动力电池之包与保

襄樊南车专用汽车股份有限公司 宋喜秀

动力电池之包与保

襄樊南车专用汽车股份有限公司 宋喜秀

电动汽车电池包，电压极限不能超；电池容量要充裕，安全性能要达标。动力电池成组成包过程中承载的保电压、保容量、保安全、无故障的技术使命，使动力电池的发展之路任重而道远。

电池是化学能转变为电能的一种载体，由电池模组或单体电池组成的电池包，则是驱动电动汽车行驶和作业的动力源泉。由于车载动力电池单元的电气性能直接决定了电动汽车整车的机动性能，所以人们对动力电池的发展瓶颈特别关注：充电过程迟缓，放电机制敏感，力学性能迟钝，潜在安全风险……车载动力电池的各种短板效应，使其成为电动汽车技术突破的焦点和难点。

追根溯源，电池之迟，迟在与专用汽车运营特点不相适应的三个方面，表现为新能源电池面临的三个动力挑战（表1）：容量有极限，负载有局限，安全有隐患。所以，电池模组电池包的各种性能指标必须符合“保电压、保容量、保安全、无故障”的总体技术要求，才能解决车载新能源的动力挑战。

表1 新能源电池的动力挑战专用汽车特点动力电池难点解决方案长途跋涉，任劳任怨车辆空间有限，电池容量有限保存容量，快充慢放动力强劲，举重若轻电流强度偏小，负载能力有限保持电压，晶格不塌有备无患，随机应变颠簸工况频繁，环境温度多变保证安全，全面防范

保持电压 晶格不塌

1780年秋天，意大利医学家伽伐尼（Luigi Galvani）在解剖一只青蛙时，发现手术刀碰到青蛙大腿上的神经时，已经死掉了的青蛙的大腿会产生抽搐。伽伐尼换用铜和铁、铜和银等不同的金属器械连接到青蛙的肌肉和神经上，青蛙的尸体都会发生抖动；改用玻璃之类的介质搭接神经，青蛙腿则不会抖动——这就是电流生理学发展史上著名的“青蛙试验”。伽伐尼就此认为动物有自发电的本能，并认为动物的脑部是“分泌”电液的器官。

同时期的意大利物理学家亚历山德罗▪伏打（AlessandroVolta，又译伏特）却不以为然。伏打强调，电流效应的主体不是动物体，而是那些金属器械的属性差异，并于1800年春天以锌为负极，银为正极，用盐水作电解质溶液，成功发明了人类历史上第一套化学电源装置——“伏打电池（如图1）”。

图1 伏打电池

电解质溶液中正负两个电极的不同活性、不同电势产生的电势差（电压），是驱动电荷流动的根本动力。伏打电池开辟了化学电源和电气化学工业新时代，“伏”也被命名为电压参数U的计量单位（V）而载入史册。电压1V的物理学定义是：在载荷为恒定电流1A（安）的导线上，功率消耗为1W（瓦）的两点之间的电势差。化学电源产业经过200多年的技术积累，逐步形成了以铅酸蓄电池为代表的酸性蓄电池、以镍氢及镍镉电池为代表的碱性蓄电池、以锂离子电池为代表的新型高能中性蓄电池这三类蓄电池竞相发展的三足鼎立局面。三类常用蓄电池的单体电压见表2。

表2 3类常用蓄电池的单体电压电池类型铅酸蓄电池锂离子电池镍氢电池开路电压（V）2 . 1～2 . 2 4 . 1～4 . 2 1 . 4工作（额定）电压（V）2 . 0 3 . 6～3 . 7 1 . 2放电截止电压（V）1 . 7 2 . 6 0～2 . 7 5 1 . 0充电限制电压（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工作温度（℃）-2 0～7 0 -2 0～6 0 -1 0～5 0

锂是直径最小最活泼的金属，直径小体积小容量密度高，是组合动力电池的理想材料。但是，由于化学特性太活泼，潜在着安全隐患——锂金属暴露在空气中时，会与氧气产生激烈的氧化反应而爆炸。科学家们发现石墨及锂的化合物等材料的分子结构，是纳米等级的小晶格，可以用来储存锂离子（Li+），锂离子电池应运而生。锂离子电池主要由电芯和保护系统组成。电芯以锂-碳层间化合物（LiXC6）或钛酸锂（Li4Ti5O12）为负极，以钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）、镍钴锰三元锂（LiNiXCoyMnZO2）等锂的化合物为正极，以溶解有锂盐的有机溶液为电解质，能量密度大，输出电压高，自放电小，工作温度范围宽,充电效率高，输出功率大，使用寿命长,不含有毒有害物质，被认定为可以取代铅酸蓄电池解决车用新能源挑战的绿色动力电池。

图2 充电限制电压（恒流恒压充电法）

锂离子电池的本质是浓度差电池，充电时锂离子从正极活性物质晶格中脱出，经过电解液嵌入负极活性物质的晶格中；放电时，嵌入负极活性物质晶格中的锂离子又回到正极；锂离子电池的充放电过程，没有金属的溶解和析出，只有锂离子的嵌入和脱出。显而易见，嵌入层间晶格中的锂离子越多，充电量越大，回到正极的锂离子越多，放电量越高。但是，试验证明，充电时最高终止电压不能超过4.2V的充电限制电压（图2），否则，过充会因脱嵌锂离子数目过半，造成正极晶型储存格坍塌，而使电池呈现寿命终结状态，这是其一；其二，放电时，又要限制放电截止电压不能超过2.7V，通常以3.0V为下限保护电压，使负极保留有最低限度的锂离子，正极锂离子浓度不超限度，从而保障脱嵌嵌入通道畅通无阻；其三，缩小充放电电压范围，可以大幅提高电池的充放电循环寿命。充电不超上限值，放电不超下限量，而且需要精密控制——这就是电池电压保护系统的重要使命之一。

以锂离子电池3.7V的单体电压水平驱动电动汽车显然是远远不够的。为了满足汽车动力更高的电压需求，动力单元设计工程师将一定数量的单体锂离子电池串联成高压电池组模块，与电压保护系统等功能模块集成的电池管理系统（Battery Management System，缩写BMS，图3）一起装配成电池包，形成可以安全快捷充放电的动力单元。总部设在 美国加州硅谷地带的特斯拉（Tesla）汽车公司，是世界上第一个采用 锂离子电池的电动车公司，我国于2005年7月开发的大容量磷酸铁锂电池，已装备数以万计的纯电动商用车车型。晶格不塌，保持电压，脱嵌嵌入，从容收发。

图3 BMS功能框图

保存容量，快充慢放

电势差的形成离不开电极、回路、电解质及自发进行的氧化还原反应四项基本条件。其中，电极活性物质的数量、质量和利用率决定电池容量C（Ah）。电池容量是指电池存储电量的大小，包括充电量和放电量——给镍氢电池、铅酸蓄电池进行恒流恒压充电，然后以恒流放电，被测电池的放电量与充电量大致相当。锂离子电池因为有最低放电电压要求，所以锂电池容量特指在温度、放电率、终止电压等技术参数一定条件下电池能够放出的电量，是在连续放电时间T(h)内对电流I(A，安培)的积分：C=∫Idt。

电池容量分为实际容量、 理论容量与额定容量。额定容量是设计与生产时规定的容量，有8Ah、12Ah、15Ah等多种规格。单体电池的 理论容量可以根据法拉第电解定律和电极外形尺寸计算出来，但受车辆空间及电极活性限制，单体电池的实际容量十分有限。电池生产商将规定数量的单体电池并联成电池模组、电池包（图4），提高动力单元的实际容量。

图4 动力电池包

由上述容量计算公式不难看出，在额定容量条件下，锂离子电池的充放电时间是与充放电电流强度，即负载功率是反比例的数学关系。其中，实际充放电流强度（A）与额定容量（Ah）的比值，分别叫做充电倍率和放电倍率。电池在充放电循环和正常存放过程中，容量会发生衰减，而且，小倍率充放电衰减慢，大倍率充放电衰减快。

在电池的充放电循环过程中，电压与容量相辅相成。额定电压U(V)与额定容量C（Ah）的乘积就是电池存储电能的能量E（KW·h，千瓦时）。

E=∫UIdt =U×∫Idt=U×C。

电池能量指标是电池产品产量的计量单位，也是动力单元驱动整车做功的主要理论依据之一。电池包的能量配置有大量小容量单体电池与少量大容量单体电池2种组合模式。2种组合模式的配置工艺和生产成本各有千秋，动力单元设计工程师可以根据车辆的总体尺寸和性能指标进行优化设计。

图5 不同温度下的放电能力

为了提高续驶里程和作业效率，专用汽车对动力电池的普遍要求是快充慢放。“快充”的技术路线是恒流恒压充电法（如图2），即在大电流快速充电到充电限制电压后，再转入恒压充电模式，充电电流随着电池容量的逐步上升慢慢降低到零，自动停止充电。“慢放”的技术要求是，降低车辆的自身质量，提高电池的能量密度，选择阻力较小的路况和工况进行作业等。另外，环境温度影响电极活性和放电能力（图5），车辆在冬天运营，应做好车辆自身的预热和保温工作；在夏季运营，BMS中的热量管理系统则会启动散热及安全预警机制，避免续航时间严重缩水。

快充慢放，保存容量，充而不堵，放有余量。

保证安全，全面防范

由单体电池按照串联、并联配置要求集成的动力电池包，其本质仍然是化学电源结构，所以有易燃易爆易漏电的先天不足：自重和体积比较大，锂分子又比较活跃，即使在静止存放的状态下也有可能发生爆炸，BMS很难控制单体电池的一致性，再加上BMS自身死机的可能性和车身电路的复杂性（图6），因此在安全性管理上很难控制。据测试机构的数据显示，现有的电池模组电池包结构中，单体电池的安全风险普遍存在——低的风险包括漏液、变形、排气等潜在损失和损害，高的风险包括电弧、过流、爆炸等事故隐患，而且，电池的能量密度越高，漏液漏电、爆燃爆炸造成的伤害后果越严重。

2015年4月26日，五洲龙A10纯电动大巴在深圳普天新能源的深圳湾加电站充电时，因为车辆的BMS死机，在充电电压达到限制电压时充电电压保护系统失效，而且充电机也没有采取相应应急措施而继续充电，结果过充1小时18分钟，过充电量57.9 KW·h，最终，大巴尾部电池仓1号电池箱、左前轮后部电池箱等多个电池箱因承受不了高温负荷而破裂，电解液泄漏引发短路并继发自燃。调查显示，这是一起典型的过充失火事故。

图6 电动汽车电气原理拓扑图

图7 电池包进水起火

2015年12月13日下午5时许，由香港生产力促进局研发，并交由内地制造的首辆“香港品牌”电动巴士突然着火，全车瞬间陷于火海冒出浓烈黑烟并伴有爆炸声响。经消防部门初步调查，怀疑是电路短路引起的一次火警。

2016年7月9日上午，南京玄武区徐庄软件园内2辆泡在水里的海格大巴车先后突然起火。同样怀疑是因电池包进水后电池短路引发的火灾（图7）。

保障动力电池包的安全运行，既是动力电池技术突破的基础工程，同时也是新能源汽车推广的系统工程。需要通过总体控制技术，全面做好预防工作。

首先，是主动安全与被动安全相结合。BMS通过温度、电压、电流等技术参数监控装置及机械锁、电子锁等开关装置管理电池，是电池包的主动安全技术。除此之外，还有防水、防撞、防触电等被动安全技术，需要大量的长时间的滥用试验、模拟试验加以检测和完善。两种安全技术双管齐下，才能防患于未然。

其次，是安全技术与质量、安全制度相结合。电池包生产过程中，上线、下线、检测、包装等工序要按质量控制要求设置必要的质量控制点，车辆司乘、维保、监控人员应按规定的流程检查电池充放电过程中通讯协议的执行和指令传递情况，避免安全保护措施连环失效情况的发生。电动汽车的监控系统在一部分地区并没有起到真正的安全监控作用，更多的是作为数据采集工具而存在，有些地方甚至只是作为展示品应付参观。

再次，是技术突破与市场运用相结合。生产企业在政策利好时应保持市场理性，不能放松安全问题、技术问题，盲目追求数量扩张和产能扩大；科研部门要在保证安全的基础上进行研发，并将主要精力放在技术攻坚上，而不能片面地提高现有电池的能量密度；车辆运用单位，在安全要求等级比较高的运营环境，可以要求为电池包加装保险丝类二次保护装置。

最后，是标准化与竞争力相结合。据调查，国内新能源汽车零部件厂商，有的以性能指标取胜，有的以价格优势领先，有的以规模超前为荣，对于电芯、电池模块和电池包之间的间隙大小没有统一的要求；在插接套件、电极电缆等高压电气部件等系统安全防护方面也没有统一的规划；电池系统各部件的设计空间及整体设计也没有统一的标准，客观上存在的安全事故风险不可低估。

2017-02-01