增程式純電動客車用鋰離子電池系統(tǒng)的研發(fā)

劉 輝，陳保貴，張君怡

(河南新太行電源有限公司，河南新鄉(xiāng)453000)

交通能源與環(huán)境問題是21世紀(jì)全球面臨的重大挑戰(zhàn)，也是制約汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的癥結(jié)所在。在環(huán)境和能源的雙重壓力下，電動汽車重新成為世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家研究的重點。對于我國來說，電動汽車的研發(fā)還是趕超世界汽車強(qiáng)國的唯一出路[1-3]。

純電動汽車受限于成本高、續(xù)駛里程短等缺陷，在市場上的推廣應(yīng)用受到了較大限制，只在政府主導(dǎo)的公交車、公務(wù)車上得到了部分示范應(yīng)用，離真正的商業(yè)化運營還有很長的路要走。增程式汽車具有極低的排放，能源利用效率較傳統(tǒng)汽車提高近一倍，近年來受到各大車企的重視，投入巨資進(jìn)行競相開發(fā)，在國家“863”增程式純電動轎車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)項目支持下，河南新太行電源有限公司、山東東營科嶺電動車有限公司、廣汽客車等單位實施了增程式電動客車開發(fā)。本文介紹了增程式純電動客車用鋰離子電池系統(tǒng)435.2 V/300 Ah的研發(fā)過程，包括電池性能的優(yōu)化、蓄電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、管理系統(tǒng)(BMS)的功能與設(shè)計、性能測試與應(yīng)用等。

1 開發(fā)目標(biāo)

根據(jù)增程式純電動客車的使用要求，對于動力型鋰離子電池組的主要技術(shù)指標(biāo)要求為：(1)電池容量300 Ah；(2)標(biāo)稱電壓435.2 V；(3)工作溫度范圍：－20～60℃；(4)持續(xù)最大放電電流200 A；(5)峰值放電電流300 A；(6)允許最大回饋電流300 A。

根據(jù)以上使用要求和車上電池組的安裝空間，結(jié)合電池組的尺寸和電壓，最終確定此套鋰離子電源系統(tǒng)分為17個箱體，每箱電池的規(guī)格為25.6 V/300 Ah，17個箱體串聯(lián)使用。

動力型電池系統(tǒng)除了要滿足以上要求以外，還要具有良好的熱管理系統(tǒng)和智能化的電池管理控制系統(tǒng)。每個箱體內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集模塊和散熱系統(tǒng)，17個箱體電池的數(shù)據(jù)處理由專用的高壓箱來完成。

汽車用動力型電池系統(tǒng)必須具備高效、耐久、一致性保持性好、安全可靠等特點，是本文開發(fā)、研究的重要內(nèi)容。

2 研究內(nèi)容

2.1 單體電池的設(shè)計與性能優(yōu)化

對于電動汽車來說，安全性對于人員密集的交通工具尤為重要，必須充分考慮所選用電池組的安全性。磷酸鐵鋰作為正極材料制成的鋰離子電池在現(xiàn)有已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)鋰電產(chǎn)品中安全性能最高。本項目選用LiFePO4作為單體電池正極材料體系，選用自動化程度高、技術(shù)成熟的圓柱形電芯[1-2]。

增程式汽車配置的電池總能量遠(yuǎn)少于純電動汽車，但其在純電行駛時要求和純電動汽車具有相同的功率輸出及電流回饋輸入，這就對電池提出了更高的要求，對原有的在純電動汽車上使用的電芯必須進(jìn)行優(yōu)化，生產(chǎn)出能量、功率兼顧型電芯，電芯優(yōu)化和調(diào)整方面主要有：(1)正極板制造優(yōu)化，正極材料選擇安全性高的進(jìn)口磷酸鐵鋰材料，采用新型涂敷技術(shù)及電極涂敷的在線監(jiān)測、反饋和控制系統(tǒng)，控制電極涂敷均勻性，保證電池一致性；(2)負(fù)極材料的選擇及優(yōu)化；(3)正負(fù)極活性材料粒徑、比表面積優(yōu)化設(shè)計；(4)導(dǎo)電劑優(yōu)化設(shè)計；(5)功能型電解液優(yōu)化選擇；(6)功能型隔膜材料優(yōu)化選擇。

2.2 鋰離子蓄電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 電池組合結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋰離子電源系統(tǒng)電池組采用自主專利技術(shù)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)單體模塊單元，提高了裝配的效率和精確度。電池組內(nèi)部組合采用螺栓連接，整個螺栓連接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了整個電池組的機(jī)械強(qiáng)度。電池組和箱體之間利用固定架用螺栓進(jìn)行固定，使電池組和箱體聯(lián)成一體，可以承受汽車惡劣條件下對動力電池強(qiáng)裂振動、顛簸、沖擊振動[4-5]。

2.2.2 熱管理系統(tǒng)

鋰離子蓄電池組采用先進(jìn)的電池恒溫技術(shù)即主動式熱管理系統(tǒng)。在設(shè)定溫度情況下，電池組啟動加熱或散熱控制元件，當(dāng)溫度控制到設(shè)定值時，關(guān)閉加熱或散熱控制元件，溫度控制采用智回環(huán)路方式，不會頻繁地啟動或關(guān)閉加熱或散熱裝置。

2.2.3 防塵防水設(shè)計

鋰離子電池組采用整體防水、防塵設(shè)計，能夠滿足汽車在雨水等惡劣環(huán)境中正常行駛。

2.2.4 電池組箱體設(shè)計

電池組外殼主要采用陰極電泳防腐處理，然后再進(jìn)行靜電噴塑，使外殼美觀大方，且具有優(yōu)良的防腐蝕、防銹蝕、抗老化能力。

2.3 管理系統(tǒng)的設(shè)計與功能

管理系統(tǒng)(BMS)是車用鋰離子電池組安全使用的重要保證，充放電過程中必須實時對電池各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控，并采取正確策略。BMS應(yīng)具有的功能為：電池狀態(tài)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、預(yù)充電、故障分析和定位、SOC估算、數(shù)據(jù)傳輸、熱管理、充放電控制、PC機(jī)在線監(jiān)控、運行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲和數(shù)據(jù)庫管理等功能[3]。

3 性能測試與應(yīng)用

根據(jù)項目研發(fā)的需要，對電源系統(tǒng)進(jìn)行了測試，系統(tǒng)測試項目及結(jié)果見表1。

根據(jù)項目電源系統(tǒng)的性能要求，對研發(fā)的能量、功率兼顧型電芯進(jìn)行了循環(huán)壽命測試，循環(huán)曲線如圖1所示。

表1 系統(tǒng)測試項目及結(jié)果

圖1 IFR26650-3000鋰離子電池循環(huán)曲線

根據(jù)項目電源系統(tǒng)的性能要求，對電源系統(tǒng)進(jìn)行了常溫下0.5C充放電測試，測試結(jié)果符合項目要求。充放電曲線如圖2所示。

圖2 鋰離子電池組的充放電曲線

電源系統(tǒng)的常溫下1/3C充放電電池溫度變化曲線如圖3所示。

根據(jù)車輛的實際工況需求，對電源系統(tǒng)進(jìn)行了模擬工況，實驗曲線如圖4所示。

圖3 鋰離子電池組充放電過程中溫度變化曲線

圖4 鋰離子電池組的模擬工況實驗曲線

4 結(jié)語

本項目產(chǎn)品即增程式純電動客車用鋰離子電池系統(tǒng)435.2 V/300 Ah已于2012年3月在山東科嶺動力有限公司生產(chǎn)的增程式純電動客車上裝車運行，運行一年多以來，電池組性能優(yōu)異，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，完全滿足車輛實況運行。一年來電池溫度始終不超過40℃，溫差不大于5℃。目前該款產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)、裝車運行，性能穩(wěn)定，安全可靠，得到用戶的好評，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1]YANG S F，PETER Y Z，STANLEY M，et al.Hydrothermal synthesis of lithium iron phosphate cathodes[J].Electrochemistry Communications，2001(3):505-508.

[2] 陳晗，薄紅志，范長嶺，等.鋰離子電池正極材料LiFePO4的研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2006，11(5)：345-349.

[3] 李相哲，蘇芳，林道勇，等.電動汽車動力電源系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：9

[4] 程迪，劉輝，陳保貴，等.一種新型電池成組組合裝置：中國，ZL201120509774.9[P].2012-07-25.

[5] 高建保，劉輝，陳保貴，等.一種大容量電池組合模塊：中國，ZL201120239047.5[P].2012-01-11.