全可靠，得到用戶的好評，取得了較好的經濟效益和社會效益。

[1]YANG S F，PETER Y Z，STANLEY M，et al.Hydrothermal synthesis of lithium iron phosphate cathodes[J].Electrochemistry Communications，2001(3):505-508.

[2] 陳晗，薄紅志，范長嶺，等.鋰離子電池正極材料LiFePO4的研究進展[J].電池工業，2006，11(5)：345-349.

[3] 李相哲，蘇芳，林道勇，等.電動汽車動力電源系統[M].北京：化學工業出版社，2011：9

[4] 程迪，劉輝，陳保貴，等.一種新型電池成組組合裝置：中國，ZL201120509774.9[P].2012-07-25.

[5] 高建保，劉輝，陳保貴，等.一種大容量電池組合模塊：中國，ZL201120239047.5[P].2012-01-11.