薛雯
摘 要：锂离子动力电池在性能上的优势突出，在纯电动汽车及混合动力汽车上得到了重视，已广泛应用。锂离子动力电池各方面的性能需要满足电动汽车的使用要求，在低温充电的性能上锂离子电池还有待提升。该文通过进行国内外现状的对比，对锂离子动力电池的结构中这一部分性能进行了分析，从结构和材料的选用上提升电池对使用需求的适应性。
关键词：锂离子动力电池 结构设计 概述 PTC加热技术
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（b）-0036-02
1 锂离子动力电池背景介绍
锂离子电池是以锂离子（Li+）在正负极活性材料中的脱嵌反应为基础构建高能化学电源。锂离子电池正极采用含锂化合物，如LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2或LiFePO4等，负极采用石墨等碳素材料，电解液采用溶解有锂盐的有机电解液。
锂离子电池以其比能量、比功率、循环寿命等方面的优势在未来纯电动（BEV）、插电式混合动力（PHEV）和混合动力（HEV）汽车领域具有广阔应用前景。据研究机构预测，到2020年全球锂电市场规模达到380亿美金/年，是目前市场总量2.5倍，动力和储能类电池需求量未来5年年均增长35%，到2016年动力和储能电池成为未来锂电池市场的主战场。
近年来，日本、韩国、美国、欧盟、中国等相继制定专项研究开发计划，大力支持锂离子动力电池的发展，基本形成了官产学研的联盟体制，积极开展锂离子动力电池等的技术攻关研究，极力抢占锂离子动力电池市场。逐渐形成了有实力的汽车制造商与电池公司的联合体，如，丰田与松下合资的PEVE，日产和NEC、NEC东金合资的AESC，三菱汽车、三菱公司与GS-Yuasa合资的LEJ，本田和GS-Yuasa合资的Blue Energy，三星和博世成立的SBMotive公司，江森自控和SAFT成立的JCS等。这些合资企业将成为锂离子动力电池市场的主要竞争者。另外，一些包括Sanyo、Sony、Toshiba、SDI、LG化学、HVE等国外公司和天津力神、深圳比亚迪、深圳比克、杭州万向等国内公司都在积极参与锂离子动力蓄电池的开发。
应用于电动汽车的锂离子动力电池需具有良好的安全可靠性型，较长的循环寿命，快速充电和较宽的温度使用范围。目前，电动汽车上使用的动力电池是由多个电池单体通过串并联方式组成电池组，由于受到空间的限制，电池单体都紧密的布置在一起，在进行充放电时，各个电池单体所产生的热量相互影响，如果散热不均匀，将造成电池组局部温度快速上升，产生较大的温差，使电池一致性恶化，使用寿命大大缩短，在目前的电池系统中，已采用一些有效的措施将动力电池的最高温度控制在合理的范围内。但是低温对动力电池的影响却没有得到有效的解决。当动力电池处于比较低的环境温度下，电池的充放电性能会大大降低，导致电池无法正常工作，为了使电动汽车不受低温影响，动力电池组必须拥有合理、科学和高效的加热系统。
具备低温充电能力的锂离子电池采用PTC加热技术，在低于0 ℃的环境温度下，采用电池本身的电能为PTC加热板供电，将电池温度迅速提升至5 ℃以上，使得电池可以在低温环境下进行充电，避免因电池负极材料析锂而造成的安全隐患。可解决客户在寒冷地區对电动汽车的使用要求。
2 具备低温充电能力锂电池组结构分析
一些采用锂离子动力电池的电动汽车已得到应用推广，如日产汽车在2010年推出的Leaf纯电动汽车采用AESC提供的锂离子电池，单体电池容量33.1 Ah，电压3.8 V，采用软包装叠片结构，正极采用LMO和NCM混合体系，负极采用石墨。通用Chevy Volt PHEV汽车采用LG公司生产的锰系-镍钴锰三元/碳体系锂离子电池，单体电池采用软包装叠片结构，总电量达到16 kWh。丰田Prius PHEV采用3.7 V 20 Ah单体电池，采用镍钴锰三元/复合碳材料体系，铝壳结构。
当电池处于较低的温度下（0 ℃以下），电池的充放电性能均快速衰减，研究表明，影响锂离子电池低温性能的因素主要有：（1）电解液的传输性能差。（2）充放电过程总由于金属锂的沉积导致电解液分解。（3）金属锂与电解液发生不可逆反应。（4）锂离子在石墨负极中的扩散速度慢[1]。
目前电池系统的加热技术尚未受到足够重视，主要是因为电动汽车目前还未大规模使用，受到恶劣气候影响的问题还没有凸显，但随着电动汽车的逐步推广，电池组的加热问题是不可回避的。从技术上讲，直接对电池电解液进行加热只需几分钟就可以将电池从-40 ℃加热到20 ℃，但存在电池安全和高频交流电产生困难的问题。从电池外部加热会比较安全，容易实现，但有加热时间过长、加热能量消耗大的问题。电池外部加热主要有几种加热方法：（1）加热板加热。（2）加热套加热。（3）加热膜加热。（4）珀尔贴效应热泵加热等。
液体或气体加热方式是通过将加热后的液体或气体充入电池箱对电池进行加热[2]。通用汽车公司推出的VOLT电动汽车采用液体对电池组进行加热和散热（图1）。采用液体加热，对电池箱的密封盒绝缘要求较高，会增加整改电池箱体的复杂程度，在可靠性方面尚有许多问题需要解决。
加热板加热是指在电池系统顶部或底部添加电加热板，加热时，电加热板通电，加热板的一部分热量通过热传导方式直接传给电池，还有一部分通过周围被加热的空气以对流方式对电池加热。采用加热板加热，加热时间长，电池组温度分布不均匀，易出现较大温差。
加热套加热是指每块电池单体上加一个加热套，加热套由电阻材料制成，这种加热方式可以使电池组各电池单体受热均匀，能量损失比较少。但是会造成电池散热困难。
加热膜加热是指在每个电池单体表面积最大的两个侧面贴上加热膜，加热膜可采用聚酰亚胺作为绝缘材料类，合金箔作为发热体，可承受温度为-150 ℃～150 ℃，与加热套相比，不会对电池散热产生太大影响，并且可以简化结构，加热膜也是以动力电池组本身作为电源，但是这种加热方式只是适合于方形电池。
锂离子动力电池PTC（正温度系数）加热器利用陶瓷材料的相变效应，将PTC陶瓷发热组件与波纹铝条经高温胶粘组成[3]。该类型PTC加热器有热阻小、换热效率高的优点。具有以下明显优势。
（1）可超低温启动—即使-40 ℃也可照常启动。
（2）因PTC发热器的发热功率随环境温度的降低而提高，同时在启动时有比额定功率更高的冲击功率（电流），所以在环境温度较低时制热速度较快。
（3）加热器根据环境温度自动调节功率，是一种自动恒温、省电的电加热器。
（4）PTC加热器的是由PTC片组成的，所以PTC加热器可以把PTC片均匀地分布在加热器的表面，从而保障加热器温度的均匀度。
（5）电池加热器的表面自控温温度一般为50 ℃～60 ℃，且加热器的表面不发红、无明火等现象，非常安全可靠。
PTC加热器结构可分为空气加热方式和加热板加热方式。空气加热方式PTC加热器结构简单，其方式就是通过风扇把PTC发热器的热量送到电池包内，使电池包均匀受热。如丰田普锐斯的设计就非常具有代表性。通过风扇把空气经PTC加热器吹进电池包，暧气流流经电池包后对电池进行有效加热。
加热板加热方式采用铝型材作为结构件，结构牢固可靠，不易损坏，寿命长。鋁散热件导热好，受热均匀，发热面温度温差小于5 ℃，电池包加热均匀性非常高。加热器自控温，控温设计温度在50 ℃～150 ℃，非常安全可靠。发热器功率密度可根据电池包加热升温需要进行设计调整，可满足电池包保温、快升温等加热要求。PTC加热器可采用加热板加热方式（图2）。
作为目前新能源汽车广泛使用的动力电池，锂电池技术在很大程度上影响着新能源汽车产业的发展。因此，通过对电池的材料体系及结构进行优化，采用改性的正极、表面修饰的负极及独特的电解液配方，解决锂离子电池低温放电及充电的瓶颈问题。
参考文献
[1]韩广欣，韩金东，张秀军，等.锂离子电池组均衡充电的研究进展[J].电池工业，2009，14（1）：65-68.
[2]张永刚，王成扬，闫裴.石墨电极废料用作锂离子需电池负极材料[J].电源技术，2007，31（8）：601.
[3]孟蕊，邱瑞珍，高俊奎.电动工具用锂离子电池的开发和性能研究[J].电源技术，2007，31（1）：30.
