新型電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) — 鋰離子電池的特點及在電動車上的應用

二十世紀九十年代以來，鋰離子電池的研究和生產(chǎn)都取得了重大的進展，在各個領域的應用也越來越廣泛，近年來，鋰離子電池也被研究人員用在電動車車上用作動力能源，成為電動車發(fā)展的一個新趨勢。本章首先介紹和電池有關的基本概念，然后介紹其鋰離子電池的特點和在電動車上的應用。

1.1充放電相關的基本概念

單體電池、單個電池和電池組：單體電池（Cell）是指電動勢為2V（鉛酸）或1.2V（鎳氫）或3.6V（鋰電池）左右的蓄電池，是組成單個電池的基本單元；幾個單體電池封裝組成單個電池，簡稱電池（Battery）；電池組（Battery Pack）由若干個電池串聯(lián)而成。

電池的容量：指一定的放電條件下可以從電池中獲得的電量，一個電池有理論容量、實際容量、額定或公稱容量和額定儲備容量之分。用Ah（安時）數(shù)、mAh（毫安時）表示。

理論容量：理論容量是指假設活性物質全部參加電池的成流反應所給出的電量。它是根據(jù)活性物質的質量按照法拉弟定律計算得到的。為了比較不同系列的電池常用比容量的概念，即單位體積或單位質量電池所能給出的理論電量，常以Ah/Kg或Ah/L表示。

實際容量：實際容量是指在一定的放電條件下電池實際放出的容量，等于放電電流與放電時間的乘積。其值小于理論容量。計算方法是：

式中，C為實際容量，U為放電電壓，I為放電電流，R為放電電阻，T為放電至終止電壓的時間。

額定容量：額定容量是指設計和制造電池時，按國家或有關部門頒布標準規(guī)定或保證電池在一定放電條件下應該放出的最低限度的電量。如電動車規(guī)定為C/3放電率下放出的容量。

額定儲備容量：國際電工學會（IEC）標準中規(guī)定汽車型蓄電池的容量用額定容量和儲備容量表示均可。我國采用額定容量。指不分電池規(guī)格大小，一律以25A電流放電，到終止電壓1.75V時的放電時間以分鐘計。對規(guī)格不同的電池，規(guī)定不同的放電時間。

電池的能量是指在一定放電條件下，電池所能給出的電能，通常用Wh表示。

電池的功率是指電池在一定放電條件下，于單位時間內(nèi)所給出能量的大小，單位為W（瓦）或KW。單位重量電池所能給出的功率稱為比功率，單位W/kg或KW/kg.

充電狀態(tài)SOC（State Of Charge）：是描述電池荷電狀態(tài)的一個重要參數(shù)，通常把在一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)理解為充電狀態(tài)（SOC）為100%，而將電池再不能放出能量的狀態(tài)理解為充電狀態(tài)（SOC）0%.

式中Cr是剩余電量，C_T為電池標稱容量，即在規(guī)定電流和溫度下處于理想狀態(tài)時的所能放出的容量。Qe已用電量。ω_i為不同放電電流和溫度下的電量加權系數(shù)；

放電深度DOD（Depth Of Discharge）：DOD = Qe/C_T，DOD=1－SOC。

充電深度DOC（Depth Of Charge）：電池可能放出的電量與實際電池容量的比。

DOC =（Ct－Qe）/C_t

式中Ct為實際電池容量，與放電電流和溫度有關。DOC的值不僅與當前狀態(tài)（SOC，溫度，電流等）有關而且與將來電池的放電情況有關，因此DOC比SOC更能反映電池的實際情況。

充電接受能力（charge acceptance）：在蓄電池充電時，用于進行充電反應的電流與總的充電電流之比。

即：a=I_A/I

a——充電接受能力
I_A——用于進行充電反應的那部分電流
I——總的充電電流

電池放電的電壓拐點：通過電池的放電實驗發(fā)現(xiàn)當電池的電壓降到某點時，繼續(xù)放電其電壓會急劇下降，dv/dt數(shù)值很大，該點稱為拐點。該點標示了電池電量已告罄，在拐點之下工作會造成對電池壽命的損害。如圖1.1所示。電池的實際容量就是電壓下降到拐點前所能釋放的電量。

放電率：指用放電時間來表示的電池放電速率，用公式表示如下：放電電流電池容量

放電率（ h）=電視容量/放電電流

老化：電池在開始使用初期的一段時間內(nèi)，電池容量增加大約5％——15％。接下來的一段時間，電池容量基本不變。然后就開始逐漸減少。當電池容量衰減到額定容量80％時，就可以認為電池的壽命結束了。

充放電周期（Cycle）：電池從充電開始到放電，再到下一次充電開始前稱為一個充放電周期。

循環(huán)壽命（Cycle_Life）：蓄電池在其實際容量降低至某一規(guī)定值之前所經(jīng)歷的充放電周期數(shù)。通常用來定義蓄電池的使用壽命。一般來講，放電深度不同，電池壽命也不同。

恢復效應：電池在非連續(xù)放電的條件下，放電一段時間后，空載開路或從大電流變?yōu)樾‰娏鞣烹?，電池?nèi)部的電荷將進行重新分布而至平衡，這時電池的端電壓回升，在小電流放電下仍能放出一定電量。

自放電現(xiàn)象（Self-Discharge）：電池在不工作時由于內(nèi)部的電化學反應造成的電池容量下降的現(xiàn)象。通常與時間和環(huán)境溫度有關，環(huán)境溫度越高自放電現(xiàn)象越明顯，所以在一段時間不用電池要定期對電池進行補充電，并在適宜的溫度和濕度下進行保存。

歷史檔案：電池自出廠以來的關鍵數(shù)據(jù)，如電池出廠日期、標稱容量、使用總安時數(shù)和過充過放記錄等信息。

電池運行狀態(tài)SOR（State Of Running）：為了評價電池在充放電過程中所表現(xiàn)出的性能，而給出電池的運行表現(xiàn)評估值。SOR分為1到10十級，SOR為10表示電池運行性能很好，為1表示電池的運行性能非常差，急需更換。

電池健康程度DOH（Degree Of Health）：為了評價綜合電池性能而給出一個健康程度評估值。DOH分為1到10十級，DOH為（7-10）表示電池性能正常，為（4-6）表示電池需要維護，為（1-3）表示的電池性能很差應更換。

1.2鋰離子電池的特點

鋰電池是一種以金屬鋰或含有鋰物質為負極的化學電源的總稱。它是近十幾年來獲得發(fā)展的新型高比能量電池體系。以鋰、鈉等活潑金屬作為電池的負極的設想最早是美國加州大學的一位研究生于1958年提出的。到了七十年代，日本松下電氣公司的福田雅太郎首先發(fā)明了鋰氟化碳電池并獲得應用，從此，鋰電池逐漸從實驗的研究，走向了實用化和商品化。由于鋰電池出色的性能，各國都競相開發(fā)出各種新型的鋰電池以滿足軍事和消費方面的需要，如鋰碘電池（1972）、鋰鉻酸電池（1973）、鋰二氧化硫電池（1974）、鋰亞酸酰氯電池（1974）、鋰氧化銅電池（1975）、鋰二氧化錳電池（1976）、鋰二硫化鉬蓄電池（1989）、鋰離子蓄電池（1991）和鋰二氧化錳蓄電池（1994）等。尤其是90年代初，日本索尼能源技術公司發(fā)明和推出的高比能量、長壽命的鋰離子蓄電池，極大的促進了鋰電池工業(yè)的發(fā)展。

鋰離子電池有許多優(yōu)越特性，比如高能量，較高的安全性，工作溫度范圍寬，工作電壓平穩(wěn)、貯存壽命長（相對其他的蓄電池）。從安全性來講，鋰離子電池要比其他蓄電池安全的多。特別是采取了控制措施后，鋰離子電池的安全性有了很大的保證，電池經(jīng)過過充、短路、穿刺、沖擊（壓）等濫用實驗（ABUSE TEST），均無危險發(fā)生。鋰離子電池與Cd-Ni，MH-Ni電池一樣，可以快速充電，且無記憶效應，遠比Cd-Ni電池優(yōu)越；它的自放電率遠比MH-Ni電池低。從環(huán)境保護的角度看，世界環(huán)境保護組織早已把鎘（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）三種元素列為有害物質。因此含有這三種元素的電池的使用受到了限制，特別是在歐洲，有些政府大幅度提高了某些電池的環(huán)境稅，與之相比，鋰離子電池則不存這些問題。

當然，鋰離子電池也有一些缺點，比如低溫放電率不高，電池的價格也比較高等。

1.3鋰離子電池在電動車上的應用

為了推動和支持電動車的研究試制工作，美國早在90年代初就成立了“先進電池協(xié)會（USABC）”負責為電動車提供電池。該機構為扶持電動車用電池（主要是鋰離子電池）的研制，先后投資2.6億美元，其中向美國SAFT公司投資1180萬美元，用以開發(fā)鋰離子電池，向加拿大魁北克公司投入8500萬美元，用以開發(fā)鋰離子電池和鋰聚合物電池；另外，還向Duracell及其合作伙伴德國Varta公司投入了1450萬美元，開發(fā)鋰離子電池，其技術指標要求如下表：日本政府也投資了1億美元，并制定了一項叫做LIBES的計劃，開發(fā)用于電動車的鋰離子電池。

在各國政府的支持下，不同性能的電動車先后亮相。首先是日本索尼公司于1995年推出了以鋰離子電池為動力的電動車。該車重1.7T，載4個人，每次充電可以行駛200km.最大時速可達120km，從零啟動加速到80km/h只需要12s；該車的動力電源是由96只尺寸為67*410mm以LiCoO₂為正極的的鋰離子電池組成的，每只電池的容量為100Ah，整個電源系統(tǒng)的比能量達到了110Wh/kg，能量密度達到250Wh/l.繼索尼公司之后，日本三菱公司于1996年推出了電動車，該車以LiMn 2 O 4為正極的的鋰離子電池為電源，一次行駛可達250km.之后又有三菱重工、本田、尼桑等均有電動車亮相，并于1997年初正式銷售以鋰離子電池為動力的電動車。繼日本之后，美國和歐洲的一些公司也相繼推出了自己研制的以鋰離子電池為動力的電動車。

電動車作為一種未來的交通工具，在進入市場方面，必然要同傳統(tǒng)的交通工具-燃油汽車進行競爭，這就對電動車在價格和性能方面提出了一定的要求，就車的性能來講，電動車的續(xù)駛里程，加速性能，爬坡能力等比較為大家關注，這些方面都很大程度上取決于作為動力的電池的性能。對電池性能的要求一般集中在，能量密度，功率密度，循環(huán)壽命等方面，業(yè)界一般都以USABC的規(guī)劃作為參考，具體指標如下：

經(jīng)過10多年的研究和發(fā)展，鋰離子蓄電池的生產(chǎn)技術逐漸成熟，在功率強度和循環(huán)壽命方面已經(jīng)接近或達到了USABC的中期目標，與傳統(tǒng)的鉛酸和鎳氫蓄電池相比較，鋰離子蓄電池的功率強度有比較大的優(yōu)勢，見圖1.2：

鋰離子動力電池代表了電池發(fā)展的方向。在電動車用電源中，將是最具潛力的動力電池。我國對鋰離子電池的應用開發(fā)也十分重視。早在80年代初期，就開始了鋰離子蓄電池的開發(fā)研制工作，在國內(nèi)各個單位的努力下，取得了豐碩的成果。目前，雷天綠色電動源（深圳）有限公司已經(jīng)首家實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其生產(chǎn)的10多種型號的大功率鉻氟鋰動力電池性能優(yōu)良、價格合理，已經(jīng)投放市場。

2002年，世界上首輛采用雷天鋰動力電池的電動公交車在北京阜成門外大街投入試運營，標志著我國電動車時代的到來。本論文所涉及的國家“863”課題就是使用雷天公司提供的100AH，384V鋰電池組。

1.4電動車用鋰離子電池的充放電問題

蓄電池的充電過程是一個復雜的電化學變化過程，其復雜性表現(xiàn)為：

（1）多變量影響充電的因素很多，諸如極板、電介質的濃度、極板活性物的狀態(tài)、充電環(huán)境溫度等等，都對蓄電池所能承受的最大充電電流有直接的影響。

（2）非線性一般而言，充電電流在充電過程中隨充電時間呈指數(shù)規(guī)律下降，不可能只用簡單恒流或恒壓控制充電全過程。

（3）復雜的電化學性即使是同一類型同一容量的電池，隨著各自使用時放電的歷史狀態(tài)不一樣，剩余電量的不一樣，充電接受能力也有很大的不同。

作為給電動車提供動力的電池組，由于使用環(huán)境的復雜性，其充放電過程也更為復雜，尤其是過充電和過放電會對電池的結構造成不可恢復的破壞，極大的影響其健康程度和性能。鋰電池技術與傳統(tǒng)的電池技術相比有很大的性能優(yōu)勢，但對監(jiān)測系統(tǒng)也有更高的要求。如果控制不當?shù)脑?，不僅對電池的結構會造成破壞，還會發(fā)生危險。

負極過充電時，會產(chǎn)生金屬鋰沉淀：Li+ +e->Li（s），這種情況容易發(fā)生在正極活性物質相對于負極活性物質過量的情況下，但是，在高充電率的情況下，即使正負極活性物質的比例正常，也可能發(fā)生金屬鋰的沉積，金屬鋰的形成會從以下幾個方面造成電池容量的下降：

（1）可循環(huán)鋰量減少；

（2）沉積的金屬鋰與溶劑或支持電解質反應形成Li2CO3，LiF或其他產(chǎn)生物；

（3）金屬鋰往往在負極與隔膜間形成，可能阻塞隔膜的的空隙，造成電池內(nèi)阻的增大。當正極活性物質相對于負極活性物質比例過低時，容易發(fā)生正極過充電。正極過充電主要是會形成惰性物質，造成氧損失，從而導致電池容量的衰減。而過放電更是會造成極板晶格的破壞，如果過充電導致“反極”，會發(fā)生危險。

為了能給電動車的電機提供比較高的電壓，一般都采用了幾十個單體電池（cell）串聯(lián)的方式來提供電力（本文所涉及的實驗樣車上裝有108節(jié)工作電壓為3.8V的單體鋰離子電池）。串聯(lián)使用的復雜性，和電池之間的不一致性，都對管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

鋰動力電池放電電流同其他電池相比，放電率偏小，比功率較小。好的長期可1C放電，脈沖2C，需要考慮增大電池的容量來滿足電動車的要求。

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