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展，起動電池作為汽車的重要零部件也隨之迅速發展，傳統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、創新”的原則，嚴格執行國家規范文件中的各項要求，貫徹實施“設計規范、試驗規范、工藝規范”的基本原則，相應主要規范如下：GJB 4477-2002《鋰離子蓄電池組通用規范》、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，發現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部的可能性，以及產品在干凈、整潔的環境中進行裝配，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故障的主要依據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[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3.65 V電池進行串聯，實現最大電壓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功率開關MOS、輸出接口單元輸出給起動設備；蓄電池監控包括硬件層+軟件層雙重控制的BMS管理單元，將監控的蓄電池過充、過放、過流、短路及每節單體電壓數據信號傳遞給MCU控制器，經數據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；輸出監控采集單元將輸出接口端的狀態數據（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，經數據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，經電源拓樸結構轉換后輸出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控制；按鍵開關控制單元由一個總開關完成其系統的開機或關機等控制操作；電量燈及狀態顯示單元采用多顆LED燈顯示，分4擋視覺顯示當前電量，如25%、50%、75%、100%，異常狀態指示采用將4顆指示燈進行不同狀態來編碼。

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工藝成熟、性能穩定，能滿足使用要求，系統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、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，單體電池通過銅匯流條鉚接串聯，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培訓考核，并持證上崗，對關鍵部位的操作人員，采取投產前由設計、工藝、質量管理等技術人員進行現場技術交底的培訓制度。在生產中所用工裝設備、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使用，以確保各項測試數據的準確可靠。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部對元器件連接造成損壞，故此電池堆殼內定型和密封殼體的防水工序極為關鍵。

3.1 電池堆殼內定型

電池堆放入殼體內用發泡膠固定，以防震動導致內部元器件連接異常，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）發泡環境要求。在20～30 ℃環境中準備，濕度≤90%。

2）發泡比例。發泡膠分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）發泡操作。a.發泡前檢測。完成電池堆與保護板所有電性連接，檢測合格后入殼。b.將電池堆放入發泡夾具內，四周固定（殼體不能有明顯內凹現象），再從頂部將電池堆固定，避免發泡時電池堆上浮，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（可根據實際情況增減）。d.待靜止0.5 h后，再放入45 ℃環境下保溫2 h。e.檢查殼體內部發泡膠是否填充完整，電池堆（保護板）是否有晃動，若存在上述情況，需補充發泡膠。f.取下發泡夾具，檢測電池外殼是否有鼓脹現象，若無則正常流轉，若有則按不合格品處理。

3.2 密封殼體防水

密封殼體，以防殼內進水燒壞電池堆以及其他元器件。

1）密封前準備。a.環境要求。在25～35 ℃環境中準備。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，注入后用針頭刮一圈密封槽，確保槽內無氣泡。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，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 ℃環境中擱置30 h，取出后按180 A、間隔5 s進行連續25 次起動，末次蓄電池組電壓為25.48 V，測試數據如圖8所示。

圖8 蓄電池組-40 ℃下180 A連續起動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結構串聯設計，實現最大電壓可輸出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，為實際生產提供參考。