动力锂电池调研背景资料.doc

中国汽车工程研究院技术经济与咨询部节能与新能源汽车产业调研动力锂电池背景资料2012年3月内容概要1、动力锂离子电池定义22、动力锂电池的常用术语解释23、动力锂电池的构成及关键材料54、车用动力锂例子电池系统75、动力锂电池制造工艺流程图106、动力锂电池一致性问题127、动力锂电池安全问题148、动力锂电池发展的其他技术难题161、 动力锂离子电池定义动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。2、 动力锂电池的常用术语解释 1）容量(Capacity)指一定的放电条件下可以从电池锂获得的电量。电量的公式为Q=I*t，单位为库伦，电池的容量单位规定为Ah（安时）或mAh（毫安时）。意思是1AH的电池在充满电的情况下用1A的电流放电可以放1个小时。2）充放电倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）表示以多大的电流充电、放电，一般以电池的标称容量的倍数为计算，一般称为几C。像容量1500mAh的电池，规定1C=1500mAh，如果以2C放电也就是以3000mA的电流放电，0.1C充放电就是以150mA的电流充放电。可提问：快充对于电池寿命的影响；不同充放电倍率下的充放电曲线等。3）电压（OCV: Open Circuit Voltage）电池的电压一般指锂电池的标称电压（也叫额定电压）。普通锂电池的标称电压一般为3.7V，我们也称其电压平台为3.7V。我们说的电压一般指的是电池的开路电压。当电池2080%的容量时，电压集中在3.7V左右（3.63.9V左右），容量太高或太低，电压变化较大。可提问：电压、压降一致性如何？4）能量（Energy）/功率（Power）电池以一定的标准放电，电池所能放出的能量（E），单位为Wh（瓦时）或KWh（千瓦时），另外1KWh=1度电。物理书上有基本概念，E=U*I*t，也等于电池电压乘以电池的容量。而功率的公式为，P=U*I=E/t，表示单位时间能够释放的能量。单位为W（瓦）或KW（千瓦）。像容量为1500mAh的电池，标称的电压一般为3.7V，故对应的能量为5.55Wh。可提问：比能量/比功率的数据5）内阻（Resistance）由于充放电时不能等效为一个理想的电源，有一定的内阻。内阻是要消耗能量的，当然内阻越小越好。电池内阻单位用毫欧（m）。一般电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻组成，内阻的大小受电池的材料、制造工艺，还有电池的结构的影响。可提问：内阻、动态内阻一致性如何。控制内阻和动态内阻一致性的关键为何。6）循环寿命（Cycle Life）电池充电和放电一次就称为一个循环，循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一个重要指标。IEC标准规定手机锂电池，0.2C放电至3.0V，1C充电至4.2V，反复循环500次后电池容量应保持为初始容量的60%以上。也就是说锂电池的循环寿命为500次。国标规定，循环寿命300次后，容量应保持初始容量的70%。电池容量低于初始容量的60%一般要考虑报废处理了。可提问：循环是按电量标准计算还是插充次数计算7）放电深度（DOD: Depth of Discharge）定义为电池放出的容量占额定容量的百分比。锂电池一般放电深度越深，电池寿命越短。8）终止电压（Cut-Off Voltage）终止电压分为充电终止电压和放电终止电压，也就是说电池不能继续充电或放电的电压，在终止电压下再继续充电或放电对电池的寿命影响很大。锂电池的充电终止电压一般为4.2V，放电终止电压为3.0V。锂电池超过终止电压的深充或深放是严格禁止的。9）自放电率（Self-Discharge）指电池在存放期间容量的下降率，用单位时间内容量下降的百分比表示。一般的锂电池的自放电率为2%9% /月。10）SOC(State of Charge)指电池的剩余电量与可以放出总电量的百分比，0100%。反映电池剩余电量情况。3、 动力锂电池的构成及关键材料（1）正极：活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又出现了镍钴锰酸锂材料。正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。（2）隔膜：隔离电芯正、负极片，以防止卷芯内部正、负极片直接接触造成短路；从微观角度看，隔膜表面为网状结构，通常有PP、PE之分，也有PE、PP复合在一起的。可以让离子和电子自由通过。若按形状区分则有卷状、条状之分。卷状隔膜就是将裁剪好宽度的隔膜卷在一个纸筒上，供客户自行裁剪隔膜单条长度（形状与透明胶相似）。条状隔膜则由供应商按客户提供的长、宽、厚等参数，直接裁剪好成条状的隔膜。卷状隔膜的优点在于通用性强，但需增加人力进行裁剪，条状隔膜优点在于无需人力裁剪即可使用，但是通用性不强。隔膜系锂电材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，毛利率通常达到70%以上，占了锂电池成本的20-30%。按照计算，一辆汽车就可以用到一千到两千平方米的隔膜。隔膜价格居高不下的主要原因是一些制作隔膜的关键技术被日本和美国所垄断，国产隔膜特别是高端隔膜的指标还未达到国外产品的水平。（3）负极：活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。 负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。（4）有机电解液：常采用锂盐，如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)。溶剂：由于电池的工作电压远高于水的分解电压，因此锂离子电池常采用有机溶剂，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构，导致其剥脱，并在其表面形成固体电解质膜(Solid Electrolyte Interphase，SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。（5）电池外壳：分为钢壳（现在方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端4、 车用动力锂例子电池系统车用动力锂离子电池系统一般由电芯及电池组、电池管理系统(BMS)、高压电安全系统(直流接触器、熔断器、预充电电阻)、冷却系统和检测单元(电流传感器、电压传感器和温度传感器)等组成,如下图所示。 4. 1电芯及电池组一个典型的锂离子电芯主要包括正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等,常用电芯形状主要有圆柱形和方形。为了满足整个电池系统的电压、能量和功率要求,电池组一般是由若干个电芯按照串联或并联的方式组合起来,每个电芯之间由导线连接,同时,为了对电芯的温度、电流、电压、荷电状态(SOC)等信息进行实时监测,又可以把电池组分成若干个模块,各电芯和模块之间以一定方式科学合理组合,保证整个电池组的电性能、热平衡和散热要求。4. 2电池管理系统BMS电池管理系统(BMS)用来监控和保护电池的运行状态,应该能精确检测电池的参数,包括:单体电压、模块电压、电流、温度。利用电池模块和电池系统的信息计算并报告荷电状态SOC,寿命状态SOH ( State Of Health) ,当前可用充放电功率,并执行对接触器的控制。BMS系统由BMU(Battery Module Unit,又名CECU, Center Electronic Controller Unit) , CSC (Cell Supervising Circuit,又名LECU, Local Electronic Control Unit) 、接触器、预充电电阻、保险丝、电压传感器温度传感器,以及电流传感器等模块组成。下图显示了电池及其管理系统与外部连接的典型例子。 在BMS中, CSC主要功能有:(1) 单体/模块电压采集:一个模块由若干个电池单体串并联组成,并由一个CSC监控,每个CSC采集模块内各个单体的电压和整个模块的电压;(2) 模块内平衡: CSC根据判断模块内各个单体的电压,通常是通过电阻放电的形式,消除模块间容量的差异;(3) 电池模块温度检测: CSC测量若干点模块内电池的温度;(4) CAN通信: CSC将采集到的数据上传给BMU。BMU主要功能有:(1) 系统电压测量: BMU采集整个系统的总电压;(2) 电流测量: BMU采集整个系统的电流,通常通过分流器( shunt)或者霍尔器件(Hall) ;(3) 绝缘检测: BMU 测量电池组对车身地(vehicle chassis)之间的绝缘电阻,可通过三电压法等方式;(4) SOC预测功能:在实时充放电过程中,能在线监测电池组容量,能随时给出电池组整个系统的剩余容量百分比;(5) SOH预测功能:根据实际的运行累积状况,给出蓄电池组的当前容量,内阻,循环寿命,日历寿命等;(6) 可充放电功率计算: BMU通过不同SOC,温度来计算当前整车可以放电和充电的功率;(7) 故障保护:过电流、过压、欠压、过温、单体间电压/温度不平衡。在以上故障出现时, BMU通知给VMS整车管理系统,请求降功率运行或关断充放电回路;(8) 预充电: BMU在闭合高压接触器时,先对高压母线预充电;(9) 模块间平衡: BMU通过命令控制CSC,来补偿不同模块间的容量差异;(10) 热管理: BMU通过电池温度,实现对散热装置的控制(如风冷,控制风扇的转速) ;(11) 通讯功能: BMU采用CAN总线的方式分别与子系统模块、VMS整车管理系统及充电器进行通讯;(12) 充电器控制: BMU控制充电器的输出,并监测整个充电过程。5、 动力锂电池制造工艺流程图 主要工艺介绍：1）制浆：用专门的溶剂和粘贴剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。可提问：如何防止浆料内部出现“团聚”现象，如何控制其均匀性，企业领先或独创的制浆工艺是什么，对于产业工人的素质要求高低，对于工厂环境敏感度高低，如何提高现有制浆工艺水平等2）涂膜：将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正极极片和负极极片。可提问：如何提高涂膜的均匀性，对于产业工人的素质要求高低，对于工厂环境敏感度高低等，如何提高现有涂膜工艺水平等3）装配：按正极片隔膜负极片隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。6、 动力锂电池一致性问题1）容量一致性、循环一致性2）内阻一致性、动态内阻一致性3）电压一致性、压降一致性电池的一致性较均匀的话。那么串联组合起来对电池的各方面性能会有一个很大的提升。以电池容量一致性为例：如果一只1000mAH的电池和一只600mAH的电池串联使用。在充电过程中，当电量充至600mAH的时候，600mAH的电池已经充满。而1000mAH的电池还未充满，如果继续充电，600mAH的电池将过充电。在放电过程中，放电容量为600mAH时，600mHA的电池已经放完电，如果继续放电，600mAH的电池就在过放。电压急剧下降，这时就会出现整个电池组的放电曲线出现二次平台现像。对整个电池组的功率将大打折扣。如果这组电池一直循环工作，600mAH的电池始终在过充、过放,将影响电池寿命。控制电池的一致性只能尽可能接近而不能相同。在组合电池时，尽量挑选电池性能比较接近的电池来组合。电池因为在生产过程中，第一道工序所做出来的半成品，例如极板厚度，重量、面积等等存在差异。然后，卷装配的松紧度、注液量的多少、电池的焊接等等各个工序各个方面都难以做到完全一致。而且做一只电池工序多、参与工人多。所以在电池一致性方面，最主要的还是加强生产过程中间的控制。电池在组合之前的内阻、电压、容量等等全面的检测。以便挑出更接近的电池来串联组合使用。解决一致性设计其他可考虑方法：电池电池组合设计；电池连接技术及材料另部件选择；电池管理系统，电池均衡系统，电池充电系统等等的综合可提问：一致性的控制如何实现？产品一致性如何？生产过程中间对一致性的控制手段为何？效果如何？生产过程中对于电池性能指标的检测手段为何？效果如何？7、 动力锂电池安全问题7.1滥用安全性对于车用锂离子电池,国标和美国先进电池协会(USABC)有严格的滥用性能测试要求及测试项目。滥用测试性能等级要求从1到7级,当等级大于2级,电池即遭到了不可修复的损坏。滥用测试项目分为3大类,包括机械、热和电滥用总共16个项目。每个量产的电池产品都必须完成以上滥用测试。如果车用锂离子电池系统使用不当,如过充、过放、过热、碰撞等条件下可能产生以下安全隐患: (1)内部短路,应用钴酸锂的锂电池在过充时(甚至正常充放电时) ,锂离子在负极堆积形成枝晶,刺穿隔膜,形成内部短路; ( 2)产生大电流,包括外部短路时,电池瞬间大电流放电,产生巨大热量,内部短路,隔膜穿透,温度上升,短路扩大,形成恶性循环; (3)气体排放,如有机电解液在大电流,高温条件下电解,产生气体,导致内压升高,严重时冲破壳体; (4)燃烧,金属锂在壳体破裂时与空气接触,导致燃烧,同时引燃电解质发生爆炸。如下图所示。7.2 碰撞安全车辆在行使过程中,碰撞是不可避免的。出于安全考虑,电池系统主回路上必须安装碰撞开关,且要求车用锂离子电池管理系统的正极、负极主接触器及预充电接触器的电源由碰撞开关提供。同时,电池管理系统需要控制正极、负极主接触器及预充电接