鋰離子動力電池組結構分析

薛雯

摘 要：鋰離子動力電池在性能上的優勢突出，在純電動汽車及混合動力汽車上得到了重視，已廣泛應用。鋰離子動力電池各方面的性能需要滿足電動汽車的使用要求，在低溫充電的性能上鋰離子電池還有待提升。該文通過進行國內外現狀的對比，對鋰離子動力電池的結構中這一部分性能進行了分析，從結構和材料的選用上提升電池對使用需求的適應性。

關鍵詞：鋰離子動力電池 結構設計 概述 PTC加熱技術

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0036-02

1 鋰離子動力電池背景介紹

鋰離子電池是以鋰離子（Li+）在正負極活性材料中的脫嵌反應為基礎構建高能化學電源。鋰離子電池正極采用含鋰化合物，如LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2或LiFePO4等，負極采用石墨等碳素材料，電解液采用溶解有鋰鹽的有機電解液。

鋰離子電池以其比能量、比功率、循環壽命等方面的優勢在未來純電動（BEV）、插電式混合動力（PHEV）和混合動力（HEV）汽車領域具有廣闊應用前景。據研究機構預測，到2020年全球鋰電市場規模達到380億美金/年，是目前市場總量2.5倍，動力和儲能類電池需求量未來5年年均增長35%，到2016年動力和儲能電池成為未來鋰電池市場的主戰場。

近年來，日本、韓國、美國、歐盟、中國等相繼制定專項研究開發計劃，大力支持鋰離子動力電池的發展，基本形成了官產學研的聯盟體制，積極開展鋰離子動力電池等的技術攻關研究，極力搶占鋰離子動力電池市場。逐漸形成了有實力的汽車制造商與電池公司的聯合體，如，豐田與松下合資的PEVE，日產和NEC、NEC東金合資的AESC，三菱汽車、三菱公司與GS-Yuasa合資的LEJ，本田和GS-Yuasa合資的Blue Energy，三星和博世成立的SBMotive公司，江森自控和SAFT成立的JCS等。這些合資企業將成為鋰離子動力電池市場的主要競爭者。另外，一些包括Sanyo、Sony、Toshiba、SDI、LG化學、HVE等國外公司和天津力神、深圳比亞迪、深圳比克、杭州萬向等國內公司都在積極參與鋰離子動力蓄電池的開發。

應用于電動汽車的鋰離子動力電池需具有良好的安全可靠性型，較長的循環壽命，快速充電和較寬的溫度使用范圍。目前，電動汽車上使用的動力電池是由多個電池單體通過串并聯方式組成電池組，由于受到空間的限制，電池單體都緊密的布置在一起，在進行充放電時，各個電池單體所產生的熱量相互影響，如果散熱不均勻，將造成電池組局部溫度快速上升，產生較大的溫差，使電池一致性惡化，使用壽命大大縮短，在目前的電池系統中，已采用一些有效的措施將動力電池的最高溫度控制在合理的范圍內。但是低溫對動力電池的影響卻沒有得到有效的解決。當動力電池處于比較低的環境溫度下，電池的充放電性能會大大降低，導致電池無法正常工作，為了使電動汽車不受低溫影響，動力電池組必須擁有合理、科學和高效的加熱系統。

具備低溫充電能力的鋰離子電池采用PTC加熱技術，在低于0 ℃的環境溫度下，采用電池本身的電能為PTC加熱板供電，將電池溫度迅速提升至5 ℃以上，使得電池可以在低溫環境下進行充電，避免因電池負極材料析鋰而造成的安全隱患。可解決客戶在寒冷地區對電動汽車的使用要求。

2 具備低溫充電能力鋰電池組結構分析

一些采用鋰離子動力電池的電動汽車已得到應用推廣，如日產汽車在2010年推出的Leaf純電動汽車采用AESC提供的鋰離子電池，單體電池容量33.1 Ah，電壓3.8 V，采用軟包裝疊片結構，正極采用LMO和NCM混合體系，負極采用石墨。通用Chevy Volt PHEV汽車采用LG公司生產的錳系-鎳鈷錳三元/碳體系鋰離子電池，單體電池采用軟包裝疊片結構，總電量達到16 kWh。豐田Prius PHEV采用3.7 V 20 Ah單體電池，采用鎳鈷錳三元/復合碳材料體系，鋁殼結構。

當電池處于較低的溫度下（0 ℃以下），電池的充放電性能均快速衰減，研究表明，影響鋰離子電池低溫性能的因素主要有：（1）電解液的傳輸性能差。（2）充放電過程總由于金屬鋰的沉積導致電解液分解。（3）金屬鋰與電解液發生不可逆反應。（4）鋰離子在石墨負極中的擴散速度慢[1]。

目前電池系統的加熱技術尚未受到足夠重視，主要是因為電動汽車目前還未大規模使用，受到惡劣氣候影響的問題還沒有凸顯，但隨著電動汽車的逐步推廣，電池組的加熱問題是不可回避的。從技術上講，直接對電池電解液進行加熱只需幾分鐘就可以將電池從-40 ℃加熱到20 ℃，但存在電池安全和高頻交流電產生困難的問題。從電池外部加熱會比較安全，容易實現，但有加熱時間過長、加熱能量消耗大的問題。電池外部加熱主要有幾種加熱方法：（1）加熱板加熱。（2）加熱套加熱。（3）加熱膜加熱。（4）珀爾貼效應熱泵加熱等。

液體或氣體加熱方式是通過將加熱后的液體或氣體充入電池箱對電池進行加熱[2]。通用汽車公司推出的VOLT電動汽車采用液體對電池組進行加熱和散熱（圖1）。采用液體加熱，對電池箱的密封盒絕緣要求較高，會增加整改電池箱體的復雜程度，在可靠性方面尚有許多問題需要解決。

加熱板加熱是指在電池系統頂部或底部添加電加熱板，加熱時，電加熱板通電，加熱板的一部分熱量通過熱傳導方式直接傳給電池，還有一部分通過周圍被加熱的空氣以對流方式對電池加熱。采用加熱板加熱，加熱時間長，電池組溫度分布不均勻，易出現較大溫差。

加熱套加熱是指每塊電池單體上加一個加熱套，加熱套由電阻材料制成，這種加熱方式可以使電池組各電池單體受熱均勻，能量損失比較少。但是會造成電池散熱困難。

加熱膜加熱是指在每個電池單體表面積最大的兩個側面貼上加熱膜，加熱膜可采用聚酰亞胺作為絕緣材料類，合金箔作為發熱體，可承受溫度為-150 ℃～150 ℃，與加熱套相比，不會對電池散熱產生太大影響，并且可以簡化結構，加熱膜也是以動力電池組本身作為電源，但是這種加熱方式只是適合于方形電池。

鋰離子動力電池PTC（正溫度系數）加熱器利用陶瓷材料的相變效應，將PTC陶瓷發熱組件與波紋鋁條經高溫膠粘組成[3]。該類型PTC加熱器有熱阻小、換熱效率高的優點。具有以下明顯優勢。

（1）可超低溫啟動—即使-40 ℃也可照常啟動。

（2）因PTC發熱器的發熱功率隨環境溫度的降低而提高，同時在啟動時有比額定功率更高的沖擊功率（電流），所以在環境溫度較低時制熱速度較快。

（3）加熱器根據環境溫度自動調節功率，是一種自動恒溫、省電的電加熱器。

（4）PTC加熱器的是由PTC片組成的，所以PTC加熱器可以把PTC片均勻地分布在加熱器的表面，從而保障加熱器溫度的均勻度。

（5）電池加熱器的表面自控溫溫度一般為50 ℃～60 ℃，且加熱器的表面不發紅、無明火等現象，非常安全可靠。

PTC加熱器結構可分為空氣加熱方式和加熱板加熱方式。空氣加熱方式PTC加熱器結構簡單，其方式就是通過風扇把PTC發熱器的熱量送到電池包內，使電池包均勻受熱。如豐田普銳斯的設計就非常具有代表性。通過風扇把空氣經PTC加熱器吹進電池包，曖氣流流經電池包后對電池進行有效加熱。

加熱板加熱方式采用鋁型材作為結構件，結構牢固可靠，不易損壞，壽命長。鋁散熱件導熱好，受熱均勻，發熱面溫度溫差小于5 ℃，電池包加熱均勻性非常高。加熱器自控溫，控溫設計溫度在50 ℃～150 ℃，非常安全可靠。發熱器功率密度可根據電池包加熱升溫需要進行設計調整，可滿足電池包保溫、快升溫等加熱要求。PTC加熱器可采用加熱板加熱方式（圖2）。

作為目前新能源汽車廣泛使用的動力電池，鋰電池技術在很大程度上影響著新能源汽車產業的發展。因此，通過對電池的材料體系及結構進行優化，采用改性的正極、表面修飾的負極及獨特的電解液配方，解決鋰離子電池低溫放電及充電的瓶頸問題。

參考文獻

[1] 韓廣欣，韓金東，張秀軍，等.鋰離子電池組均衡充電的研究進展[J].電池工業，2009，14（1）：65-68.

[2] 張永剛，王成揚，閆裴.石墨電極廢料用作鋰離子需電池負極材料[J].電源技術，2007，31（8）：601.

[3] 孟蕊，邱瑞珍，高俊奎.電動工具用鋰離子電池的開發和性能研究[J].電源技術，2007，31（1）：30.