动力电池技术创新研究与比亚迪高压电池包

1动力电池组概述磷酸铁锂动力电池包：13个电池组串联，13个BIC；2个分压接触器、1个正极接触器、1个负极接触器、采样线束、电池模组连接片和链接电缆等。碳酸铁锂电池电池包容量额定电压储存温度[-40]℃~[40]℃，短期储存（3个月）20%≤SOC≤40%[-20]℃~[35]℃，长期储存（＜1年）30%≤SOC≤40%重量外观、接口：电池包密封盖上粘贴有电池参数标签和电池编号、托盘，高、低压线束接口。动力电池包高压端接口：拆装高压接口时，注意锁止机构锁片的字母提示。 参数75Ah633.6V（以实车为准）≤490KG 动力电池包高压母线：带高压互锁端子 2动力电池包组成结构组成结构电池包外部结构：密封盖板、钢板压条、密封条、电池托盘内部结构：电池模组、动力连接片、连接电缆、采集器、采样线，电池组固定压条，密封条。 组成结构电池组连接方式：13个模组串联组成。（电池包接口：1#电池负极、13#电池正极）动力电池包内部含有4个接触器和2个保险：(接触器影响电池组是否可以串联）1#--负极接触器；13#--正极接触器；6#、10#--分压接触器、保险 有分压接触器模组示意图 无分压接触器模组示意图 3动力电池包模组种类组成结构两类电池模组（单列和双列模组：电压采样线板，温度采样线板、电芯保护盖）单列模组结构图--电池模组尾端装有信息采集器（单列模组）BIC—电池信息采集器（电压采样、温度采样、通讯端口） 双列模组结构图--电池模组尾端装有信息采集器（双列模组）BIC—电池信息采集器（电压采样、温度采样、通讯端口） 电池信息采集器连接方式12Pin接插件通讯接口（与分布式BMS进行通讯） 动力电池包采样线接口定义电池包信号接插件接口定义引脚号端口名称D-1NCD-2NCD-3NCD-4采集器电源正D-5负极接触器电源D-6分压接触器电源1D-7分压接触器电源2D-8正极接触器电源D-9高压互锁信号输入D-10采集器can屏蔽地D-11NCD-12采集器CANLD-13采集器CANHD-14高压互锁信号输出D-15采集器电源地D-16负极接触器控制D-17分压接触器控制1D-18分压接触器控制2D-19正极接触器控制 4电池管理系统分布式电池管理系统1个电池管理控制器（BMC）和13个电池信息采集器（BIC）及1套动力电池采样线组成。功能：电池管理控制器的主要实现充/放电管理、接触器控制、功率控制、电池异常状态报警和保护、SOC/SOH计算、自检以及通讯功能等；电池信息采集器的主要功能有电池电压采样、温度采样、电池均衡、采样线异常检测等；动力电池采样线的主要功能是连接电池管理控制器和电池信息采集器，实现二者之间的通讯及信息交换。 电池管理系统 电池管理系统电池管理系统参数标定更换电池包或者电池管理器时，需要重新标定电池容量和SOC；更换电池包时，根据电池包出货检验报告单上的数据标定电池容量和SOC；更换电池管理器时，根据原车电池包数据标定电池容量和SOC； 动力电池技术是制约新能源汽车产业发展的关键因素之一。如何解决电动汽车续驶里程较短、充电时间达不到传统车加油时间、动力电池衰减过快、动力电池成本较高导致整车价格过高、安全事故频发问题，成为动力电池技术创新的关键。动力电池能量密度提升、充电特性改善、提高循环寿命、降低成本、提高安全性是新能源汽车市场发展的需求，我国动力电池技术政策也将其作为突破重点。动力电池技术创新水平通过对收集的典型创新案例技术指标梳理，可以发现，目前一些产品的关键指标已经得到提升。在能量密度方面，铝空气电池能量密度达到780Wh/kg，锂硫电池达到350Wh/kg，固态电池达到360Wh/kg;在充电倍率方面，典型创新性产品最高充电倍率已经超过100C。在循环寿命方面，典型创新产品已经能够超过15000次。 动力电池技术创新方向提升能量密度我国非常重视动力电池能量密度的提升，相关规划也都提出了能量密度的发展目标。案例分析发现，能量密度的提升主要基于提高正负极材料容量与开发的新型电池，比如Cr2O5、高镍、富锂正极材料、硅负极材料、石墨烯材料、在现有材料基础上添加硅纳米颗粒等方式，以及新型电池如锂硫电池、金属空气电池、全固态电池等。综合来看，提升动力电池的能量密度主要有三个方向：一是提高工作电压，二是提高正负极活性物质的比容量，三是优化结构设计。提升工作电压。在其他技术条件相同前提下，动力电池能量密度与正负极电压差成正比例关系，提高正极材料电压、降低负极材料电压成为一个重要方向：比如高电压的尖晶石镍锰酸锂材料，其工作电压可达5.0V，电压平台在4.7V左右，相对目前主流三元电池4.2V提升19%，北京交通大学研制的高倍率性能纳米富锂材料电压也能达到4.8V，能够提升14%。提高比容量提升动力电池能量密度的另一途径是提高正负极活性物质的比容量。比如中国科学技术大学研制的Cr2O5正极材料比容量可达275mAh/g，相对目前主流三元正极材料200mAh/g，提升37%;中国科学院长春应用化学研究所研制的锂离子纳米复合负极比容量能够达到956mAh/g以上，相对目前主流石墨类负极材料的理论比容量372mAh/g，提升157%。 优化结构设计提高锂离子电池的比能量从结构上讲，要提高正负极活性物质在锂离子电池中所占的比例。例如特斯拉的21700电池，就是通过使用直径更大的电芯，增加电芯的高度提高活性物质占比，减少结构件等非活性材料的比重，提高锂离子电池的比能量，单体能量密度达到300Wh/kg，相对18650电池提升20%。图20特斯拉21700电芯与18650电芯对比 图21 NbS2改善充放电特性提高动力电池的充放电倍率，满足消费者快速充电的需求，是新能源汽车产业发展的一个重要方向。案例分析发现，充放电倍率改善主要有Li/LiFePO4固态电解质、纳米材料、三维石墨泡沫集流体结构负极等，以及钛酸锂电池、金属空气电池和闪充电池等新型电池。综合来看，提高动力电池的充放电倍率主要有三个方向。一是提高离子迁移速度，二是提高电解质的离子电导率，三是减少电池内阻。提高离子迁移速度。正负极材料对锂离子的扩散系数有显著影响，选择扩散系数比较高的正负极材料，是改善倍率性能的重要方向。比如中国科学院福建物质结构研究所和温州大学合作，合成了由高导电碘掺杂石墨烯包裹的三明治型NbS2@S@IG正极材料，NbSi2的高电导率和孔隙率提高了界面电荷转移和离子迁移速度，由NbS2@S@IG组装的Li-S电池，在20-40C的高倍率下，表现出优异的循环稳定性。 @S@IG电极在20、30和40C下的循环性能 低离子导电率低化学稳定性高离子传导能力高化学稳定性与电极材料匹配图22电解质提高充放电倍率的方向提高电解质导电率。在大倍率充放电时，电池的电化学窗口变化范围非常宽，如果电解质的化学稳定性不好，容易在正极材料表面氧化分解，影响电解质的离子电导率。目前锂离子电池所采用的有机电解质，不管是液体电解质，还是固体电解质，其离子电导率都不是很高。选择具有较高的离子传导能力、良好的化学稳定性且与电极材料匹配的电解质是提高动力电池倍率性能的一个重要方向。降低内阻。不同物质之间的界面所形成的电阻值，会对离子或电子的传导产生影响。可以通过正负极活性物质内部添加导电剂、改变集流体材质、电解质与正负极材料的浸润程度、控制SEI膜变化等途径，提升动力电池的倍率性能。比如滑铁卢大学利用碳纳米管与LiMn2O4合成不需要使用粘结剂的电极，其中碳纳米管既是粘结剂，又是导电剂、集流体。这种电极由于具有碳纳米管之间良好的连接，使得极片电阻极大的降低。电极的多孔结构使得活性物质LiMn2O4与锂离子交换更快，提高了电池的倍率性能，在20C充电倍率下有较好性能。 提高循环寿命影响动力电池循环寿命的因素有很多，但其内在的根本原因主要是参与能量转移的离子数量不断减少，离子被禁锢在了其他地方或活动的通道被堵塞了，从而不能自由地参与循环充放电，包括金属锂的沉积、正极材料的分解、电极表面的SEI膜、电解质的影响等。开发长寿命正负极材料、添加剂、新型电解质、新型电池等成为主要方向。比如同济大学研制的金属纳米点/碳骨架复合电极，电极活性材料在每次充放电循环后都能快速从非晶态恢复晶态，保证了电极超高的循环稳定性和高功率性能，即使在5C和7.5C的高电流密度下循环5000次后，电池的容量几乎没有衰减，电极材料结构也依然有效保持；中国电力科学研究院合成的改性亚微米钛酸锂材料，可使钛酸锂电池寿命达到15418次；北京碳世纪科技有限公司开发的石墨烯锂离子五号充电电池，在正确的充放电条件下，循环寿命可达30000次。 降低成本动力电池能量密度、循环特性等性能的提升，在一定程度上降低了动力电池成本。同时，也可以通过大规模生产、提高动力电池合格率等来实现降低成本的目的。另一种重要途径就是开发低成本的新材料和新体系电池，比如斯坦福大学研制的钠离子电池，能量密度达到726 Wh/kg。由于地球上拥有广阔的海洋和盐湖等钠盐来源，为低成本动力电池提供了思路；中科院研发的具有核壳结构的铝@碳纳米球复合材料，并应用于高效、低成本双离子电池，其中铝储量丰富、价格低廉，Li9Al4的理论比容量高达2234mAh/g。提高安全性新能源汽车安全事故的发生基本是以动力电池为主体，通过外部和内部诱因导致电池热失控，热量不断累积，造成电池内部温度持续上升，其外在的表现是燃烧、爆炸等剧烈的能量释放现象。通过案例分析发现，提高安全性主要基于提高电池的热稳定性、增加阻燃材料及新型电池，比如锂电池固态聚电解质膜、锂电池不起火隔膜、陶瓷电极、固态电解质以及固态电池、金属空气电池及锌电池等。综合来看，动力电池安全性提升主要有两个方向，一是热失控阻断设计，二是新型材料和电池。热失控阻断设计。热失控发生时，各种材料会相继发生热化学反应，放出大量的热量，因此可以通过电极安全涂层、添加阻燃剂等设计，减少热失控链式反应发生的概率。比如加州大学研制的新型热失控抑制剂DBA，使得在机械滥用导致的热失控中电池温升降低了50%左右。 图27 Na0.44MnO2纳米线循环特性(四）动力电池技术创新趋势及挑战在动力电池技术创新国内外企业和机构/大学纷纷进行了不同尝试，一些指标较目前水平有较大改善，为动力电池性能的提升提供了有力参考，动力电池的技术创新主要有以下五个趋势：—是通过开发新材料和新产品来提高动力电池的能量密度，满足车辆装载更少(质量小)的动力电池实现更高续驶里程的需求；二是通过开发高导电倍率的正负极及电解质等材料，来提升动力电池的充放电倍率，满足消费者快速充电的需求并减少时间成本；三是通过开发长寿命正负极材料、添加剂、新型电解质及新型电池，来提高动力电池循环次数，减少电池实际可用容量下降的速度，提高电池全生命周期使用价值；新型材料和电池。开发高安全材料和电池是提升动力电池安全性的另一途径。比如中国科学院物理研究所研制了一种具有优异储钠性能的碳负极材料，该材料在1600℃以下具备很好的稳定性。 四是通过开发低成本新材料和新电池体系，以及规模化和自动化生产技术来降低动力电池综合成本；五是研究动力电池热失控机理、高安全材料和电池体系，以及先进的BMS及热管理等技术，提高动力电池单体及系统安全性，减少动力电池在使用期间爆炸着火等安全事故发生。需要注意的是这些案例大多是基于单个性能的改善，其他性能还不能达到自前动力电池基本水平，而且这些创新性产品一般是实验室产品，还需面临以下挑战：一是提升综合性能的挑战动力电池几个重要性能提升往往是相互影响的，比如三元电池能量密度相对磷酸铁锂电池得到提升，但安全性相对下降；全固态电池一般能量密度高，且用固态电解质替代传统锂离子电池中的电解液及隔膜，安全性较髙，但由于固态电解质电导率总体偏低导致了其倍率性能整体偏低，内阻较大，充电速度慢。因此综合提高动力电池性能是技术创新的一个重要挑战，也是未来技术创新的方向。二是新型产品产业化挑战目前动力电池创新性产品一般都是实验室产品，新型电