车用动力锂电池基础介绍

前言

新能源汽车产业方兴未艾，车用动力电池作为其核心部件受到了广泛的关注，然而由于专注领域的不同，传统的汽车动力总成工程师对于动力电池并不十分了解。德国Voltavision公司作为车用动力电池测试领域的领跑者，对动力电池本身及其测试和开发都有着深入的研究，并且能够向国内客户提供专业的技术咨询及培训服务。本文基于Voltavision公司的电池技术培训，对车用动力锂电池做一些科普性的介绍。

基本概念介绍

首先介绍两个评价动力电池性能的基本概念——能量密度与功率密度。

能量密度表征单位质量或体积下电池所能提供的能量(Wh/kg或Wh/l)，对于车用动力电池而言，电池的能量密度直接影响其续航里程；功率密度表征点位质量或体积下电池的有用功率(W/kg或W/l),功率密度影响其加速性能。理想的车用动力电池希望兼顾高的能量/功率密度需求、安全性以及寿命。

在车用电池的发展过程中先后出现了铅酸电池(Lead-Acid)，镍氢电池(NiMH)和锂离子电池(Li-Ion Battery, LIB)等电池技术，就作为汽车动力而言，LIB以其较高的能量/功率密度及单体电压，成为目前新能源汽车厂商广泛采用的电池技术。下表为三类电池技术参数及应用的简要对比。

锂离子电池的工作原理及其产生的相应安全问题

锂离子电池主要是依靠锂离子在充放电过程中在正极和负极之间来回移动来工作。下图所示为锂离子电池放电时的工作状态

当正极（铝箔）与负极（铜箔）之间接入负载时，原本嵌入于负极活性材料（石墨）中的锂离子脱嵌并穿过隔膜到达正极活性材料（含锂的金属氧化物），脱嵌时的电子经过负载到达正极与锂离子汇合，产生电流。隔膜仅允许锂离子通过，从而保证电池不会内部短路。SEI膜(固体电解质界面膜)是在电池首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应而形成的一层覆盖于电极材料表面的钝化层。负极材料表面的SEI膜对电池的性能有很大的影响：一方面，SEI膜防止了电解液对电极材料造成的破坏，而另一方面，SEI膜会不可逆地持续变厚而使得锂离子穿过SEI膜愈发费力，逐渐使电池内阻增加，老化报废（称为日历寿命，Calendric Aging）。

在充电过程中，锂离子反向流回负极，电子反向流回负极并处于更高的能量状态，锂离子与电子重新嵌入到石墨中。由于锂离子的体积略大于石墨的分子结构，故每次充放电的过程中均伴有反复的形变，最终导致活性材料结构的损坏以及活性材料与电极之间的脱落，使电池内阻增加，老化报废（称为循环寿命，Cyclic Aging）。

从锂电池的工作过程可以看出，过充、过放以及工作温度不仅会对锂电池的工作产生非常严重的影响，还会有严重的安全问题，下表列出了涉及锂电池安全的一些外部因素

所以，对于电池测试厂商、电动车生产厂商等相关企业必须进行严格的电池测试相关培训。

锂离子电池的分类

可以按照正极活性材料的不同来对LIB进行分类，不同的活性材料显示出不同的电池特性，应该依据不同的需求合理的选择电池。目前主流的车用动力电池主要有三种，其主要性能对比如下：

1. 锰酸锂（LiMn2O4, LMO）

2. 磷酸铁锂（LiFePO4, LFP）

3. 三元锂电池（LiNixCoyMnzO2, NMC; LiNixCoyAlzO2,NCA）

对于负极活性材料，目前的主流是不同形式的碳基（比如石墨），这种电池的制约是循环寿命；另一种已经应用的材料是锂钛氧化物（LTO），具有非常好的安全性和高低温性能，但其能量密度只有传统锂电池的50%-60%，制约了其在车用动力领域的应用。目前以提高电池容量和寿命的电极活性材料研究仍在不断进行中。

BMS的功能

由于锂电池负极材料石墨中所嵌入的锂的含量超过了它所承受的范围，多余的锂离子就会和负极中穿梭而来的电子结合，在负极表面上以金属锂析出，形成锂枝晶，当锂枝晶生长到一定程度便会刺破隔膜，导致电池短路。

1. 荷电状态（State of Charge, SOC）：表征电池当前剩余电量的百分比，电量充满时SOC为100%，放出标称容量后的SOC为0%。SOC的估算是BMS的一项重要任务，它指示着电动车当前的剩余续航里程。

2. 电池的健康状态(State of Health, SOH)：电池实际容量与标称容量的百分比，随着电池的老化，其容量逐渐减少，通常规定SOH=80%时，电池失效。

3. 开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）：电源在开路状态下的端电压，锂离子电池在充放电结束后需要静置一段时间才能达到端电压的稳定状态，此时的开路电压能够反映出电池当前的SOC，故OCV经常用于SOC的估算。

基于对锂电池原理和安全性的介绍，可以将BMS的功能概括为保护电池、均衡不同单体之间的电压、估算电荷状态（SOC）。为了实现这些功能，BMS需要进行以下工作：测量每一个电池单元的相关参数（电压，电流，温度），与限值进行比较并做出反应：控制电池的温度，限值电流或功率，均衡电池电压，紧急状况下切断电源；分析SOC以预估行驶里程，与整车上的其它控制器通讯。

对于电池的均衡：由于生产制造上的差异，不同的电池单体存在着容量上，内阻上，老化速率，SOC等等方面的不同，这些都会表现为不同的单体电压，这种不一致性会影响电池的充放电能力及循环寿命。通过BMS的均衡可以改善这种不一致性，更充分的利用电池的能量。对于电池的均衡，有两种不同的方案：主动均衡与被动均衡。主动均衡的思路是将高电压电池单体的能量转移给低电压的电池单体，这样不存在过多的能量损失，但在技术实现上有难度，尚在研发阶段；被动均衡的主要途径是电阻能耗法，通过与要均衡的电池单体并联电阻的形式，将一部分能量作为热量消耗掉，从而达到均衡的目的，这种方法便于实现，但存在能量损失。

对于SOC的估算，也是BMS的重要工作。通过SOC的估算，可以辅助判断续航里程，也可以作为均衡是否使能的判断。SOC的估算是非常较复杂的，下图只是简介一种估算的方式。

BMS通过测量到的电流，单体电压和温度作为估算SOC的输入量。当电池充满的状态信号发送给库伦计数器（Coulomb counter）后，即确定SOC为100%，库伦计数器用来计算能量的流入和流出，再依据empty状态确定的电池的容量，即可得之目前电池的余量，利用百分比计算后即为SOC。右侧图中有利用T、U确定的OCV-SOC曲线，可以用来修正SOC，而不同放电速率也会产生不同程度的热损失，由图中所示的‘estimate loss’部分来完成。

此外，BMS也负责着车用电池的冷却系统、制动能量回收系统的管理，并根据测量的U、I、T等参数进行一些限值的计算，比如：最大充放电电流，电池内阻，循环数等相关信息。BMS的开发是电动汽车的核心技术，在这方面Voltavision公司也有着丰富的开发经验。

电池测试及性能评估

车用动力锂电池存在使用安全性及不断老化性能衰减等问题，为了高效且安全地对电池的性能、功能、耐久性等进行评估，必须采用专业的电池测试设备。Voltavision公司采用德国Scienlab公司设计的专业电池测试台架及上位机软件，能够方便准确地完成多种类型的电池测试及生成评估报告，除了常规的充放电测试之外，还能够进行盐雾、振动等环境模拟，并能够与BMS交换数据，完成整套电池系统的测试。