于京諾，王 強(qiáng)，陳 煒

（1.魯東大學(xué)交通學(xué)院，山東 煙臺 264025；2.上海通用汽車有限公司，上海 201206；3.寧夏公路管理局，寧夏 銀川 750004）

1 概述

國務(wù)院 《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中，將發(fā)展新能源汽車作為七大培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。即將發(fā)布的國家 《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，將堅持以純電動作為我國汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，重點發(fā)展純電動汽車、插電式混合動力汽車。

純電動汽車發(fā)展的瓶頸是蓄電池。由于現(xiàn)有的蓄電池普遍存在比能量和比功率低、價格高、循環(huán)壽命短等缺點，導(dǎo)致電動汽車?yán)m(xù)駛里程短、使用成本高等問題，因此蓄電池技術(shù)的發(fā)展成為電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵［1］。

目前，純電動汽車使用的蓄電池有鉛酸電池以及鎳氫和鋰離子等高性能電池。鉛酸電池由于其比能量低，制約了其在純電動汽車上的使用。鋰離子電池由于比能量較高，適合于作為純電動汽車的動力源，特別是磷酸鐵鋰電池，因其比能量大 （可達(dá)120 Wh／kg）、循環(huán)壽命長 （電池組循環(huán)壽命可達(dá)1500次）、 放電電壓高 （單體電池為3.2V）、 無記憶效應(yīng)、具有快速充電能力、自放電速率小、具有多種安全保護(hù)措施、密封良好、無泄漏現(xiàn)象、環(huán)保等眾多優(yōu)點，是目前純電動汽車較理想的動力源，應(yīng)用前景廣闊［2］。 如雪佛蘭Volt、 日產(chǎn)LEAF、 比亞迪E6、榮威350等電動汽車均采用了磷酸鐵鋰蓄電池作為動力電池。

雖然磷酸鐵鋰電池的性能與其它類型的電池相比具有一定優(yōu)勢，但是仍然不能滿足電動汽車嚴(yán)苛的使用要求。因此，找出磷酸鐵鋰電池存在問題的原因，采取正確有效的措施改進(jìn)磷酸鐵鋰電池的制造技術(shù)，提高磷酸鐵鋰電池的性能，對于電動汽車工業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

2 磷酸鐵鋰電池存在的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題

由于磷酸鐵鋰電池問世較晚，其材料、生產(chǎn)工藝、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、使用方法等方面尚不成熟，存在著許多問題，影響了磷酸鐵鋰電池的性能。

2.1 單體電池之間一致性差

電動汽車動力電池系統(tǒng)是由電池模塊組成的，而電池模塊由單體電池組合而成。單體電池之間的差異性主要表現(xiàn)在兩個方面:一是剛生產(chǎn)出的單體電池之間性能不一致，因此需要采用容量或內(nèi)阻篩選的辦法，將性能相近的單體電池組裝在一起形成電池模塊；單體電池之間的差異性較大，會導(dǎo)致單體電池的優(yōu)質(zhì)率和合格率降低。二是在使用過程中單體電池性能出現(xiàn)差異，這會影響電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命，使電池模塊的循環(huán)壽命大大低于單體電池的循環(huán)壽命［3］。

造成單體電池性能差異的原因，包括材料、設(shè)備、工藝、標(biāo)準(zhǔn)、使用管理等方面。材料性能不穩(wěn)定、批次差異、生產(chǎn)設(shè)備控制精度低、生產(chǎn)工藝一致性差、缺乏嚴(yán)格的生產(chǎn)和檢測標(biāo)準(zhǔn)、對使用缺乏有效的管理、使用環(huán)境的差異較大等，都是造成單體電池性能差異的原因。

2.2 電池管理系統(tǒng)有待改進(jìn)

為確保電池模塊在汽車上能夠正常工作，延長電池使用壽命，必須對電池進(jìn)行合理有效的管理和控制。因此，汽車上的動力電池必須有電池管理系統(tǒng) （Battery Management System， 簡稱BMS）。 電池管理系統(tǒng)的功能是控制電池模塊的充、放電過程，監(jiān)測電池的工作情況，預(yù)測電池的荷電狀態(tài) （State of Charging，簡稱SOC）等。國內(nèi)外對電池管理系統(tǒng)的研究均投入了大量的人力物力。例如，日本青森工業(yè)研究中心從1997年開始至今，仍在持續(xù)進(jìn)行BMS實際應(yīng)用的研究；美國Villanova大學(xué)和USNanocorp公司已經(jīng)合作多年，對各種類型的電池SOC進(jìn)行基于模糊邏輯的預(yù)測；豐田、本田以及通用汽車公司等都把BMS納入技術(shù)開發(fā)的重點。我國對于電池管理系統(tǒng)的研究起步較晚，雖然取得了長足的進(jìn)步，但與電機(jī)、電機(jī)控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，電池管理系統(tǒng)還不是很成熟。尤其是在均衡充電、數(shù)據(jù)采集的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

2.3 電池系統(tǒng)試驗驗證評價體系有待完善

科學(xué)有效的電池系統(tǒng)試驗驗證評價體系，是保證電池生產(chǎn)品質(zhì)、促進(jìn)電池技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的關(guān)鍵。在磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)試驗驗證評價方面，美國、加拿大、日本等國家都制訂了較完善的電池試驗內(nèi)容和方法，對磷酸鐵鋰動力電池所有技術(shù)性能和安全性能進(jìn)行了大量試驗研究工作。美國的ATD項目、日本的NEDO項目在分析研究電動車用電池的失效機(jī)理基礎(chǔ)上，建立適用于磷酸鐵鋰動力電池的測試評價方法。我國的磷酸鐵鋰動力電池工業(yè)起步較晚，有關(guān)動力電池的標(biāo)準(zhǔn)還不完善，試驗方法和技術(shù)尚不成熟。北京理工大學(xué)、中國北方車輛研究所、萬向電動汽車有限公司等單位進(jìn)行了動力電池工況循環(huán)性能和動力電池組性能的研究。我國有關(guān)動力電池的試驗、驗證、評價方法和標(biāo)準(zhǔn)都有待進(jìn)一步完善。

此外，磷酸鐵鋰電池還存在其他一些問題:如低溫性能差，0℃時的容量保持率僅為60%～70%；導(dǎo)電性差，鋰離子擴(kuò)散速度慢，使高倍率放電容量下降；制造工藝復(fù)雜，成品率低，導(dǎo)致電池制作成本高。

3 促進(jìn)磷酸鐵鋰電池技術(shù)發(fā)展的措施

3.1 加強(qiáng)高性能磷酸鐵鋰電池設(shè)計研究

高性能動力電池設(shè)計技術(shù)以及單體電池的一致性和安全性設(shè)計技術(shù)是磷酸鐵鋰電池技術(shù)的關(guān)鍵。

1）高性能動力電池設(shè)計 應(yīng)通過研究不同類型電池材料、不同類型電池制備工藝對電池綜合性能的影響規(guī)律，探討基于國產(chǎn)化電池材料的電池設(shè)計方法、國產(chǎn)電池材料的兼容性匹配技術(shù)和工藝，拓展國產(chǎn)電池材料的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)動力電池的低成本制造。

2）單體電池的一致性設(shè)計 應(yīng)通過研究單體電池差異性的表現(xiàn)形式和形成過程，建立電池一致性的綜合評價體系；研究電池材料對于單體電池的一致性的影響規(guī)律、微觀機(jī)理和評價方法；研究制備工藝過程和使用條件對于電池不一致性的影響機(jī)理，探討電池一致性的制備工藝保障措施和使用環(huán)境的最優(yōu)化設(shè)計方法。

3）單體電池的安全性設(shè)計 應(yīng)研究電池材料和電池制備工藝對于單體電池安全性的影響規(guī)律、微觀機(jī)理和評價方法；研究電池在正常使用以及非正常的誤用或濫用條件下的損傷過程和相關(guān)機(jī)理，建立電池?fù)p傷的電化學(xué)理論和微觀結(jié)構(gòu)模型；研究電池?fù)p傷與相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，探索電池故障預(yù)警理論和方法，發(fā)展基于安全性考慮的電池設(shè)計技術(shù)。

通過改進(jìn)電解液體系、正極配方、材料性能，改善電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計以及建立電池溫度控制體系等措施，改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能；通過添加有機(jī)碳源和高價金屬離子聯(lián)合摻雜等方法改善導(dǎo)電性；通過納米化LiFePO4晶粒等方法，減小鋰離子在晶粒中的擴(kuò)散距離，從而改善電池的高倍率放電特性。

3.2 采用先進(jìn)的大規(guī)模制造工藝

只有采用先進(jìn)的大規(guī)模制造工藝，才能提高磷酸鐵鋰電池的品質(zhì)，保持單體電池的一致性，降低電池的生產(chǎn)成本，全面提高磷酸鐵鋰電池的性能。要通過研究磷酸鐵鋰電池水系溶劑工藝、導(dǎo)電劑粒度與添加量對正極覆料導(dǎo)電性的影響，電極面密度設(shè)計、極耳材質(zhì)及焊接工藝對電池倍率性能的影響，電解液量與電池內(nèi)阻的關(guān)系及循環(huán)性能的影響，動力電池生產(chǎn)過程一致性的評價體系，設(shè)計磷酸鐵鋰電池大規(guī)模制造工藝流程。

通過對各關(guān)鍵制造工序工藝原理的分析，以磷酸鐵鋰電池制造工藝為基礎(chǔ)，裝備先進(jìn)的全自動卷繞關(guān)鍵工藝裝備、全自動疊片工藝裝備、涂覆工藝裝備、隔膜生產(chǎn)工藝裝備，生產(chǎn)過程自動檢測儀器及裝備等，實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池的高品質(zhì)大規(guī)模制造。

3.3 實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)熱、電、結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化集成及高效管理

在進(jìn)行磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須綜合考慮熱、電因素，實現(xiàn)磷酸鐵鋰電池?zé)?、電、結(jié)構(gòu)一體化系統(tǒng)集成技術(shù)。應(yīng)以磷酸鐵鋰電池?zé)崮Ｐ蜑榛A(chǔ)，對動力電池系統(tǒng)的熱流場進(jìn)行CFD（Computational Fluid Dynamic，計算流體力學(xué)）數(shù)值計算，分析不同結(jié)構(gòu)、不同容量條件下動力電池系統(tǒng)的熱分布狀況。通過分析電池組散熱影響因素，找到有效的電池系統(tǒng)溫度控制技術(shù)與熱管理方法。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化鐵鋰電池?zé)?、電、結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化集成方案。

先進(jìn)有效的電池管理系統(tǒng)是電池正常工作的根本保證。通過研究動力電池組的荷電狀態(tài)SOC與健康程度 （State of Health，簡稱SOH）動態(tài)估算方法，提高估算準(zhǔn)確性和精確度；通過研究鋰離子電池組能量均衡控制技術(shù)與應(yīng)用，以及電池充放電保護(hù)安全措施，優(yōu)化電池充電過程，開發(fā)嵌入式電池智能管理系統(tǒng)，提高電池管理系統(tǒng)的性能。

3.4 建立完善的磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)試驗驗證評價體系

通過研究鋰離子單體電池和電池模塊系統(tǒng)科學(xué)有效的試驗方法，建立運用工況法試驗電池系統(tǒng)循環(huán)壽命的方法；通過研究工況法試驗時放電電流的變化規(guī)律，以及不同類型驅(qū)動電機(jī)在確定的工況下蓄電池的放電電流的變化規(guī)律，建立磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)出廠試驗方法。

通過研究磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)裝車試驗的內(nèi)容和方法，建立磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)裝車后的工況法試驗體系。

根據(jù)磷酸鐵鋰動力電池裝車試驗結(jié)果與出廠試驗結(jié)果之間的差異，分析造成試驗結(jié)果差異的原因，提出改進(jìn)出廠試驗的方法，建立全面、科學(xué)合理的評價磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)的體系。

4 結(jié)束語

蓄電池技術(shù)的發(fā)展是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵，磷酸鐵鋰動力電池為電動汽車的發(fā)展帶來了新的希望。只有采取正確有效的措施，解決好磷酸鐵鋰動力電池的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題，才能夠使磷酸鐵鋰動力電池的性能得到全面的提高，促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

［1］陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

［2］曹秉剛，張傳偉，白志峰，等.電動汽車技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報， 2004， 38 （1）: 1-5.

［3］林成濤，李 騰，田光宇，等.電動汽車用鋰離子動力電池的壽命試驗［J］.電池， 2010， 40 （1）: 23-26.