輕型載貨汽車鋰離子起動電池的可行性分析

庫國輝

（貴州梅嶺電源有限公司，貴州 遵義 563000）

0 引言

隨著汽車市場的日益發(fā)展，起動電池作為汽車的重要零部件也隨之迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的鉛酸電池與鋰離子電池在性能上有一定差別，鉛酸電池充放電可達400次，壽命在2 a左右[1]，鋰離子電池耐用性較強，消耗慢，充放電可超500次，壽命可達4～5 a，鋰離子電池體積相對鉛酸電池較小，拆卸、搬運更方便，同時質(zhì)保期較長[2]，因此本文采取鋰離子低溫起動電池進行方案設計，驗證其可行性。

本文在設計過程中本著“繼承、借鑒、提高、創(chuàng)新”的原則，嚴格執(zhí)行國家規(guī)范文件中的各項要求，貫徹實施“設計規(guī)范、試驗規(guī)范、工藝規(guī)范”的基本原則，相應主要規(guī)范如下：GJB 4477-2002《鋰離子蓄電池組通用規(guī)范》、GJB 2374A-2013《鋰電池安全要求》。

1 方案設計

本文在研制過程中嚴格按保障性的相關要求開展保障性分析和設計。保障性設計主要從使用保障性、維修保障性、保障資源三方面考慮。使用保障性設計：按照蓄電池技術說明書進行檢測和使用，即可保障電池組的正常使用。維修保障性設計：蓄電池在按照技術說明書使用或測試過程中，發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓或電性能異常，可返回廠家進行維修[3]。保障資源：蓄電池出廠時提供技術說明書等完整的文件資料，使操作人員在短時間內(nèi)可以操作。

在設計過程中采用防多余物設計、電池單體一致性設計、冗余設計、故障判斷等方式提高產(chǎn)品性能的可靠性，同時充分運用系列化設計、組合化設計、標準化設計及繼承性設計的可靠性設計準則，盡量采用已有的成熟技術和工藝。

1）對易產(chǎn)生多余物的部位，在結構設計上考慮多余物控制措施，主要采取單體電池為密封結構，杜絕了外部多余物進入電池內(nèi)部的可能性，以及產(chǎn)品在干凈、整潔的環(huán)境中進行裝配，且各零部件要求獨立包裝、防止多余物進入的兩條措施[4]。

2）在單體鋰離子電池生產(chǎn)過程中進行嚴格的篩選并進行配組，確保單體的一致性[5]。

3）蓄電池中控制回路采用雙點雙線的冗余設計。

4）判斷蓄電池是否出現(xiàn)故障的主要依據(jù)是蓄電池的電壓是否正常。當蓄電池開路失效故障時，蓄電池電池電壓明顯下降；當蓄電池性能發(fā)生嚴重衰減時，蓄電池的放電電壓下降速率加快，并偏離正常值為判斷依據(jù)[6]。

本文對24 V/20 A·h鋰離子起動電池進行設計，24 V蓄電池是一款集成鐵鋰電池的充/放電一體式電源設備。該蓄電池采用了同進同出的接口，集成充電回路和放電回路，蓄電池為8節(jié)3.65 V電池進行串聯(lián)，實現(xiàn)最大電壓29.2 V，集成硬件層+軟件層雙重控制的保護板設計，同時具備過放、過流、短路、溫度、防反接等保護措施。蓄電池框圖如圖1所示。

圖1 鋰離子起動電池原理圖

鋰離子起動電池原理圖如圖1所示，放電功率回路由蓄電池經(jīng)功率開關MOS、輸出接口單元輸出給起動設備；蓄電池監(jiān)控包括硬件層+軟件層雙重控制的BMS管理單元，將監(jiān)控的蓄電池過充、過放、過流、短路及每節(jié)單體電壓數(shù)據(jù)信號傳遞給MCU控制器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后輸出對應控制使能信號以控制充電或放電回路；輸出監(jiān)控采集單元將輸出接口端的狀態(tài)數(shù)據(jù)（如外部電源接入檢測、防反接檢測、電壓采集、電流采集、過流檢測、短路檢測等）信號傳遞給MCU控制器，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后輸出對應使能信號，控制著功率開關MOS的開通與關斷。

穩(wěn)壓電源由蓄電池及外部接口輸入電源來提供所需的輸入源，經(jīng)電源拓樸結構轉(zhuǎn)換后輸出VDD電源，以保證MCU控制器正常工作所需要的電壓源。蓄電池具有以下擴展選裝功能：在低溫環(huán)境條件下，因鋰電的特性，放電倍率下降，為保證其輸出能力，配置低溫加熱組件、功率開關、加熱控制管理單元、溫度采集單元及配合MCU控制器共同完成加熱模組的系統(tǒng)控制；按鍵開關控制單元由一個總開關完成其系統(tǒng)的開機或關機等控制操作；電量燈及狀態(tài)顯示單元采用多顆LED燈顯示，分4擋視覺顯示當前電量，如25%、50%、75%、100%，異常狀態(tài)指示采用將4顆指示燈進行不同狀態(tài)來編碼。

2 三維模型建立

本著“通用化、系列化、組合化”的基本要求進行單體電池和電池組設計，結構上的設計盡可能選用標準件和通用件[7]。單體鋰離子電池生產(chǎn)工藝成熟、性能穩(wěn)定，能滿足使用要求，系統(tǒng)零部件所選用的原材料均為通用原材料[8]。本文蓄電池的單體鋰離子電池采用寬溫磷酸鐵鋰電芯，單體電池設計額定容量20 A·h，經(jīng)試驗驗證，可以滿足電性能要求；并具有主動均衡功能，外殼采用鋁合金板加工而成。通過分析，蓄電池在生產(chǎn)、使用等方面難度較小，設計方案可行。

鋰離子電池采用8只20 A·h單體電池串聯(lián)設計，工作電壓范圍可取16～29.2 V，額定電壓為25.6 V，電池組額定容量為20 A·h，可以滿足技術指標的要求。起動電池組的具體設計指標如表1所示。

表1 鋰離子電池設計指標

電池組PACK由8個單體電池串聯(lián)，單體電池通過銅匯流條鉚接串聯(lián)，PACK總正、總負通過M6 接線端子引出，PACK結構如圖2所示，電池外觀結構如圖3所示。

圖2 PACK結構圖

圖3 外觀結構圖

3 工藝可行性分析

在整個工藝流程中，要求所有操作人員均經(jīng)培訓考核，并持證上崗，對關鍵部位的操作人員，采取投產(chǎn)前由設計、工藝、質(zhì)量管理等技術人員進行現(xiàn)場技術交底的培訓制度。在生產(chǎn)中所用工裝設備、計量器具和測試設備均納入計量管理程序，并按規(guī)定的檢定周期進行定期計量和校準，確保了工裝設備、計量器具和測試設備完好，并在檢定的有效期內(nèi)使用，以確保各項測試數(shù)據(jù)的準確可靠。由于載貨汽車工作時常伴有振動，以及遇雨季天氣需防止雨水進入殼體內(nèi)部對元器件連接造成損壞，故此電池堆殼內(nèi)定型和密封殼體的防水工序極為關鍵。

3.1 電池堆殼內(nèi)定型

電池堆放入殼體內(nèi)用發(fā)泡膠固定，以防震動導致內(nèi)部元器件連接異常，此工序極為重要，因此確定電性連接無誤后，殼體空余部分灌發(fā)泡膠固定，澆灌過程中注意電池堆溫度變化，具體要求如下。

1）發(fā)泡環(huán)境要求。在20～30 ℃環(huán)境中準備，濕度≤90%。

2）發(fā)泡比例。發(fā)泡膠分A膠和B膠兩種，使用時A膠（淺色）和B膠（棕褐色）比例1:1.1，混合攪拌均勻后待用（大燒杯內(nèi)攪拌，攪拌方向順時針）。注意：攪拌好的膠10 min后不能再次使用。

3）發(fā)泡操作。a.發(fā)泡前檢測。完成電池堆與保護板所有電性連接，檢測合格后入殼。b.將電池堆放入發(fā)泡夾具內(nèi)，四周固定（殼體不能有明顯內(nèi)凹現(xiàn)象），再從頂部將電池堆固定，避免發(fā)泡時電池堆上浮，注意保護保護板上的元器件。c.將攪拌好的膠沿殼體四邊對稱分2次倒入殼體，第一次倒入70～80 g，第二次倒入30～50 g（可根據(jù)實際情況增減）。d.待靜止0.5 h后，再放入45 ℃環(huán)境下保溫2 h。e.檢查殼體內(nèi)部發(fā)泡膠是否填充完整，電池堆（保護板）是否有晃動，若存在上述情況，需補充發(fā)泡膠。f.取下發(fā)泡夾具，檢測電池外殼是否有鼓脹現(xiàn)象，若無則正常流轉(zhuǎn)，若有則按不合格品處理。

3.2 密封殼體防水

密封殼體，以防殼內(nèi)進水燒壞電池堆以及其他元器件。

1）密封前準備。a.環(huán)境要求。在25～35 ℃環(huán)境中準備。b.電池殼放入40 ℃高低溫箱中保溫0.5 h以上，待密封前取出，馬上進行密封。

2）密封膠配比。密封膠由奧克萊公司提供，分A膠和B膠兩種，使用時A膠和B膠比例為4:1，混合攪拌均勻后待用。

3）密封操作。a.將在40 ℃下保溫0.5 h以上的電池蓋取出后，放置在水平的桌面上，用帶針頭的注射器取20 mL密封膠均勻注入到電池蓋的密封槽內(nèi)，注入后用針頭刮一圈密封槽，確保槽內(nèi)無氣泡。b.將在40 ℃下保溫0.5 h以上的電池殼體取出后，倒扣在電池蓋上，殼體口部放入密封槽內(nèi)，倒扣過程輕拿輕放，防止損傷殼體和蓋。c.在倒扣好的殼體頂部放置重物，重物均勻放置，防止殼體受力不均勻，嚴禁再次挪動電池殼。d.待靜止0.5 h后，再次在接口處補膠，補膠量約到密封槽口部的2/3處即可。e.補好膠后靜止24 h即可。

4 電性能驗證

依據(jù)采用相同電池材料制備的3.4 A·h低溫電芯進行性能測試。

25 ℃起動性能：500 A放電5 s，電壓不低于15.0 V；-18 ℃起動性能：300 A放電10 s，電壓不低于14.4 V；-30℃起動性能：150 A放電10 s，電壓不低于14.4 V；充滿電后，在-40 ℃環(huán)境下擱置24 h，取出后在常溫（20～30 ℃）的車輛上進行實車起動試驗，能成功起動車輛20次以上；標稱容量：20 A·h（20小時率）；儲備容量：20 A電流放電不低于54 min。

蓄電池組滿電狀態(tài)下，在常溫20 A放電，放電3640 s時，電壓值為20.19 V，滿足常溫容量放電指標要求。蓄電池組常溫20 A放電時間-電壓曲線如圖4所示。

圖4 蓄電池組常溫20 A放電時間-電壓曲線

1）25℃起動性能：500 A放電5 s，電壓不低于15.0 V。

將滿電狀態(tài)蓄電池組常溫下500 A放電6.26 s，蓄電池組電壓為22.5 V，滿足電壓不低于15.0 V的要求。蓄電池組常溫500 A放電時間-電壓曲線如圖5所示。

圖5 蓄電池組常溫500 A放電時間-電壓曲線

2）-18 ℃起動性能：300 A放電10 s，電壓不低于14.4 V。

將滿電狀態(tài)下的蓄電池組以300 A放電11.6 s，蓄電池組電壓為18.8 V，滿足電壓不低于14.4 V指標要求。蓄電池組-18 ℃下300 A放電時間-電壓曲線如圖6所示。

圖6 蓄電池組-18 ℃下300 A放電時間-電壓曲線

3）-30 ℃起動性能：150 A放電10 s，電壓不低于14.4 V。

將滿電狀態(tài)下的蓄電池組以150 A放電317 s，蓄電池組電壓為25.4 V，滿足電壓不低于14.4 V指標要求。蓄電池組-30 ℃下150 A放電時間-電壓曲線如圖7所示。

圖7 蓄電池組-30 ℃下150 A放電時間-電壓曲線

4）-40 ℃低溫起動性能：充滿電后，在-40 ℃環(huán)境下擱置24 h，取出后在常溫（20～30 ℃）的車輛上進行實車起動試驗，能成功起動車輛20次以上。將滿電蓄電池組在-40 ℃環(huán)境中擱置30 h，取出后按180 A、間隔5 s進行連續(xù)25 次起動，末次蓄電池組電壓為25.48 V，測試數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 蓄電池組-40 ℃下180 A連續(xù)起動25次放電曲線

5）加熱試驗。

按QC/T 743-2006 標準第6部分進行加熱試驗，將電池模組置于60 ℃高溫箱中，24 h前后電壓和質(zhì)量變化如圖9所示。以20 A放電電流放電，放電至電壓為19.78 V時，放電時間為0.982 h，放電容量為19.64 Ah。電池組置于60 ℃的高低溫箱中，24 h放電曲線如圖10所示。

圖9 實測電池組置于60 ℃電壓、質(zhì)量變化對比圖

圖10 電池組置于60 ℃的高低溫箱中24 h放電曲線圖

5 結論

本文設計方案從電芯選型到電芯的篩選，最后到PACK結構串聯(lián)設計，實現(xiàn)最大電壓可輸出29 V，起動電池整體方案集硬件層+軟件層控制，具備過流、過放、短路等保護措施。其25 ℃起動性能、-18 ℃起動性能、-30 ℃起動性能、-40 ℃起動性能均滿足指標要求，為實際生產(chǎn)提供參考。