电动汽车磷酸铁锂动力电池技术的发展

于京诺，王 强，陈 炜

（1.鲁东大学交通学院，山东 烟台 264025；2.上海通用汽车有限公司，上海 201206；3.宁夏公路管理局，宁夏 银川 750004）

1 概述

国务院 《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中，将发展新能源汽车作为七大培育和发展战略性新兴产业之一。即将发布的国家 《新能源汽车产业发展规划》提出，将坚持以纯电动作为我国汽车工业转型的主要战略取向，重点发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车。

纯电动汽车发展的瓶颈是蓄电池。由于现有的蓄电池普遍存在比能量和比功率低、价格高、循环寿命短等缺点，导致电动汽车续驶里程短、使用成本高等问题，因此蓄电池技术的发展成为电动汽车发展的关键［1］。

目前，纯电动汽车使用的蓄电池有铅酸电池以及镍氢和锂离子等高性能电池。铅酸电池由于其比能量低，制约了其在纯电动汽车上的使用。锂离子电池由于比能量较高，适合于作为纯电动汽车的动力源，特别是磷酸铁锂电池，因其比能量大 （可达120 Wh／kg）、循环寿命长 （电池组循环寿命可达1500次）、 放电电压高 （单体电池为3.2V）、 无记忆效应、具有快速充电能力、自放电速率小、具有多种安全保护措施、密封良好、无泄漏现象、环保等众多优点，是目前纯电动汽车较理想的动力源，应用前景广阔［2］。 如雪佛兰Volt、 日产LEAF、 比亚迪E6、荣威350等电动汽车均采用了磷酸铁锂蓄电池作为动力电池。

虽然磷酸铁锂电池的性能与其它类型的电池相比具有一定优势，但是仍然不能满足电动汽车严苛的使用要求。因此，找出磷酸铁锂电池存在问题的原因，采取正确有效的措施改进磷酸铁锂电池的制造技术，提高磷酸铁锂电池的性能，对于电动汽车工业的发展至关重要。

2 磷酸铁锂电池存在的几个关键技术问题

由于磷酸铁锂电池问世较晚，其材料、生产工艺、技术标准、使用方法等方面尚不成熟，存在着许多问题，影响了磷酸铁锂电池的性能。

2.1 单体电池之间一致性差

电动汽车动力电池系统是由电池模块组成的，而电池模块由单体电池组合而成。单体电池之间的差异性主要表现在两个方面:一是刚生产出的单体电池之间性能不一致，因此需要采用容量或内阻筛选的办法，将性能相近的单体电池组装在一起形成电池模块；单体电池之间的差异性较大，会导致单体电池的优质率和合格率降低。二是在使用过程中单体电池性能出现差异，这会影响电池系统的循环寿命，使电池模块的循环寿命大大低于单体电池的循环寿命［3］。

造成单体电池性能差异的原因，包括材料、设备、工艺、标准、使用管理等方面。材料性能不稳定、批次差异、生产设备控制精度低、生产工艺一致性差、缺乏严格的生产和检测标准、对使用缺乏有效的管理、使用环境的差异较大等，都是造成单体电池性能差异的原因。

2.2 电池管理系统有待改进

为确保电池模块在汽车上能够正常工作，延长电池使用寿命，必须对电池进行合理有效的管理和控制。因此，汽车上的动力电池必须有电池管理系统 （Battery Management System， 简称BMS）。 电池管理系统的功能是控制电池模块的充、放电过程，监测电池的工作情况，预测电池的荷电状态 （State of Charging，简称SOC）等。国内外对电池管理系统的研究均投入了大量的人力物力。例如，日本青森工业研究中心从1997年开始至今，仍在持续进行BMS实际应用的研究；美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年，对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测；丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。我国对于电池管理系统的研究起步较晚，虽然取得了长足的进步，但与电机、电机控制技术、电池技术相比，电池管理系统还不是很成熟。尤其是在均衡充电、数据采集的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。

2.3 电池系统试验验证评价体系有待完善

科学有效的电池系统试验验证评价体系，是保证电池生产品质、促进电池技术进步和发展的关键。在磷酸铁锂动力电池系统试验验证评价方面，美国、加拿大、日本等国家都制订了较完善的电池试验内容和方法，对磷酸铁锂动力电池所有技术性能和安全性能进行了大量试验研究工作。美国的ATD项目、日本的NEDO项目在分析研究电动车用电池的失效机理基础上，建立适用于磷酸铁锂动力电池的测试评价方法。我国的磷酸铁锂动力电池工业起步较晚，有关动力电池的标准还不完善，试验方法和技术尚不成熟。北京理工大学、中国北方车辆研究所、万向电动汽车有限公司等单位进行了动力电池工况循环性能和动力电池组性能的研究。我国有关动力电池的试验、验证、评价方法和标准都有待进一步完善。

此外，磷酸铁锂电池还存在其他一些问题:如低温性能差，0℃时的容量保持率仅为60%～70%；导电性差，锂离子扩散速度慢，使高倍率放电容量下降；制造工艺复杂，成品率低，导致电池制作成本高。

3 促进磷酸铁锂电池技术发展的措施

3.1 加强高性能磷酸铁锂电池设计研究

高性能动力电池设计技术以及单体电池的一致性和安全性设计技术是磷酸铁锂电池技术的关键。

1）高性能动力电池设计 应通过研究不同类型电池材料、不同类型电池制备工艺对电池综合性能的影响规律，探讨基于国产化电池材料的电池设计方法、国产电池材料的兼容性匹配技术和工艺，拓展国产电池材料的应用范围，实现动力电池的低成本制造。

2）单体电池的一致性设计 应通过研究单体电池差异性的表现形式和形成过程，建立电池一致性的综合评价体系；研究电池材料对于单体电池的一致性的影响规律、微观机理和评价方法；研究制备工艺过程和使用条件对于电池不一致性的影响机理，探讨电池一致性的制备工艺保障措施和使用环境的最优化设计方法。

3）单体电池的安全性设计 应研究电池材料和电池制备工艺对于单体电池安全性的影响规律、微观机理和评价方法；研究电池在正常使用以及非正常的误用或滥用条件下的损伤过程和相关机理，建立电池损伤的电化学理论和微观结构模型；研究电池损伤与相关参数的关联，探索电池故障预警理论和方法，发展基于安全性考虑的电池设计技术。

通过改进电解液体系、正极配方、材料性能，改善电芯结构设计以及建立电池温度控制体系等措施，改善磷酸铁锂电池的低温性能；通过添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂等方法改善导电性；通过纳米化LiFePO4晶粒等方法，减小锂离子在晶粒中的扩散距离，从而改善电池的高倍率放电特性。

3.2 采用先进的大规模制造工艺

只有采用先进的大规模制造工艺，才能提高磷酸铁锂电池的品质，保持单体电池的一致性，降低电池的生产成本，全面提高磷酸铁锂电池的性能。要通过研究磷酸铁锂电池水系溶剂工艺、导电剂粒度与添加量对正极覆料导电性的影响，电极面密度设计、极耳材质及焊接工艺对电池倍率性能的影响，电解液量与电池内阻的关系及循环性能的影响，动力电池生产过程一致性的评价体系，设计磷酸铁锂电池大规模制造工艺流程。

通过对各关键制造工序工艺原理的分析，以磷酸铁锂电池制造工艺为基础，装备先进的全自动卷绕关键工艺装备、全自动叠片工艺装备、涂覆工艺装备、隔膜生产工艺装备，生产过程自动检测仪器及装备等，实现磷酸铁锂电池的高品质大规模制造。

3.3 实现磷酸铁锂电池系统热、电、结构设计一体化集成及高效管理

在进行磷酸铁锂电池结构设计时，必须综合考虑热、电因素，实现磷酸铁锂电池热、电、结构一体化系统集成技术。应以磷酸铁锂电池热模型为基础，对动力电池系统的热流场进行CFD（Computational Fluid Dynamic，计算流体力学）数值计算，分析不同结构、不同容量条件下动力电池系统的热分布状况。通过分析电池组散热影响因素，找到有效的电池系统温度控制技术与热管理方法。在此基础上，优化铁锂电池热、电、结构设计一体化集成方案。

先进有效的电池管理系统是电池正常工作的根本保证。通过研究动力电池组的荷电状态SOC与健康程度 （State of Health，简称SOH）动态估算方法，提高估算准确性和精确度；通过研究锂离子电池组能量均衡控制技术与应用，以及电池充放电保护安全措施，优化电池充电过程，开发嵌入式电池智能管理系统，提高电池管理系统的性能。

3.4 建立完善的磷酸铁锂动力电池系统试验验证评价体系

通过研究锂离子单体电池和电池模块系统科学有效的试验方法，建立运用工况法试验电池系统循环寿命的方法；通过研究工况法试验时放电电流的变化规律，以及不同类型驱动电机在确定的工况下蓄电池的放电电流的变化规律，建立磷酸铁锂动力电池系统出厂试验方法。

通过研究磷酸铁锂动力电池系统装车试验的内容和方法，建立磷酸铁锂动力电池系统装车后的工况法试验体系。

根据磷酸铁锂动力电池装车试验结果与出厂试验结果之间的差异，分析造成试验结果差异的原因，提出改进出厂试验的方法，建立全面、科学合理的评价磷酸铁锂动力电池系统的体系。

4 结束语

蓄电池技术的发展是电动汽车发展的关键，磷酸铁锂动力电池为电动汽车的发展带来了新的希望。只有采取正确有效的措施，解决好磷酸铁锂动力电池的几个关键技术问题，才能够使磷酸铁锂动力电池的性能得到全面的提高，促进电动汽车产业的发展。

［1］陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2002.

［2］曹秉刚，张传伟，白志峰，等.电动汽车技术进展和发展趋势［J］.西安交通大学学报， 2004， 38 （1）: 1-5.

［3］林成涛，李 腾，田光宇，等.电动汽车用锂离子动力电池的寿命试验［J］.电池， 2010， 40 （1）: 23-26.