動力電池之包與保

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，安全性能要達標。動力電池成組成包過程中承載的保電壓、保容量、保安全、無故障的技術使命，使動力電池的發展之路任重而道遠。

電池是化學能轉變為電能的一種載體，由電池模組或單體電池組成的電池包，則是驅動電動汽車行駛和作業的動力源泉。由于車載動力電池單元的電氣性能直接決定了電動汽車整車的機動性能，所以人們對動力電池的發展瓶頸特別關注：充電過程遲緩，放電機制敏感，力學性能遲鈍，潛在安全風險……車載動力電池的各種短板效應，使其成為電動汽車技術突破的焦點和難點。

追根溯源，電池之遲，遲在與專用汽車運營特點不相適應的三個方面，表現為新能源電池面臨的三個動力挑戰（表1）：容量有極限，負載有局限，安全有隱患。所以，電池模組電池包的各種性能指標必須符合“保電壓、保容量、保安全、無故障”的總體技術要求，才能解決車載新能源的動力挑戰。

表1 新能源電池的動力挑戰專用汽車特點動力電池難點解決方案長途跋涉，任勞任怨車輛空間有限，電池容量有限保存容量，快充慢放動力強勁，舉重若輕電流強度偏小，負載能力有限保持電壓，晶格不塌有備無患，隨機應變顛簸工況頻繁，環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，意大利醫學家伽伐尼（Luigi Galvani）在解剖一只青蛙時，發現手術刀碰到青蛙大腿上的神經時，已經死掉了的青蛙的大腿會產生抽搐。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上，青蛙的尸體都會發生抖動；改用玻璃之類的介質搭接神經，青蛙腿則不會抖動——這就是電流生理學發展史上著名的“青蛙試驗”。伽伐尼就此認為動物有自發電的本能，并認為動物的腦部是“分泌”電液的器官。

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

圖1 伏打電池

電解質溶液中正負兩個電極的不同活性、不同電勢產生的電勢差（電壓），是驅動電荷流動的根本動力。伏打電池開辟了化學電源和電氣化學工業新時代，“伏”也被命名為電壓參數U的計量單位（V）而載入史冊。電壓1V的物理學定義是：在載荷為恒定電流1A（安）的導線上，功率消耗為1W（瓦）的兩點之間的電勢差。化學電源產業經過200多年的技術積累，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相發展的三足鼎立局面。三類常用蓄電池的單體電壓見表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，是組合動力電池的理想材料。但是，由于化學特性太活潑，潛在著安全隱患——鋰金屬暴露在空氣中時，會與氧氣產生激烈的氧化反應而爆炸。科學家們發現石墨及鋰的化合物等材料的分子結構，是納米等級的小晶格，可以用來儲存鋰離子（Li+），鋰離子電池應運而生。鋰離子電池主要由電芯和保護系統組成。電芯以鋰-碳層間化合物（LiXC6）或鈦酸鋰（Li4Ti5O12）為負極，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溶液為電解質，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,不含有毒有害物質，被認定為可以取代鉛酸蓄電池解決車用新能源挑戰的綠色動力電池。

圖2 充電限制電壓（恒流恒壓充電法）

鋰離子電池的本質是濃度差電池，充電時鋰離子從正極活性物質晶格中脫出，經過電解液嵌入負極活性物質的晶格中；放電時，嵌入負極活性物質晶格中的鋰離子又回到正極；鋰離子電池的充放電過程，沒有金屬的溶解和析出，只有鋰離子的嵌入和脫出。顯而易見，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，試驗證明，充電時最高終止電壓不能超過4.2V的充電限制電壓（圖2），否則，過充會因脫嵌鋰離子數目過半，造成正極晶型儲存格坍塌，而使電池呈現壽命終結狀態，這是其一；其二，放電時，又要限制放電截止電壓不能超過2.7V，通常以3.0V為下限保護電壓，使負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系統的重要使命之一。

以鋰離子電池3.7V的單體電壓水平驅動電動汽車顯然是遠遠不夠的。為了滿足汽車動力更高的電壓需求，動力單元設計工程師將一定數量的單體鋰離子電池串聯成高壓電池組模塊，與電壓保護系統等功能模塊集成的電池管理系統（Battery Management System，縮寫BMS，圖3）一起裝配成電池包，形成可以安全快捷充放電的動力單元。總部設在 美國加州硅谷地帶的特斯拉（Tesla）汽車公司，是世界上第一個采用 鋰離子電池的電動車公司，我國于2005年7月開發的大容量磷酸鐵鋰電池，已裝備數以萬計的純電動商用車車型。晶格不塌，保持電壓，脫嵌嵌入，從容收發。

圖3 BMS功能框圖

保存容量，快充慢放

電勢差的形成離不開電極、回路、電解質及自發進行的氧化還原反應四項基本條件。其中，電極活性物質的數量、質量和利用率決定電池容量C（Ah）。電池容量是指電池存儲電量的大小，包括充電量和放電量——給鎳氫電池、鉛酸蓄電池進行恒流恒壓充電，然后以恒流放電，被測電池的放電量與充電量大致相當。鋰離子電池因為有最低放電電壓要求，所以鋰電池容量特指在溫度、放電率、終止電壓等技術參數一定條件下電池能夠放出的電量，是在連續放電時間T(h)內對電流I(A，安培)的積分：C=∫Idt。

電池容量分為實際容量、 理論容量與額定容量。額定容量是設計與生產時規定的容量，有8Ah、12Ah、15Ah等多種規格。單體電池的 理論容量可以根據法拉第電解定律和電極外形尺寸計算出來，但受車輛空間及電極活性限制，單體電池的實際容量十分有限。電池生產商將規定數量的單體電池并聯成電池模組、電池包（圖4），提高動力單元的實際容量。

圖4 動力電池包

由上述容量計算公式不難看出，在額定容量條件下，鋰離子電池的充放電時間是與充放電電流強度，即負載功率是反比例的數學關系。其中，實際充放電流強度（A）與額定容量（Ah）的比值，分別叫做充電倍率和放電倍率。電池在充放電循環和正常存放過程中，容量會發生衰減，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過程中，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電能的能量E（KW·h，千瓦時）。

E=∫UIdt =U×∫Idt=U×C。

電池能量指標是電池產品產量的計量單位，也是動力單元驅動整車做功的主要理論依據之一。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成本各有千秋，動力單元設計工程師可以根據車輛的總體尺寸和性能指標進行優化設計。

圖5 不同溫度下的放電能力

為了提高續駛里程和作業效率，專用汽車對動力電池的普遍要求是快充慢放。“快充”的技術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，自動停止充電。“慢放”的技術要求是，降低車輛的自身質量，提高電池的能量密度，選擇阻力較小的路況和工況進行作業等。另外，環境溫度影響電極活性和放電能力（圖5），車輛在冬天運營，應做好車輛自身的預熱和保溫工作；在夏季運營，BMS中的熱量管理系統則會啟動散熱及安全預警機制，避免續航時間嚴重縮水。

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、并聯配置要求集成的動力電池包，其本質仍然是化學電源結構，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下也有可能發生爆炸，BMS很難控制單體電池的一致性，再加上BMS自身死機的可能性和車身電路的復雜性（圖6），因此在安全性管理上很難控制。據測試機構的數據顯示，現有的電池模組電池包結構中，單體電池的安全風險普遍存在——低的風險包括漏液、變形、排氣等潛在損失和損害，高的風險包括電弧、過流、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重。

2015年4月26日，五洲龍A10純電動大巴在深圳普天新能源的深圳灣加電站充電時，因為車輛的BMS死機，在充電電壓達到限制電壓時充電電壓保護系統失效，而且充電機也沒有采取相應應急措施而繼續充電，結果過充1小時18分鐘，過充電量57.9 KW·h，最終，大巴尾部電池倉1號電池箱、左前輪后部電池箱等多個電池箱因承受不了高溫負荷而破裂，電解液泄漏引發短路并繼發自燃。調查顯示，這是一起典型的過充失火事故。

圖6 電動汽車電氣原理拓撲圖

圖7 電池包進水起火

2015年12月13日下午5時許，由香港生產力促進局研發，并交由內地制造的首輛“香港品牌”電動巴士突然著火，全車瞬間陷于火海冒出濃烈黑煙并伴有爆炸聲響。經消防部門初步調查，懷疑是電路短路引起的一次火警。

2016年7月9日上午，南京玄武區徐莊軟件園內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水后電池短路引發的火災（圖7）。

保障動力電池包的安全運行，既是動力電池技術突破的基礎工程，同時也是新能源汽車推廣的系統工程。需要通過總體控制技術，全面做好預防工作。

首先，是主動安全與被動安全相結合。BMS通過溫度、電壓、電流等技術參數監控裝置及機械鎖、電子鎖等開關裝置管理電池，是電池包的主動安全技術。除此之外，還有防水、防撞、防觸電等被動安全技術，需要大量的長時間的濫用試驗、模擬試驗加以檢測和完善。兩種安全技術雙管齊下，才能防患于未然。

其次，是安全技術與質量、安全制度相結合。電池包生產過程中，上線、下線、檢測、包裝等工序要按質量控制要求設置必要的質量控制點，車輛司乘、維保、監控人員應按規定的流程檢查電池充放電過程中通訊協議的執行和指令傳遞情況，避免安全保護措施連環失效情況的發生。電動汽車的監控系統在一部分地區并沒有起到真正的安全監控作用，更多的是作為數據采集工具而存在，有些地方甚至只是作為展示品應付參觀。

再次，是技術突破與市場運用相結合。生產企業在政策利好時應保持市場理性，不能放松安全問題、技術問題，盲目追求數量擴張和產能擴大；科研部門要在保證安全的基礎上進行研發，并將主要精力放在技術攻堅上，而不能片面地提高現有電池的能量密度；車輛運用單位，在安全要求等級比較高的運營環境，可以要求為電池包加裝保險絲類二次保護裝置。

最后，是標準化與競爭力相結合。據調查，國內新能源汽車零部件廠商，有的以性能指標取勝，有的以價格優勢領先，有的以規模超前為榮，對于電芯、電池模塊和電池包之間的間隙大小沒有統一的要求；在插接套件、電極電纜等高壓電氣部件等系統安全防護方面也沒有統一的規劃；電池系統各部件的設計空間及整體設計也沒有統一的標準，客觀上存在的安全事故風險不可低估。

2017-02-01