2.1.3　鋰離子電池的電芯、模組及電池包

目前鋰離子電池至少要包含一個電芯,模組是由幾到幾百個電芯經(jīng)由串聯(lián)或者并聯(lián)所組成的,電池包除了包含一個或者幾個模組,還需要電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。一般情況下一個電芯要包含以下一些部分:正極極片、負極極片、電解液、隔膜、正極極耳、負極極耳、外包裝等部分。目前電芯主要分為方形、圓形和軟包3種(圖2?2)。圓形的電池目前指的是圓柱形的鋰電池,是由Sony公司在1992年發(fā)明的,主要采用卷繞的工藝,工藝流程目前已經(jīng)非常成熟,產(chǎn)品穩(wěn)定。目前的圓柱形的鋰電池型號主要有18650、21700、26650等。圓柱形鋰電池除了常規(guī)的部分之外還包括頂部和底部墊片、蓋帽、安全閥、密封圈、PVC套管等。方形的電池通常指鋼殼或者鋁殼的鋰電池,結(jié)構(gòu)較為簡單,具有卷繞和疊片兩種工藝。目前市場上的方形鋰電池的型號較多,工藝難以統(tǒng)一。軟包鋰離子電池和方形的鋰電池形狀基本一致,都是方形的,電池的結(jié)構(gòu)也基本一致。兩者最主要的區(qū)別是包裝材料,方形電池的包裝材料主要為鋼殼、鋁殼,軟包的包裝材料是軟包裝材料鋁塑復(fù)合膜。

電池模組的一種結(jié)構(gòu)如圖2?3所示。用兩個聚丙烯板為中間板為電池模組提供支架。中間板是模塊中結(jié)構(gòu)最重要的部分,支撐著電池的重量,并為其他元件的固定提供支撐。兩個端板是絕緣的聚乙烯材質(zhì)圍繞著電池模組。鋁連接片將各個電池并聯(lián)或者串聯(lián)起來。聚丙烯T片和L片用于夾緊鋁條,并將它們電絕緣。塑料墊片穿過模組,從一個T形件到另一個T形件,確保電池間的固定。沿著電池的方向,通過T形件、端板和中間板從模塊的兩側(cè)插入不銹鋼銷。從而固定各個板之間的距離,并使其電絕緣。

圖2?2　各種電池電芯結(jié)構(gòu)

圖2?3　電池模組的分解和完全組裝

目前流行的電池包均為首先串并聯(lián)電池以得到小型的模組,然后將模組串聯(lián)連接形成組件。如圖2?4所示,雪佛蘭Volt電池包由96個模塊組成,每個模組具有3個并聯(lián)的單元,日產(chǎn)Leaf包含并聯(lián)連接的2個串聯(lián)單元模組。

圖2?4　雪佛蘭的Volt和日產(chǎn)的Leaf電池包結(jié)構(gòu)

電池管理系統(tǒng)(BMS)對電池包而言也不可或缺。為了使鋰離子電池在長期的使用過程中能夠更加有效地利用電池,人們建立了BMS以實時檢測電池的額狀態(tài),防止電池過充、過放等事故發(fā)生。BMS已經(jīng)被研究了很多年,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機筆記本等消費電子類鋰離子電池。但是在電動汽車領(lǐng)域BMS的研究仍急需加強。這主要是由于在電動汽車上的電池數(shù)量是便攜電子類產(chǎn)品中的成百上千倍。除此之外,電動汽車設(shè)計要求的功率、電壓和電流使得BMS更加復(fù)雜。針對不同場合的BMS具有的功能也不完全相同。一般BMS均具有以下幾種基本功能:①檢測電池的狀態(tài),包括電壓、電流、溫度;②分析電池的狀態(tài),主要是對剩余電量,電池的SOC進行評估;③保護電池的安全,對電池的電壓、電流、溫度等進行保護,保證電池運行安全;④控制管理電池的能量,對電池的充放電控制管理(電池何時需要且能夠充放電)和均衡控制管理(通過一些方法使得單體電池間的能量和狀態(tài)趨于均衡)。

此外,鋰離子電池的性能、壽命和安全性都和電池所運行和存儲的環(huán)境溫度息息相關(guān)。溫度會影響電池的內(nèi)阻、電壓平臺、容量、能量、電池組各單體的一致性、電池的壽命。溫度過高除了對電池的性能造成嚴重影響之外,還會造成電池更容易熱失控,引發(fā)安全問題。因此為了使電池能最大地發(fā)揮出其應(yīng)有的性能,要讓電池保持在一個合適的溫度。然而除了電池所處的溫度范圍很大之外,電池在運行過程中的自產(chǎn)熱也很大,對于許多電池緊密排布的電池組,熱量如果不能及時散發(fā)出去會造成電池溫度十分容易超出其合適的溫度范圍。針對電池組運行過程中的熱管理問題,人們目前已經(jīng)進行了大量研究。按照電池表面的熱量傳遞介質(zhì)不同。目前溫控系統(tǒng)主要分為液體冷卻、風(fēng)冷、熱管冷卻和相變材料冷卻4大類。液體冷卻主要包括兩類:一類是用液體直接與電池表面接觸流過帶走熱量;另一類是通過冷卻管和電池表面接觸帶走熱量。相變材料主要是利用相變材料達到溫度相變點,相變吸熱從而使電池表面溫度降低,相變材料一般也附著在電池表面。熱管是利用相變原理進行高效率傳熱的原件。風(fēng)冷是利用空氣流動帶走電池組產(chǎn)生的熱量。目前相變材料和熱管還處于研究階段。風(fēng)冷技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低被廣泛采用。