动力电池发展及成组技术研究

　　电动汽车资源网讯：

　　【电动汽车资源网特约 卞良初、徐磊、方明旺】新能源汽车是我国战略性新兴产业之一，2015年上半年，新能源汽车继续保持快速发展。据工信部统计，2015年1-6月，累计生产7.85万辆新能源汽车，其中，纯电动乘用车生产3.63万辆，同比增长3倍。

　　动力电池作为电动汽车直接能源供给，决定了电动汽车的行驶里程，是关系到新能源汽车的节能、环保、安全等方面的核心零部件。制造高能量、高安全性的动力电池已成为新能源汽车发展的关键环节。

　　一、动力电池知识及发展介绍

　　（一）电池常用术语

　　·开路电压：指外电路没有电流通过时两极间的电位差。

　　·工作电压：又称放电电压或负荷电压指有电流通过时两极间的电位差。

　　·终止电压：电池在放电时，电压下降到不宜再继续放电时的最低电压。

　　·电池的容量：在一定的放电条件下，可以从电池中获得的电量

　　·放电电流：在谈到电池容量及能量时必须指明放电电流大小和放电条件。

　　·“放电倍率”：指一定时间内放出其额定容量放电电流数值上等于额定容量的倍数。

　　·如额定容量为10Ah电池以5A电流放电则“放电倍率”为0.5倍率即0.5C。

　　· 额定容量：电池在设计和制造时规定电池在一定放电条件下应该放出的最低限度电量。

　　·能量：电池在一定条件下对外作功所输出的电能。

　　·比能量：单位质量或单位体积电池所给出的能量，称质量比能量（Wh/kg）或体积比能量(Wh/L)。

　　·电池的功率：一定的放电制度下，单位时间内电池所输出的能量,单位为W。

　　·比功率：单位质量或单位体积电池输出的功率，质量比功率（W/kg）和体积比功率 （W/L）

　　（二）动力电池种类

　　1.铅酸电池

　　铅酸电池发展至今已有一百多年历史，目前主要应用于汽车启动电源、通信基站及电动自行车。

　　优点：成本低廉

　　缺点：能量密度低、寿命短、污染严重

　　不适合当前电动汽车应用

　　2.镍氢电池

　　镍氢电池是以储氢合金为负极，Ni(OH)2 为正极，KOH作为电解液的二次绿色电池。使用寿命长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是自放电率较大，高温性能差，充放排气，放电电压平台比锂电池要低的多。

　　多用于混合动力汽车HEV，不适合纯电动汽车应用

　　3. 燃料电池

　　燃料电池(FuelCell)是一种将反应物（包括燃料和氧化剂）的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

　　优点：清洁、安全、效率

　　缺点：价格昂贵

　　未来电动汽车发展趋势

　　4.锂离子电池

　　锂离子电池相比其他电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电低、无记忆效应，绿色无污染等优点

　　存在的缺点主要为：成本相对高，

　　必须有保护电路防止电池过充或过放

　　锂离子电池在电池中的地位

　　

　　锂离子电池的应用

　　二、锂离子电池技术简介

　　（一）锂离子电池工作原理

　　·依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。

　　锂离子电池结构

　　卷绕式电池结构

　　层叠式电池结构

　　（二）锂离子电池正极材料

　　1.钴酸锂（LCO）

　　·用于商品化锂离子电池

　　·理论容量273mAh/g 实际比容量>135mAh/g

　　·优点：能量密度高，普遍应用于小型设备

　　·不足：资源有限 ，价格昂贵,存在污染，安全性差

　　2.锰酸锂（LMnO）

　　·尖晶石结构

　　·理论比容量 148mAh/g 实际可用110-130mAh/g

　　·优点：目前最廉价正极材料

　　·缺点：容量较低、循环性能较差、高温性能差

　　3.磷酸铁锂（LFP）

　　·橄榄石结构

　　·理论容量170mAh/g实际容量130-155mAh/g

　　·优点：能高倍率放电、放电电压平稳、循环次数长、安全性能较好

　　·缺点：电导率差、振实密度低（比能量低）、低温放电性能差

　　4.三元材料(NMC)

　　·LiNixCoyMnz

　　·三元材料(NMC)实际上是综合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三种材料的优点，由于Ni 、Co和Mn之间存在明显的协同效应，因此NMC的性能好于单一组分层状正极材料，而被认为是最有应用前景的新型正极材料之一。

　　·成本较低，循环及安全性较好

　　·容量高，单体电芯的能量密度相对于LFP和LMO 电池而言有较大的提升

　　（三）各正极材料比较

　　注：钴酸锂LiCoO2、锰钴镍三元复合材料LiNixCoyMnzO2、锰酸锂LiMn2O4、磷酸铁锂LiFePO4

　　目前车用锂离子电池正极材料主要为磷酸铁锂及三元材料。近几年，三元材料动力电池的研究和产业化取得了较大的进展，业内普遍认为NMC动力电池将会成为未来电动汽车的主流选择。

　　（四）锂离子电池的其他原材料

　　功能：分隔电池中的正负极板，防止正负极板直接接触产生短路，同时，由于隔膜中具有大量贯通的微孔，电池中的正负离子可以在微孔中自由通过，在正负极板之间迁移形成电池内部导电回路

　　电解液：

　　·化学稳定性好，电化学窗口宽 ，电导率高与材料适配性好，并能形成稳定SEI膜

　　·工作温度范围宽（-40—60℃）、价格低廉、材料易得、无毒、无污染

　　三、动力锂离子电池成组技术

　　（一）动力电池成组技术要求

　　·高能量密度：满足电动汽车行驶里程

　　·结构可靠：能承受电动汽车行驶过程中的碰撞、振动而不会导致电池发生位移或变形。

　　·安全性：保证在遇到极端情况（如撞击、漏液、高温、短路等）下电池包不会发生危害人身安全的事故

　　·热管理：能适应不同气候下的正常运行，如在高温时开启制冷系统降低电池包温度，低温时开启加热系统保证电池的正常充放电

　　（二）动力锂离子电池成组技术现状

　　目前国内进行动力电池成组的厂家较多，但技术水平层次不齐，多数厂家存在明显不足：

　　1、外观和结构设计上没有进行系统研究和技术开发；

　　2、成组生产中以人工手动为主，未实现半自动化和自动化的连续生产；

　　3、成组电池的兼容性较差。

　　（三）国内电池成组技术现状

　　四、泓源集团电池成组技术

　　（一）车间自动化生产及设备

　　为保证电池成组一致性，从电芯分选到模组制作均采用全自动化设备

　　自动分选机

　　自动激光焊机

　　自动电阻焊机

　　模组自动封装机

　　装配流水线

　　（三）实验室检测能力

　　泓源集团拥有设备齐全的电池实验室，具备测试从电芯到模组再到电池箱的的电压、内阻、容量、充放电性能、高低温性能、循环寿命、安全性能等，为电池的选择及生产过程中质量的控制提供第一手的实验数据。

　　（四）电池模组设计

　　电芯选用三元18650电芯，电芯一致性好，安全性高，性能稳定。电芯并联采用全自动焊接，保证了产品性能一致性。选用结构强度高，安全阻燃辅材进行装配，保证了电池的安全性。

　　（五）电池成组设计

　　使用了内部分组封装隔离模式，可以有效实现热平衡和防爆性能； 单体存储能 量较小，即使在极端情况下，电芯也不会产生连锁反应；

　　（六）电池箱设计

　　高强度：可以承受更高内部压力，抗冲击能力强，不易发生鼓起变形

　　通用性高： 生产高度自动化，产品成组后一致性好

　　密封防护性好：防水等级IP67

　　（七）热管理测试和设计

　　电池模组温度场测试

　　电池箱热管理

　　（八）泓源集团电池安全性介绍

　　电池组阻燃特性：电池模组在剧烈明火燃烧下，持续30分钟未出现燃烧或爆炸。

　　（1）电池安全可靠性研究

　　·因极端情况导致局部漏液引起的电池短路

　　·因一些不可控原因引起的电池短路

　　·长时间使用造成电池性能衰减，引发电池模组的局部热效应集中和释放

　　·我们通过技术研发采取不同措施来提高电池的安全可靠性：

　　·开发电池绝缘检测仪，进行生产检测和维护检测

　　·对电池的漏液、体积形变等进行预先检测和防护

　　·优化电池管理系统设计，做到实时监测和报警

　　（2）制造安全的动力电池

　　·电芯——提高电池自身可靠性，选择高性能、一致性好的电芯进行成组

　　·成组技术——深化成组电池的系统化、集成化设计，提升现有成组生产工艺，进而提高成组电池的安全可靠性

　　·电池管理系统——研发适合锂电池的管理系统，提高锂电池的安全可靠性

　　·电池安全检测防护系统——电池安全检测和防护技术，预防及避免安全问题的发生。

　　来源：电动汽车资源网

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