2.1.3　锂离子电池的电芯、模组及电池包

目前锂离子电池至少要包含一个电芯,模组是由几到几百个电芯经由串联或者并联所组成的,电池包除了包含一个或者几个模组,还需要电池管理系统和热管理系统。一般情况下一个电芯要包含以下一些部分:正极极片、负极极片、电解液、隔膜、正极极耳、负极极耳、外包装等部分。目前电芯主要分为方形、圆形和软包3种(图2⁃2)。圆形的电池目前指的是圆柱形的锂电池,是由Sony公司在1992年发明的,主要采用卷绕的工艺,工艺流程目前已经非常成熟,产品稳定。目前的圆柱形的锂电池型号主要有18650、21700、26650等。圆柱形锂电池除了常规的部分之外还包括顶部和底部垫片、盖帽、安全阀、密封圈、PVC套管等。方形的电池通常指钢壳或者铝壳的锂电池,结构较为简单,具有卷绕和叠片两种工艺。目前市场上的方形锂电池的型号较多,工艺难以统一。软包锂离子电池和方形的锂电池形状基本一致,都是方形的,电池的结构也基本一致。两者最主要的区别是包装材料,方形电池的包装材料主要为钢壳、铝壳,软包的包装材料是软包装材料铝塑复合膜。

电池模组的一种结构如图2⁃3所示。用两个聚丙烯板为中间板为电池模组提供支架。中间板是模块中结构最重要的部分,支撑着电池的重量,并为其他元件的固定提供支撑。两个端板是绝缘的聚乙烯材质围绕着电池模组。铝连接片将各个电池并联或者串联起来。聚丙烯T片和L片用于夹紧铝条,并将它们电绝缘。塑料垫片穿过模组,从一个T形件到另一个T形件,确保电池间的固定。沿着电池的方向,通过T形件、端板和中间板从模块的两侧插入不锈钢销。从而固定各个板之间的距离,并使其电绝缘。

图2⁃2　各种电池电芯结构

图2⁃3　电池模组的分解和完全组装

目前流行的电池包均为首先串并联电池以得到小型的模组,然后将模组串联连接形成组件。如图2⁃4所示,雪佛兰Volt电池包由96个模块组成,每个模组具有3个并联的单元,日产Leaf包含并联连接的2个串联单元模组。

图2⁃4　雪佛兰的Volt和日产的Leaf电池包结构

电池管理系统(BMS)对电池包而言也不可或缺。为了使锂离子电池在长期的使用过程中能够更加有效地利用电池,人们建立了BMS以实时检测电池的额状态,防止电池过充、过放等事故发生。BMS已经被研究了很多年,目前已经广泛应用于手机笔记本等消费电子类锂离子电池。但是在电动汽车领域BMS的研究仍急需加强。这主要是由于在电动汽车上的电池数量是便携电子类产品中的成百上千倍。除此之外,电动汽车设计要求的功率、电压和电流使得BMS更加复杂。针对不同场合的BMS具有的功能也不完全相同。一般BMS均具有以下几种基本功能:①检测电池的状态,包括电压、电流、温度;②分析电池的状态,主要是对剩余电量,电池的SOC进行评估;③保护电池的安全,对电池的电压、电流、温度等进行保护,保证电池运行安全;④控制管理电池的能量,对电池的充放电控制管理(电池何时需要且能够充放电)和均衡控制管理(通过一些方法使得单体电池间的能量和状态趋于均衡)。

此外,锂离子电池的性能、寿命和安全性都和电池所运行和存储的环境温度息息相关。温度会影响电池的内阻、电压平台、容量、能量、电池组各单体的一致性、电池的寿命。温度过高除了对电池的性能造成严重影响之外,还会造成电池更容易热失控,引发安全问题。因此为了使电池能最大地发挥出其应有的性能,要让电池保持在一个合适的温度。然而除了电池所处的温度范围很大之外,电池在运行过程中的自产热也很大,对于许多电池紧密排布的电池组,热量如果不能及时散发出去会造成电池温度十分容易超出其合适的温度范围。针对电池组运行过程中的热管理问题,人们目前已经进行了大量研究。按照电池表面的热量传递介质不同。目前温控系统主要分为液体冷却、风冷、热管冷却和相变材料冷却4大类。液体冷却主要包括两类:一类是用液体直接与电池表面接触流过带走热量;另一类是通过冷却管和电池表面接触带走热量。相变材料主要是利用相变材料达到温度相变点,相变吸热从而使电池表面温度降低,相变材料一般也附着在电池表面。热管是利用相变原理进行高效率传热的原件。风冷是利用空气流动带走电池组产生的热量。目前相变材料和热管还处于研究阶段。风冷技术由于结构简单、成本低被广泛采用。