0 引言
節能和環保是目前汽車技術研究的主要方向，電動汽車要實現商業規模化并占有更多的市場份額，動力電池是制約電動汽車技術發展的瓶頸。作為電動汽車最關鍵的零部件，動力蓄電池包必須滿足安全性好、性能高、價格低廉和壽命長等要求。目前世界各地都在做相應的研究和開發，以期改善蓄電池的特性。即使性能最好的蓄電池單體，組合成蓄電池包同樣會導致蓄電池包整體的性能、壽命和安全性能降低。因此，做好蓄電池包的選型匹配工作是非常有必要的。
1 鋰離子蓄電池的安全性分析
安全性是鋰離子蓄電池的最大關注點。由于電池的比能量高，且電解液大多為有機易燃物，當電池生熱的速度大于散熱速度時，就會有可能出現安全問題[1]。因此對于車輛上使用的蓄電池應該有更嚴格的要求。
1.1 電池設計對鋰離子蓄電池安全性的影響
隨著鋰離子動力電池循環的進行，電池容量逐步降低，內阻增大，正極相對負極而言有較大的結構變化，與此同時，負極表面的SEI膜增厚，在循環的末期有鋰和鋰的化合物沉積。即使新電池在出廠時能通過安全性試驗，但是電池在使用的后期不一定再能通過，這是因為在使用過程中正負極活性物質發生結構性變化，在使用后期會析出金屬鋰; 在電化學循環過程中，極帶表面敷料的不均勻性易造成金屬鋰的不均勻沉積而形成枝晶，引發安全問題。欲獲得更為可靠和安全的鋰離子動力蓄電池包，在設計時就必須考慮時效性，尤其是考慮電池在使用后期的安全性。
電池的使用環境對電池的安全性能起著關鍵性的作用，尤其是電池在誤用或濫用條件下。長期使用的蓄電池的耐熱擾動及耐濫用能力變差，為了避免電池在濫用時內部物質反應產生大量的熱，需對不同結構的電池采用針對性設計。
對于圓柱與方形鋼殼結構的鋰離子電池，具有安全閥結構設計，當電池內部產生大量的氣體時，安全機構就會啟動。此外，還可以降低電池溫度以消除熱失控。而對于鋁塑包裝膜電池，由于內部沒有保護裝置，對電池的設計要求更加苛刻。當發生誤用與濫用時，隨著化學反應產生的氣體逐步增大，會將包裝膜鼓脹或將鋁膜焊封位置鼓破而泄壓，以保證蓄電池的使用安全。
1.2 電池材料對鋰離子蓄電池安全性的影響
電池材料的熱穩定性是影響鋰離子動力電池安全性的重要因素，主要跟電池材料的熱穩定性相關。當電池的溫度升高時，電池內部就有熱反應發生，如果產生的熱量超過了散失的熱量，就會發生熱逸潰[2]。

正負極材料的結構對鋰離子的嵌入和脫出有著決定性影響，因而影響電池的循環壽命，如圖1所示。使用容易脫嵌的活性材料，充放電循環時活性材料的結構變化小且可逆，有利于延長電池的壽命[3]。在鋰離子電池濫用的條件下，隨著電池內部溫度的升高，發生正極活性物質的分解和電解液的氧化。這兩種反應將產生大量的熱，從而導致電池溫度的進一步上升。同時不同的脫鋰狀態對活性物質晶格轉變、分解溫度和電池的熱穩定性影響相差很大。尋找熱穩定好的正極材料是鋰離子動力電池的關鍵。

圖1 鋰離子電池結構示意圖

2 蓄電池成組選型
蓄電池作為EV、HEV、PHEV上的動力電源，必須要具有足夠的能量，但是單體電芯又無法滿足該能量需求，因此就需要大量的單體電芯進行串并聯組合。電池包的設計要考慮到電池組的重量、體積以及在車輛空間上的分配等。
電池包的結構有很大的多樣性，這主要是因為所選取電芯的種類繁多，形狀大小不一，不同車輛上需求的電芯數量不一，車輛上有效裝載電池包的空間不同，還有要考慮到散熱加熱設計等等因素。在設計電池包時，主要是根據所選取電芯的形狀、數量，合理的排列擺放方式，以及電池包在車輛上的有效裝載空間來確定。
2.1 電動車輛對電池性能的要求
（1）純電動汽車對電池的工作要求
純電動汽車行駛完全依賴電池提供能量，電池容量越大，續駛里程就越長，所需電池包體積、重量也越大。純電動汽車要根據設計目標、道路情況和行駛工況的不同來選配電池。
① 電池包要有足夠的能量和容量。
② 電池要能夠實現深度放電(例如80％)而不影響其壽命，在必要時能實現滿負荷功率和全放電。
③ 需要安裝電池管理系統和熱管理系統，顯示電池組的剩余電量和實現溫度控制。
④ 由于動力電池組體積和質量大，電池箱的設計、電池的空間布置和安裝問題都需要認真研究。
（2）混合動力汽車對電池的工作要求
混合動力汽車與純電動汽車相比對電池的容量要求有所降低，但要能夠根據整車要求實時提供更大的瞬時功率，即要實現“小電池提供大電流”。由于混合動力汽車構型的不同，串聯式和并聯式混合動力汽車對電池的要求又有差別。
① 串聯式混合動力汽車完全由電機驅動，內燃機—發電機總成與電池組一起提供電機需要的電能，電池SOC處于較高的水平，對電池的要求與純電動汽車相似，但容量要小一些。
② 并聯式混合動力汽車內燃機和電機都可直接對車輪提供驅動力，整車的駕駛需求可以由不同的動力組合結構來滿足。動力電池的容量可以更小，但是要求電池組瞬時提供的功率能滿足汽車加速或爬坡要求，電池的最大放電電流有時可能高達20C以上。
在不同類型的混合動力汽車上，由于工作環境、汽車構型、工作模式的復雜性，對混合動力汽車用動力電池提出統一的要求是比較困難的，但一些典型、共性的要求可以歸納如下：
1) 電池的峰值功率要大，能短時大功率充放電。
2) 循環壽命要長，達到1000次以上的深度放電循環和40萬次以上的淺度放電循環。
3) 電池的SOC應盡可能保持在50％~85％的范圍內。
4) 需要配備電池管理系統和熱管理系統。
(3) 可外接充電式混合動力汽車(PHEV)對電池的工作要求
PHEV對動力電池的要求要兼顧純電動和混合動力兩種模式。如圖2所示，PHEV在設計上既要實現城市里以純電動模式的行駛又要實現在高速公路上以混合動力模式的行駛(電池電量也在消耗)。PHEV期望純電動工作模式的行駛里程達到幾十公里，而且期望電池在低SOC時也能提供很高的功率水平。

圖2  PHEV 的工作模式

圖3  PHEV、EV和HEV對電池要求的差別

圖3給出了PHEV、EV和HEV對電池的要求在功率密度和能量密度上的差別。從成本上講，由于電池成本高，PHEV的售價會比傳統汽車和無純電動模式的混合動力汽車高，用戶也會期望PHEV電池性能好、壽命長。可見，PHEV對電池的要求是非常高的。
2.2 電池包形狀及在車上的裝載位置
由于組成電池包的電芯形狀各異，數量不一，排列固定的方式不同，以及電池包散熱通風管路系統的設計不同，使得電池包的形狀各不相同，如圖4所示。電池包除了其裝載固定電池的作用外，還起著要起到密封、防水、保護電池免受外界沖擊、外界熱量干擾等功能。 因其在車輛上裝載的空間位置不一，導致電池包的結構具有很大的多樣性。

圖4 不同類型的電芯、模組和電池包

圖5 電池包形狀及在車上的安裝位置

此外，整車廠確定電池包形狀時不僅要考慮到電芯的規格性能還要考慮到電池包在整車的安裝位置等，如圖5所示。
2.3 單體電芯的性能比較
究竟是采用單體大容量電芯技術方案還是小容量電芯并聯技術方案一直是業內人士爭論的問題。采用哪種技術路線取決于是電池成組后的結果，是否在性能、體積、重量、價格、安裝等方面具有優越性。
（1）不同容量單體電芯的比較
在PHEV、HEV和EV的電池包上使用單體大容量電芯與小容量電芯并聯是有很大差別的。采用單體大容量電芯存在裝配成本低，電池成本高，不利于散熱等方面的不足；而小容量的電芯成本低，安全性能好。目前有些企業采用上萬只“18650”小電芯串并聯組成動力電池組，主要基于小電芯技術成熟，已在筆記本電腦等產品上獲得較長時間的應用考驗，電池的一致性好。但作為電動汽車用動力電池來講，它們之間有太多的連接，需要更高的集成和裝配成本。
（2）圓柱形與棱柱形單體電芯的比較
從電芯的外形來說主要分圓柱形和棱柱形，這不是一個單純的設計問題，而是要綜合考慮電池的電化學機理、電池的熱學特性。電磁場特性、電池的材料、電芯生產設備的成熟性可靠性等因素。
從動力電池產業鏈來看，小型圓柱形電芯的生產工藝和設備要比棱柱形電芯的成熟度高，且電芯具有較高的布置靈活性，可滿足安裝電池包空間的形狀變化需求。但電池模塊集成，電池包集成和車載應用等方面就有些困難。棱柱疊片技術可以更好的把電芯內部的熱量散發出來，有利于溫度分布的一致性，從模塊的角度上講，有利于將單體散熱與模塊及電池包的冷卻系統相結合，滿足新能源汽車長循環壽命的要求。
綜上所述，要發揮好鋰離子蓄電池的最佳性能，需要考慮制造效率、自動化程度、包裝、電化學、熱能分析、安全、檢測控制以及與車輛其它部分接口等諸多因素，具體問題具體權衡分析。
3 蓄電池熱管理的結構設計
熱管理是電池在高低溫環境下運行獲得理想性能和壽命的重要因素。熱管理在不同的氣候條件下，不同的車輛運行條件下，確保電池組在安全的溫度范圍內運行，而且還保持電池溫差變化在小范圍內波動(例如，低于5℃)。與此同時熱管理相應的冷卻和加熱系統也增加了電池包的成本、重量和體積。因此，我們在電池包的設計中，必須根據鋰電池的熱特性合理選取鋰電池類型，并針對所選取電池的熱特性來根據有利于熱均衡的原則合理的設計電池包冷卻散熱管理系統結構。同時保證所設計的系統具有結構簡單、可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。同時我們也應該分析清楚不同類型鋰電池的熱特性，然后根據熱特性相應設計合適的熱管理系統。
4 結論
選取合適的類型、恰當的模塊化模式、合適的排列擺放以及封裝方式才能使得電池包發揮出電池的最佳性能。若選取不當會直接導致電池包的性能下降、成本升高、并且存在安全隱患。此外還必須考慮到機械、包裝、電、熱、安全、監測和控制方面以及與車輛其它部分的接口等問題。作為整車廠的我們也需要電池制造商的協同努力，共同匹配出適合于電動汽車使用的動力電池。

參考文獻
[1] Shin—ichi Tobishima， Jun—chic Yamaki． A consideration of lithium ion safety[J]．Journal of Power Sources，81-82：882- 886
[2]唐致遠，管道安，張娜，鄧艷波．鋰離子動力電池的安全性研究．化工進展24 (10) ：1098
[3]龐靜，劉伯文，盧世剛．鋰離子電池性能研究現狀與進展．電池，289-291。

基金項目：“十二五”863計劃電動車重大專項“A0級小型城市純電動轎車開發”課題編號：2012AA111202。
作者簡介：朱永利（1971~）工程師

（朱永利  呂彥玲)
（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心  河北保定 071000）