锂离子电池包及电池简单参数匹配

锂离子电池包及电池简单参数匹配张伟目前混合动力车（HEV）和插电式混合动力车（PHEV）在商业上大规模生产和获得更多市场份额的主要障碍是蓄电池。电动车所用的蓄电池必须具有性能高、廉价、寿命长和安全性能高等特点。锂离子蓄电池最有可能应对这些挑战。目前，世界各地都在做相应的研究和开发，以改善蓄电池的特性。但是即使是性能最好的蓄电池，组合成很差的蓄电池包也可能导致蓄电池包整体的性能、寿命降低，安全性变差而导致成本增加。此外我们还必须考虑到机械、包装、电、热、安全、监测、控制以及与车辆其他部分的接口等方面问题。蓄电池包一般是由蓄电池模块或单体电池组成。一个蓄电池模块又由多个单体电池组成。蓄电池装载在一个有电子和热控制的箱体中，这个箱体内还有整个蓄电池系统与车辆其它组成部分的接口设施以及蓄电池管理系统。每个模块有其适当的包装、热控制盒机械或电子设备。这个装载有蓄电池、热控制和电子设备以及其它部件的箱体就是我们通常所说的蓄电池包。选取电池锂离子蓄电池的包装应该考虑到一下几点：蓄电池模块单体电池之间的互连设计；蓄电池、蓄电池模块与电子元件相互之间连接的具体设计；结构上受冲击和振动的保护；如何对蓄电池包进行碰撞保护；选择理想的固定在车辆的位置；与车辆其它组成部分的机械接口设计。因此在蓄电池的最初设计中，就必须考虑到：安全性（滥用限制）；整个系统的包装费用；对包装的寿命和耐用性的影响；包装的可回收和再利用性；制造的成本；维修/修理方便性；散热管理（因为温度影响蓄电池寿命和性能）；电子检测和控制；显示性能、容量、衰退等的计量设施等。所以在最初选用合适类型的蓄电池，对于蓄电池的包装、互连设计、散热管理等都是非常有意义的。电池的安全性安全性是锂离子蓄电池的最大关注点。在滥用试验中，过电压，过充，过放，过热，钉穿刺，外部短路，或内部短路缺陷等都可能导致蓄电池热失控和电解质泄露，产生烟雾、开孔、火灾、甚至爆炸。对于在车辆上应用的蓄电池我们应该严格要求。虽然目前通过改进蓄电池正负极材料、添加能提高安全性能的添加剂和通过有效的电子和机械控制几乎可以消除或大大减少事故发生的可能性，但由于如过压和挤压以及热失控造成内部短路仍然需要特别关注。因此应该针对性的对蓄电池包进行相应设计，减少这些情况的影响，提高蓄电池包的安全性能。动力电池特性分析动力电池的充放电特性是指其充放电效率、效率随电池荷电状态（SOC）变化而变化的特性。动力电池的充放电功率和功率随电池SOC的变化有着相同的变化趋势，SOC下降时，最大充电功率和充电效率均增大，而最大放电功率和放电效率则均减小；SOC上升时，最大充电功率和充电效率均减小，而最大放电功率和放电效率则均增大。SOC在50%附近时，动力电池同时具有比较好的充放电功率和效率，如图1所示。图1动力电池充放电特性电池的可用容量、输出电压、电流、SOC、温度及电解液成分等多种物理化学因素相互影响。为了便于讨论，将充满电的电池在理想条件下，1h放电至终止电压的理论等值电流定义为电池的容量电流Ic（例如：20Ah的电池，其容量电流Ic=20A）。电动汽车动力电池的可用容量、输出电压和放电电流有着如图2所示的对应关系。图2不同倍率下的容量与电压特性动力电池组参数匹配对于混合动力汽车，动力电池组的功率与电机的功率，应能满足电机的功率需求，如下式：𝑃𝑏_max≥(Pm_peak)/(ηbηm_peak)（1）其中，𝑃𝑏_max为动力电池组最大功率，取决于动力电池组工作电压和最大充放电电流（如式（2）所示），KW；ηb为动力电池组工作效率；ηm_peak为电机最大功率点的工作效率（包括控制器效率）。Pb_max=UbIb_max（2）其中，Ub为动力电池组工作电压，V；Ib_max为动力电池组最大允许工作电流，取决于动力电池组容量电流和最大充放电倍率（如式（3）所示），A。Ib_max=βb_maxIc（3）其中，βb_max为电池最大允许充放电倍率。电池单体成组参数电池组是由电池单体通过串联和并联形式组合而成的，动力电池组的串联数量、并联数量和电池单体数量可分别通过式（4）、式（5）和式（6）确定。Nb_series=Ub/Ub_single（4）其中，Nb_series为动力电池组串联数量；Ub_single为电池单体电压，V。Nb_parallel=Cb/Cb_single（5）其中，Nb_parallel为动力电池组并联数量；Cb_single为电池单体容量，Ah。Nb=Nb_seriesNb_parallel（6）其中Nb为动力电池组单体数量。本文简单分析了锂离子电池包及电池简单参数匹配，剖析了动力电池的充放电功率和效率特性，对动力电池匹配知识进行了简单的普及。