0 引言
節(jié)能和環(huán)保是目前汽車技術(shù)研究的主要方向，電動(dòng)汽車要實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模化并占有更多的市場份額，動(dòng)力電池是制約電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展的瓶頸。作為電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的零部件，動(dòng)力蓄電池包必須滿足安全性好、性能高、價(jià)格低廉和壽命長等要求。目前世界各地都在做相應(yīng)的研究和開發(fā)，以期改善蓄電池的特性。即使性能最好的蓄電池單體，組合成蓄電池包同樣會(huì)導(dǎo)致蓄電池包整體的性能、壽命和安全性能降低。因此，做好蓄電池包的選型匹配工作是非常有必要的。
1 鋰離子蓄電池的安全性分析
安全性是鋰離子蓄電池的最大關(guān)注點(diǎn)。由于電池的比能量高，且電解液大多為有機(jī)易燃物，當(dāng)電池生熱的速度大于散熱速度時(shí)，就會(huì)有可能出現(xiàn)安全問題[1]。因此對(duì)于車輛上使用的蓄電池應(yīng)該有更嚴(yán)格的要求。
1.1 電池設(shè)計(jì)對(duì)鋰離子蓄電池安全性的影響
隨著鋰離子動(dòng)力電池循環(huán)的進(jìn)行，電池容量逐步降低，內(nèi)阻增大，正極相對(duì)負(fù)極而言有較大的結(jié)構(gòu)變化，與此同時(shí)，負(fù)極表面的SEI膜增厚，在循環(huán)的末期有鋰和鋰的化合物沉積。即使新電池在出廠時(shí)能通過安全性試驗(yàn)，但是電池在使用的后期不一定再能通過，這是因?yàn)樵谑褂眠^程中正負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，在使用后期會(huì)析出金屬鋰; 在電化學(xué)循環(huán)過程中，極帶表面敷料的不均勻性易造成金屬鋰的不均勻沉積而形成枝晶，引發(fā)安全問題。欲獲得更為可靠和安全的鋰離子動(dòng)力蓄電池包，在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮時(shí)效性，尤其是考慮電池在使用后期的安全性。
電池的使用環(huán)境對(duì)電池的安全性能起著關(guān)鍵性的作用，尤其是電池在誤用或?yàn)E用條件下。長期使用的蓄電池的耐熱擾動(dòng)及耐濫用能力變差，為了避免電池在濫用時(shí)內(nèi)部物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，需對(duì)不同結(jié)構(gòu)的電池采用針對(duì)性設(shè)計(jì)。
對(duì)于圓柱與方形鋼殼結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，具有安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣體時(shí)，安全機(jī)構(gòu)就會(huì)啟動(dòng)。此外，還可以降低電池溫度以消除熱失控。而對(duì)于鋁塑包裝膜電池，由于內(nèi)部沒有保護(hù)裝置，對(duì)電池的設(shè)計(jì)要求更加苛刻。當(dāng)發(fā)生誤用與濫用時(shí)，隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體逐步增大，會(huì)將包裝膜鼓脹或?qū)X膜焊封位置鼓破而泄壓，以保證蓄電池的使用安全。
1.2 電池材料對(duì)鋰離子蓄電池安全性的影響
電池材料的熱穩(wěn)定性是影響鋰離子動(dòng)力電池安全性的重要因素，主要跟電池材料的熱穩(wěn)定性相關(guān)。當(dāng)電池的溫度升高時(shí)，電池內(nèi)部就有熱反應(yīng)發(fā)生，如果產(chǎn)生的熱量超過了散失的熱量，就會(huì)發(fā)生熱逸潰[2]。

正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子的嵌入和脫出有著決定性影響，因而影響電池的循環(huán)壽命，如圖1所示。使用容易脫嵌的活性材料，充放電循環(huán)時(shí)活性材料的結(jié)構(gòu)變化小且可逆，有利于延長電池的壽命[3]。在鋰離子電池濫用的條件下，隨著電池內(nèi)部溫度的升高，發(fā)生正極活性物質(zhì)的分解和電解液的氧化。這兩種反應(yīng)將產(chǎn)生大量的熱，從而導(dǎo)致電池溫度的進(jìn)一步上升。同時(shí)不同的脫鋰狀態(tài)對(duì)活性物質(zhì)晶格轉(zhuǎn)變、分解溫度和電池的熱穩(wěn)定性影響相差很大。尋找熱穩(wěn)定好的正極材料是鋰離子動(dòng)力電池的關(guān)鍵。

圖1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

2 蓄電池成組選型
蓄電池作為EV、HEV、PHEV上的動(dòng)力電源，必須要具有足夠的能量，但是單體電芯又無法滿足該能量需求，因此就需要大量的單體電芯進(jìn)行串并聯(lián)組合。電池包的設(shè)計(jì)要考慮到電池組的重量、體積以及在車輛空間上的分配等。
電池包的結(jié)構(gòu)有很大的多樣性，這主要是因?yàn)樗x取電芯的種類繁多，形狀大小不一，不同車輛上需求的電芯數(shù)量不一，車輛上有效裝載電池包的空間不同，還有要考慮到散熱加熱設(shè)計(jì)等等因素。在設(shè)計(jì)電池包時(shí)，主要是根據(jù)所選取電芯的形狀、數(shù)量，合理的排列擺放方式，以及電池包在車輛上的有效裝載空間來確定。
2.1 電動(dòng)車輛對(duì)電池性能的要求
（1）純電動(dòng)汽車對(duì)電池的工作要求
純電動(dòng)汽車行駛完全依賴電池提供能量，電池容量越大，續(xù)駛里程就越長，所需電池包體積、重量也越大。純電動(dòng)汽車要根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)、道路情況和行駛工況的不同來選配電池。
① 電池包要有足夠的能量和容量。
② 電池要能夠?qū)崿F(xiàn)深度放電(例如80％)而不影響其壽命，在必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷功率和全放電。
③ 需要安裝電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)，顯示電池組的剩余電量和實(shí)現(xiàn)溫度控制。
④ 由于動(dòng)力電池組體積和質(zhì)量大，電池箱的設(shè)計(jì)、電池的空間布置和安裝問題都需要認(rèn)真研究。
（2）混合動(dòng)力汽車對(duì)電池的工作要求
混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車相比對(duì)電池的容量要求有所降低，但要能夠根據(jù)整車要求實(shí)時(shí)提供更大的瞬時(shí)功率，即要實(shí)現(xiàn)“小電池提供大電流”。由于混合動(dòng)力汽車構(gòu)型的不同，串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車對(duì)電池的要求又有差別。
① 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車完全由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，內(nèi)燃機(jī)—發(fā)電機(jī)總成與電池組一起提供電機(jī)需要的電能，電池SOC處于較高的水平，對(duì)電池的要求與純電動(dòng)汽車相似，但容量要小一些。
② 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)都可直接對(duì)車輪提供驅(qū)動(dòng)力，整車的駕駛需求可以由不同的動(dòng)力組合結(jié)構(gòu)來滿足。動(dòng)力電池的容量可以更小，但是要求電池組瞬時(shí)提供的功率能滿足汽車加速或爬坡要求，電池的最大放電電流有時(shí)可能高達(dá)20C以上。
在不同類型的混合動(dòng)力汽車上，由于工作環(huán)境、汽車構(gòu)型、工作模式的復(fù)雜性，對(duì)混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池提出統(tǒng)一的要求是比較困難的，但一些典型、共性的要求可以歸納如下：
1) 電池的峰值功率要大，能短時(shí)大功率充放電。
2) 循環(huán)壽命要長，達(dá)到1000次以上的深度放電循環(huán)和40萬次以上的淺度放電循環(huán)。
3) 電池的SOC應(yīng)盡可能保持在50％~85％的范圍內(nèi)。
4) 需要配備電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。
(3) 可外接充電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)對(duì)電池的工作要求
PHEV對(duì)動(dòng)力電池的要求要兼顧純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式。如圖2所示，PHEV在設(shè)計(jì)上既要實(shí)現(xiàn)城市里以純電動(dòng)模式的行駛又要實(shí)現(xiàn)在高速公路上以混合動(dòng)力模式的行駛(電池電量也在消耗)。PHEV期望純電動(dòng)工作模式的行駛里程達(dá)到幾十公里，而且期望電池在低SOC時(shí)也能提供很高的功率水平。

圖2  PHEV 的工作模式

圖3  PHEV、EV和HEV對(duì)電池要求的差別

圖3給出了PHEV、EV和HEV對(duì)電池的要求在功率密度和能量密度上的差別。從成本上講，由于電池成本高，PHEV的售價(jià)會(huì)比傳統(tǒng)汽車和無純電動(dòng)模式的混合動(dòng)力汽車高，用戶也會(huì)期望PHEV電池性能好、壽命長。可見，PHEV對(duì)電池的要求是非常高的。
2.2 電池包形狀及在車上的裝載位置
由于組成電池包的電芯形狀各異，數(shù)量不一，排列固定的方式不同，以及電池包散熱通風(fēng)管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同，使得電池包的形狀各不相同，如圖4所示。電池包除了其裝載固定電池的作用外，還起著要起到密封、防水、保護(hù)電池免受外界沖擊、外界熱量干擾等功能。 因其在車輛上裝載的空間位置不一，導(dǎo)致電池包的結(jié)構(gòu)具有很大的多樣性。

圖4 不同類型的電芯、模組和電池包

圖5 電池包形狀及在車上的安裝位置

此外，整車廠確定電池包形狀時(shí)不僅要考慮到電芯的規(guī)格性能還要考慮到電池包在整車的安裝位置等，如圖5所示。
2.3 單體電芯的性能比較
究竟是采用單體大容量電芯技術(shù)方案還是小容量電芯并聯(lián)技術(shù)方案一直是業(yè)內(nèi)人士爭論的問題。采用哪種技術(shù)路線取決于是電池成組后的結(jié)果，是否在性能、體積、重量、價(jià)格、安裝等方面具有優(yōu)越性。
（1）不同容量單體電芯的比較
在PHEV、HEV和EV的電池包上使用單體大容量電芯與小容量電芯并聯(lián)是有很大差別的。采用單體大容量電芯存在裝配成本低，電池成本高，不利于散熱等方面的不足；而小容量的電芯成本低，安全性能好。目前有些企業(yè)采用上萬只“18650”小電芯串并聯(lián)組成動(dòng)力電池組，主要基于小電芯技術(shù)成熟，已在筆記本電腦等產(chǎn)品上獲得較長時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn)，電池的一致性好。但作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池來講，它們之間有太多的連接，需要更高的集成和裝配成本。
（2）圓柱形與棱柱形單體電芯的比較
從電芯的外形來說主要分圓柱形和棱柱形，這不是一個(gè)單純的設(shè)計(jì)問題，而是要綜合考慮電池的電化學(xué)機(jī)理、電池的熱學(xué)特性。電磁場特性、電池的材料、電芯生產(chǎn)設(shè)備的成熟性可靠性等因素。
從動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈來看，小型圓柱形電芯的生產(chǎn)工藝和設(shè)備要比棱柱形電芯的成熟度高，且電芯具有較高的布置靈活性，可滿足安裝電池包空間的形狀變化需求。但電池模塊集成，電池包集成和車載應(yīng)用等方面就有些困難。棱柱疊片技術(shù)可以更好的把電芯內(nèi)部的熱量散發(fā)出來，有利于溫度分布的一致性，從模塊的角度上講，有利于將單體散熱與模塊及電池包的冷卻系統(tǒng)相結(jié)合，滿足新能源汽車長循環(huán)壽命的要求。
綜上所述，要發(fā)揮好鋰離子蓄電池的最佳性能，需要考慮制造效率、自動(dòng)化程度、包裝、電化學(xué)、熱能分析、安全、檢測控制以及與車輛其它部分接口等諸多因素，具體問題具體權(quán)衡分析。
3 蓄電池?zé)峁芾淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
熱管理是電池在高低溫環(huán)境下運(yùn)行獲得理想性能和壽命的重要因素。熱管理在不同的氣候條件下，不同的車輛運(yùn)行條件下，確保電池組在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，而且還保持電池溫差變化在小范圍內(nèi)波動(dòng)(例如，低于5℃)。與此同時(shí)熱管理相應(yīng)的冷卻和加熱系統(tǒng)也增加了電池包的成本、重量和體積。因此，我們在電池包的設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)鋰電池的熱特性合理選取鋰電池類型，并針對(duì)所選取電池的熱特性來根據(jù)有利于熱均衡的原則合理的設(shè)計(jì)電池包冷卻散熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。同時(shí)我們也應(yīng)該分析清楚不同類型鋰電池的熱特性，然后根據(jù)熱特性相應(yīng)設(shè)計(jì)合適的熱管理系統(tǒng)。
4 結(jié)論
選取合適的類型、恰當(dāng)?shù)哪K化模式、合適的排列擺放以及封裝方式才能使得電池包發(fā)揮出電池的最佳性能。若選取不當(dāng)會(huì)直接導(dǎo)致電池包的性能下降、成本升高、并且存在安全隱患。此外還必須考慮到機(jī)械、包裝、電、熱、安全、監(jiān)測和控制方面以及與車輛其它部分的接口等問題。作為整車廠的我們也需要電池制造商的協(xié)同努力，共同匹配出適合于電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池。

參考文獻(xiàn)
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基金項(xiàng)目：“十二五”863計(jì)劃電動(dòng)車重大專項(xiàng)“A0級(jí)小型城市純電動(dòng)轎車開發(fā)”課題編號(hào)：2012AA111202。
作者簡介：朱永利（1971~）工程師

（朱永利  呂彥玲)
（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車工程技術(shù)研究中心  河北保定 071000）