二十世紀九十年代以來，锂離子電(diàn)池的研究和生産(chǎn)都取得了重大的進展，在各個領域的應用(yòng)也越來越廣泛，近年來，锂離子電(diàn)池也被研究人員用(yòng)在電(diàn)動車(chē)車(chē)上用(yòng)作(zuò)動力能(néng)源，成為(wèi)電(diàn)動車(chē)發展的一個新(xīn)趨勢。本章首先介紹和電(diàn)池有(yǒu)關的基本概念，然後介紹其锂離子電(diàn)池的特點和在電(diàn)動車(chē)上的應用(yòng)。

1.1充放電(diàn)相關的基本概念



老化房、高溫老化房、溫度沖擊試驗箱、快速溫變試驗箱、高低溫試驗箱
單體(tǐ)電(diàn)池、單個電(diàn)池和電(diàn)池組：單體(tǐ)電(diàn)池（Cell）是指電(diàn)動勢為(wèi)2V（鉛酸）或1.2V（鎳氫）或3.6V（锂電(diàn)池）左右的蓄電(diàn)池，是組成單個電(diàn)池的基本單元；幾個單體(tǐ)電(diàn)池封裝(zhuāng)組成單個電(diàn)池，簡稱電(diàn)池（Battery）；電(diàn)池組（Battery Pack）由若幹個電(diàn)池串聯而成。

電(diàn)池的容量：指一定的放電(diàn)條件下可(kě)以從電(diàn)池中(zhōng)獲得的電(diàn)量，一個電(diàn)池有(yǒu)理(lǐ)論容量、實際容量、額定或公(gōng)稱容量和額定儲備容量之分(fēn)。用(yòng)Ah（安(ān)時）數、mAh（毫安(ān)時）表示。

理(lǐ)論容量：理(lǐ)論容量是指假設活性物(wù)質(zhì)全部參加電(diàn)池的成流反應所給出的電(diàn)量。它是根據活性物(wù)質(zhì)的質(zhì)量按照法拉弟(dì)定律計算得到的。為(wèi)了比較不同系列的電(diàn)池常用(yòng)比容量的概念，即單位體(tǐ)積或單位質(zhì)量電(diàn)池所能(néng)給出的理(lǐ)論電(diàn)量，常以Ah/Kg或Ah/L表示。

實際容量：實際容量是指在一定的放電(diàn)條件下電(diàn)池實際放出的容量，等于放電(diàn)電(diàn)流與放電(diàn)時間的乘積。其值小(xiǎo)于理(lǐ)論容量。計算方法是：



式中(zhōng)，C為(wèi)實際容量，U為(wèi)放電(diàn)電(diàn)壓，I為(wèi)放電(diàn)電(diàn)流，R為(wèi)放電(diàn)電(diàn)阻，T為(wèi)放電(diàn)至終止電(diàn)壓的時間。

額定容量：額定容量是指設計和制造電(diàn)池時，按國(guó)家或有(yǒu)關部門頒布标準規定或保證電(diàn)池在一定放電(diàn)條件下應該放出的最低限度的電(diàn)量。如電(diàn)動車(chē)規定為(wèi)C/3放電(diàn)率下放出的容量。

額定儲備容量：國(guó)際電(diàn)工(gōng)學(xué)會（IEC）标準中(zhōng)規定汽車(chē)型蓄電(diàn)池的容量用(yòng)額定容量和儲備容量表示均可(kě)。我國(guó)采用(yòng)額定容量。指不分(fēn)電(diàn)池規格大小(xiǎo)，一律以25A電(diàn)流放電(diàn)，到終止電(diàn)壓1.75V時的放電(diàn)時間以分(fēn)鍾計。對規格不同的電(diàn)池，規定不同的放電(diàn)時間。

老化房電(diàn)池的能(néng)量是指在一定放電(diàn)條件下，電(diàn)池所能(néng)給出的電(diàn)能(néng)，通常用(yòng)Wh表示。
 
電(diàn)池的功率是指電(diàn)池在一定放電(diàn)條件下，于單位時間内所給出能(néng)量的大小(xiǎo)，單位為(wèi)W（瓦）或KW。單位重量電(diàn)池所能(néng)給出的功率稱為(wèi)比功率，單位W/kg或KW/kg.
 
充電(diàn)狀态SOC（State Of Charge）：是描述電(diàn)池荷電(diàn)狀态的一個重要參數，通常把在一定溫度下電(diàn)池充電(diàn)到不能(néng)再吸收能(néng)量的狀态理(lǐ)解為(wèi)充電(diàn)狀态（SOC）為(wèi)100%，而将電(diàn)池再不能(néng)放出能(néng)量的狀态理(lǐ)解為(wèi)充電(diàn)狀态（SOC）0%.



式中(zhōng)Cr是剩餘電(diàn)量，C_T為(wèi)電(diàn)池标稱容量，即在規定電(diàn)流和溫度下處于理(lǐ)想狀态時的所能(néng)放出的容量。Qe已用(yòng)電(diàn)量。ω_i為(wèi)不同放電(diàn)電(diàn)流和溫度下的電(diàn)量加權系數；



環境試驗室、步入式環境試驗室、高低溫試驗室、溫度沖擊試驗箱、冷熱沖擊試驗箱、高低溫沖擊試驗箱、冷熱沖擊試驗機、溫度沖擊試驗機、快速溫變試驗箱、高低溫交變濕熱箱、步入式恒溫恒濕試驗室
放電(diàn)深度DOD（Depth Of Discharge）：DOD = Qe/C_T，DOD=1－SOC。
充電(diàn)深度DOC（Depth Of Charge）：電(diàn)池可(kě)能(néng)放出的電(diàn)量與實際電(diàn)池容量的比。

DOC =（Ct－Qe）/C_t
式中(zhōng)Ct為(wèi)實際電(diàn)池容量，與放電(diàn)電(diàn)流和溫度有(yǒu)關。DOC的值不僅與當前狀态（SOC，溫度，電(diàn)流等）有(yǒu)關而且與将來電(diàn)池的放電(diàn)情況有(yǒu)關，因此DOC比SOC更能(néng)反映電(diàn)池的實際情況。

充電(diàn)接受能(néng)力（charge acceptance）：在蓄電(diàn)池充電(diàn)時，用(yòng)于進行充電(diàn)反應的電(diàn)流與總的充電(diàn)電(diàn)流之比。
 
即：a=I_A/I
a——充電(diàn)接受能(néng)力
I_A——用(yòng)于進行充電(diàn)反應的那部分(fēn)電(diàn)流
I——總的充電(diàn)電(diàn)流
 
電(diàn)池放電(diàn)的電(diàn)壓拐點：通過電(diàn)池的放電(diàn)實驗發現當電(diàn)池的電(diàn)壓降到某點時，繼續放電(diàn)其電(diàn)壓會急劇下降，dv/dt數值很(hěn)大，該點稱為(wèi)拐點。該點标示了電(diàn)池電(diàn)量已告罄，在拐點之下工(gōng)作(zuò)會造成對電(diàn)池壽命的損害。如圖1.1所示。電(diàn)池的實際容量就是電(diàn)壓下降到拐點前所能(néng)釋放的電(diàn)量。
 
放電(diàn)率：指用(yòng)放電(diàn)時間來表示的電(diàn)池放電(diàn)速率，用(yòng)公(gōng)式表示如下：放電(diàn)電(diàn)流電(diàn)池容量
放電(diàn)率（ h）=電(diàn)視容量/放電(diàn)電(diàn)流
 
老化房：電(diàn)池老化房在開始使用(yòng)初期的一段時間内，電(diàn)池容量增加大約5％——15％。接下來的一段時間，電(diàn)池容量基本不變。然後就開始逐漸減少。當電(diàn)池容量衰減到額定容量80％時，就可(kě)以認為(wèi)電(diàn)池的壽命結束了。
 

 
充放電(diàn)周期（Cycle）：電(diàn)池從充電(diàn)開始到放電(diàn)，再到下一次充電(diàn)開始前稱為(wèi)一個充放電(diàn)周期。

循環壽命（Cycle_Life）：蓄電(diàn)池在其實際容量降低至某一規定值之前所經曆的充放電(diàn)周期數。通常用(yòng)來定義蓄電(diàn)池的使用(yòng)壽命。一般來講，放電(diàn)深度不同，電(diàn)池壽命也不同。

恢複效應：電(diàn)池在非連續放電(diàn)的條件下，放電(diàn)一段時間後，空載開路或從大電(diàn)流變為(wèi)小(xiǎo)電(diàn)流放電(diàn)，電(diàn)池内部的電(diàn)荷将進行重新(xīn)分(fēn)布而至平衡，這時電(diàn)池的端電(diàn)壓回升，在小(xiǎo)電(diàn)流放電(diàn)下仍能(néng)放出一定電(diàn)量。

自放電(diàn)現象（Self-Discharge）：電(diàn)池在不工(gōng)作(zuò)時由于内部的電(diàn)化學(xué)反應造成的電(diàn)池容量下降的現象。通常與時間和環境溫度有(yǒu)關，環境溫度越高自放電(diàn)現象越明顯，所以在一段時間不用(yòng)電(diàn)池要定期對電(diàn)池進行補充電(diàn)，并在适宜的溫度和濕度下進行保存。

曆史檔案：電(diàn)池自出廠以來的關鍵數據，如電(diàn)池出廠日期、标稱容量、使用(yòng)總安(ān)時數和過充過放記錄等信息。

電(diàn)池運行狀态SOR（State Of Running）：為(wèi)了評價電(diàn)池在充放電(diàn)過程中(zhōng)所表現出的性能(néng)，而給出電(diàn)池的運行表現評估值。SOR分(fēn)為(wèi)1到10十級，SOR為(wèi)10表示電(diàn)池運行性能(néng)很(hěn)好，為(wèi)1表示電(diàn)池的運行性能(néng)非常差，急需更換。

電(diàn)池健康程度DOH（Degree Of Health）：為(wèi)了評價綜合電(diàn)池性能(néng)而給出一個健康程度評估值。DOH分(fēn)為(wèi)1到10十級，DOH為(wèi)（7-10）表示電(diàn)池性能(néng)正常，為(wèi)（4-6）表示電(diàn)池需要維護，為(wèi)（1-3）表示的電(diàn)池性能(néng)很(hěn)差應更換。
1.2锂離子電(diàn)池的特點
锂電(diàn)池是一種以金屬锂或含有(yǒu)锂物(wù)質(zhì)為(wèi)負極的化學(xué)電(diàn)源的總稱。它是近十幾年來獲得發展的新(xīn)型高比能(néng)量電(diàn)池體(tǐ)系。以锂、鈉等活潑金屬作(zuò)為(wèi)電(diàn)池的負極的設想最早是美國(guó)加州大學(xué)的一位研究生于1958年提出的。到了七十年代，日本松下電(diàn)氣公(gōng)司的福田雅太郎首先發明了锂氟化碳電(diàn)池并獲得應用(yòng)，從此，锂電(diàn)池逐漸從實驗的研究，走向了實用(yòng)化和商(shāng)品化。由于锂電(diàn)池出色的性能(néng)，各國(guó)都競相開發出各種新(xīn)型的锂電(diàn)池以滿足軍事和消費方面的需要，如锂碘電(diàn)池（1972）、锂鉻酸電(diàn)池（1973）、锂二氧化硫電(diàn)池（1974）、锂亞酸酰氯電(diàn)池（1974）、锂氧化銅電(diàn)池（1975）、锂二氧化錳電(diàn)池（1976）、锂二硫化钼蓄電(diàn)池（1989）、锂離子蓄電(diàn)池（1991）和锂二氧化錳蓄電(diàn)池（1994）等。尤其是90年代初，日本索尼能(néng)源技(jì )術公(gōng)司發明和推出的高比能(néng)量、長(cháng)壽命的锂離子蓄電(diàn)池，極大的促進了锂電(diàn)池工(gōng)業的發展。

锂離子電(diàn)池有(yǒu)許多(duō)優越特性，比如高能(néng)量，較高的安(ān)全性，工(gōng)作(zuò)溫度範圍寬，工(gōng)作(zuò)電(diàn)壓平穩、貯存壽命長(cháng)（相對其他(tā)的蓄電(diàn)池）。從安(ān)全性來講，锂離子電(diàn)池要比其他(tā)蓄電(diàn)池安(ān)全的多(duō)。特别是采取了控制措施後，锂離子電(diàn)池的安(ān)全性有(yǒu)了很(hěn)大的保證，電(diàn)池經過過充、短路、穿刺、沖擊（壓）等濫用(yòng)實驗（ABUSE TEST），均無危險發生。锂離子電(diàn)池與Cd-Ni，MH-Ni電(diàn)池一樣，可(kě)以快速充電(diàn)，且無記憶效應，遠(yuǎn)比Cd-Ni電(diàn)池優越；它的自放電(diàn)率遠(yuǎn)比MH-Ni電(diàn)池低。從環境保護的角度看，世界環境保護組織早已把镉（Cd）、汞（Hg）、鉛（Pb）三種元素列為(wèi)有(yǒu)害物(wù)質(zhì)。因此含有(yǒu)這三種元素的電(diàn)池的使用(yòng)受到了限制，特别是在歐洲，有(yǒu)些政府大幅度提高了某些電(diàn)池的環境稅，與之相比，锂離子電(diàn)池則不存這些問題。

當然，锂離子電(diàn)池也有(yǒu)一些缺點，比如低溫放電(diàn)率不高，電(diàn)池的價格也比較高等。

1.3锂離子電(diàn)池在電(diàn)動車(chē)上的應用(yòng)
為(wèi)了推動和支持電(diàn)動車(chē)的研究試制工(gōng)作(zuò)，美國(guó)早在90年代初就成立了“先進電(diàn)池協會（USABC）”負責為(wèi)電(diàn)動車(chē)提供電(diàn)池。該機構為(wèi)扶持電(diàn)動車(chē)用(yòng)電(diàn)池（主要是锂離子電(diàn)池）的研制，先後投資2.6億美元，其中(zhōng)向美國(guó)SAFT公(gōng)司投資1180萬美元，用(yòng)以開發锂離子電(diàn)池，向加拿(ná)大魁北克公(gōng)司投入8500萬美元，用(yòng)以開發锂離子電(diàn)池和锂聚合物(wù)電(diàn)池；另外，還向Duracell及其合作(zuò)夥伴德(dé)國(guó)Varta公(gōng)司投入了1450萬美元，開發锂離子電(diàn)池，其技(jì )術指标要求如下表：日本政府也投資了1億美元，并制定了一項叫做LIBES的計劃，開發用(yòng)于電(diàn)動車(chē)的锂離子電(diàn)池。

在各國(guó)政府的支持下，不同性能(néng)的電(diàn)動車(chē)先後亮相。首先是日本索尼公(gōng)司于1995年推出了以锂離子電(diàn)池為(wèi)動力的電(diàn)動車(chē)。該車(chē)重1.7T，載4個人，每次充電(diàn)可(kě)以行駛200km.最大時速可(kě)達120km，從零啓動加速到80km/h隻需要12s；該車(chē)的動力電(diàn)源是由96隻尺寸為(wèi)67*410mm以LiCoO₂為(wèi)正極的的锂離子電(diàn)池組成的，每隻電(diàn)池的容量為(wèi)100Ah，整個電(diàn)源系統的比能(néng)量達到了110Wh/kg，能(néng)量密度達到250Wh/l.繼索尼公(gōng)司之後，日本三菱公(gōng)司于1996年推出了電(diàn)動車(chē)，該車(chē)以LiMn 2 O 4為(wèi)正極的的锂離子電(diàn)池為(wèi)電(diàn)源，一次行駛可(kě)達250km.之後又(yòu)有(yǒu)三菱重工(gōng)、本田、尼桑等均有(yǒu)電(diàn)動車(chē)亮相，并于1997年初正式銷售以锂離子電(diàn)池為(wèi)動力的電(diàn)動車(chē)。繼日本之後，美國(guó)和歐洲的一些公(gōng)司也相繼推出了自己研制的以锂離子電(diàn)池為(wèi)動力的電(diàn)動車(chē)。

電(diàn)動車(chē)作(zuò)為(wèi)一種未來的交通工(gōng)具(jù)，在進入市場方面，必然要同傳統的交通工(gōng)具(jù)-燃油汽車(chē)進行競争，這就對電(diàn)動車(chē)在價格和性能(néng)方面提出了一定的要求，就車(chē)的性能(néng)來講，電(diàn)動車(chē)的續駛裏程，加速性能(néng)，爬坡能(néng)力等比較為(wèi)大家關注，這些方面都很(hěn)大程度上取決于作(zuò)為(wèi)動力的電(diàn)池的性能(néng)。對電(diàn)池性能(néng)的要求一般集中(zhōng)在，能(néng)量密度，功率密度，循環壽命等方面，業界一般都以USABC的規劃作(zuò)為(wèi)參考，具(jù)體(tǐ)指标如下：



經過10多(duō)年的研究和發展，锂離子蓄電(diàn)池的生産(chǎn)技(jì )術逐漸成熟，在功率強度和循環壽命方面已經接近或達到了USABC的中(zhōng)期目标，與傳統的鉛酸和鎳氫蓄電(diàn)池相比較，锂離子蓄電(diàn)池的功率強度有(yǒu)比較大的優勢，見圖1.2：
 


锂離子動力電(diàn)池代表了電(diàn)池發展的方向。在電(diàn)動車(chē)用(yòng)電(diàn)源中(zhōng)，将是最具(jù)潛力的動力電(diàn)池。我國(guó)對锂離子電(diàn)池的應用(yòng)開發也十分(fēn)重視。早在80年代初期，就開始了锂離子蓄電(diàn)池的開發研制工(gōng)作(zuò)，在國(guó)内各個單位的努力下，取得了豐碩的成果。目前，雷天綠色電(diàn)動源（深圳）有(yǒu)限公(gōng)司已經首家實現産(chǎn)業化生産(chǎn)，其生産(chǎn)的10多(duō)種型号的大功率鉻氟锂動力電(diàn)池性能(néng)優良、價格合理(lǐ)，已經投放市場。

2002年，世界上首輛采用(yòng)雷天锂動力電(diàn)池的電(diàn)動公(gōng)交車(chē)在北京阜成門外大街(jiē)投入試運營，标志(zhì)着我國(guó)電(diàn)動車(chē)時代的到來。本論文(wén)所涉及的國(guó)家“863”課題就是使用(yòng)雷天公(gōng)司提供的100AH，384V锂電(diàn)池組。

1.4電(diàn)動車(chē)用(yòng)锂離子電(diàn)池的充放電(diàn)問題
蓄電(diàn)池的充電(diàn)過程是一個複雜的電(diàn)化學(xué)變化過程，其複雜性表現為(wèi)：


老化房、高溫老化房、溫度沖擊試驗箱、快速溫變試驗箱、高低溫試驗箱
環境試驗室、步入式環境試驗室、高低溫試驗室、溫度沖擊試驗箱、冷熱沖擊試驗箱、高低溫沖擊試驗箱、冷熱沖擊試驗機、溫度沖擊試驗機、快速溫變試驗箱、高低溫交變濕熱箱、步入式恒溫恒濕試驗室、老化房、高溫老化房
 
（1）多(duō)變量影響充電(diàn)的因素很(hěn)多(duō)，諸如極闆、電(diàn)介質(zhì)的濃度、極闆活性物(wù)的狀态、充電(diàn)環境溫度等等，都對蓄電(diàn)池所能(néng)承受的最大充電(diàn)電(diàn)流有(yǒu)直接的影響。

（2）非線(xiàn)性一般而言，充電(diàn)電(diàn)流在充電(diàn)過程中(zhōng)随充電(diàn)時間呈指數規律下降，不可(kě)能(néng)隻用(yòng)簡單恒流或恒壓控制充電(diàn)全過程。

（3）複雜的電(diàn)化學(xué)性即使是同一類型同一容量的電(diàn)池，随着各自使用(yòng)時放電(diàn)的曆史狀态不一樣，剩餘電(diàn)量的不一樣，充電(diàn)接受能(néng)力也有(yǒu)很(hěn)大的不同。

作(zuò)為(wèi)給電(diàn)動車(chē)提供動力的電(diàn)池組，由于使用(yòng)環境的複雜性，其充放電(diàn)過程也更為(wèi)複雜，尤其是過充電(diàn)和過放電(diàn)會對電(diàn)池的結構造成不可(kě)恢複的破壞，極大的影響其健康程度和性能(néng)。锂電(diàn)池技(jì )術與傳統的電(diàn)池技(jì )術相比有(yǒu)很(hěn)大的性能(néng)優勢，但對監測系統也有(yǒu)更高的要求。如果控制不當的話，不僅對電(diàn)池的結構會造成破壞，還會發生危險。

負極過充電(diàn)時，會産(chǎn)生金屬锂沉澱：Li+ +e->Li（s），這種情況容易發生在正極活性物(wù)質(zhì)相對于負極活性物(wù)質(zhì)過量的情況下，但是，在高充電(diàn)率的情況下，即使正負極活性物(wù)質(zhì)的比例正常，也可(kě)能(néng)發生金屬锂的沉積，金屬锂的形成會從以下幾個方面造成電(diàn)池容量的下降：
 
（1）可(kě)循環锂量減少；

（2）沉積的金屬锂與溶劑或支持電(diàn)解質(zhì)反應形成Li2CO3，LiF或其他(tā)産(chǎn)生物(wù)；

（3）金屬锂往往在負極與隔膜間形成，可(kě)能(néng)阻塞隔膜的的空隙，造成電(diàn)池内阻的增大。當正極活性物(wù)質(zhì)相對于負極活性物(wù)質(zhì)比例過低時，容易發生正極過充電(diàn)。正極過充電(diàn)主要是會形成惰性物(wù)質(zhì)，造成氧損失，從而導緻電(diàn)池容量的衰減。而過放電(diàn)更是會造成極闆晶格的破壞，如果過充電(diàn)導緻“反極”，會發生危險。

為(wèi)了能(néng)給電(diàn)動車(chē)的電(diàn)機提供比較高的老化房電(diàn)壓，一般都采用(yòng)了幾十個單體(tǐ)電(diàn)池（cell）串聯的方式來提供電(diàn)力（本文(wén)所涉及的實驗樣車(chē)上裝(zhuāng)有(yǒu)108節工(gōng)作(zuò)電(diàn)壓為(wèi)3.8V的單體(tǐ)锂離子電(diàn)池）。串聯使用(yòng)的複雜性，和電(diàn)池之間的不一緻性，都對管理(lǐ)系統提出了更高的要求。

锂動力電(diàn)池放電(diàn)電(diàn)流同其他(tā)電(diàn)池相比，放電(diàn)率偏小(xiǎo)，比功率較小(xiǎo)。好的長(cháng)期可(kě)1C放電(diàn)，脈沖2C，需要考慮增大電(diàn)池的容量來滿足電(diàn)動車(chē)的要求。