目前混合動力車(HEV)和插電式混合動力車(pHEV)在商業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)和獲得更多市場份額的重要障礙是蓄電池。電動汽車所用的蓄電池必須具有性能高、廉價、壽命長、安全性能高等特點。鋰離子蓄電池最有可能應(yīng)付這些挑戰(zhàn)。目前，世界各地都在做相應(yīng)的研究和開發(fā)，以改善蓄電池的特性。但是即使是性能最好的蓄電池，組合成很差的蓄電池包也可能導致蓄電池包整體的性能、壽命降低，安全性變差而導致成本新增。此外我們還必須考慮到機械、包裝、電、熱、安全、監(jiān)測、控制以及與車輛其它部分的接口等方面問題。

蓄電池包一般是由蓄電池模塊或單體電池組成。一個蓄電池模塊又由多個單體電池組成。蓄電池裝載在一個有電子和熱控制的箱體中，這個箱體內(nèi)還有整個蓄電池系統(tǒng)與車輛其它組成部分的接口設(shè)施以及蓄電池管理系統(tǒng)。每個模塊也有其適當?shù)陌b、熱控制和機械或電子設(shè)備。這個裝載有蓄電池、熱控制和電子設(shè)備以及其它部件的箱體就是我們通常所說的蓄電池包。

蓄電池選取

鋰離子蓄電池的包裝應(yīng)該考慮到以下幾點：蓄電池模塊單體電池之間的互連設(shè)計；蓄電池、蓄電池模塊與電子元件相互之間連接的具體設(shè)計；結(jié)構(gòu)上受沖擊和振動的保護；如何對蓄電池包進行碰撞保護；選擇理想的固定在車輛的位置；與車輛其它組成部分的機械接口設(shè)計。因此在蓄電池的最初設(shè)計中，就必須考慮到：安全性(濫用限制)；整個系統(tǒng)的包裝費用；對包裝的壽命和耐用性的影響；包裝的可回收和再利用性；制造的成本；維修/修理方便性；散熱管理(因為溫度影響蓄電池壽命和性能)；電子監(jiān)測和控制；顯示性能、容量、衰退等的計量設(shè)施等。所以在最初選用合適類型的蓄電池，關(guān)于蓄電池包的包裝、互連設(shè)計、散熱管理等都是非常有意義的。

蓄電池的安全性

安全性是鋰離子蓄電池的最大關(guān)注點。在濫用試驗中，過電壓，過充，過放，過熱，釘穿刺，外部短路，或內(nèi)部短路缺陷等都可能導致蓄電池熱失控和電解質(zhì)泄漏，出現(xiàn)煙霧、開孔、火災(zāi)、甚至爆炸。關(guān)于在車輛上應(yīng)用的蓄電池我們應(yīng)該嚴格要求。雖然目前通過改進蓄電池正負極材料，添加能提高安全性能的添加劑和通過有效的電子和機械控制幾乎可以消除或大大減少事故發(fā)生的可能性，但由于如過壓和擠壓以及熱失控造成內(nèi)部短路仍然要特別關(guān)注。因此應(yīng)該針對性的對蓄電池包進行相應(yīng)設(shè)計，減少這些情況的影響，提高蓄電池包的安全性。

少量大容量鋰離子蓄電池單體電池與眾多小容量鋰離子蓄電池單體電池比較

在pHEV、HEV和EV上使用大量小容量鋰離子蓄電池單體電池與使用少量大容量鋰離子蓄電池單體電池是有差別的。例如，EnergyCS在pHEV蓄電池包內(nèi)使用超過2000個小18650單體電池(2Ah)。而克萊斯勒公司則在pHEV蓄電池包上使用200個大得多的單體電池(41Ah)。使用大量小容量單體電池具有一定優(yōu)勢，例如電池成本較低(目前商品市場上多為小容量單體電池)，安全性較好(能更快的散熱)，由于蓄電池單元小則安全事故規(guī)模小以及電池生產(chǎn)加工的品質(zhì)高等。但也有很多缺點，其中包括單體電池間有太多連接，要更高的集成和裝配成本，重量體積比低，可靠性差(組成部分多，且有些多余)，要昂貴的電氣管理等。使用較少的大容量單體電池具有一些優(yōu)勢，例如裝配成本低、重量和體積比高、可靠性高(因為減少了若干連接部分)。但是，缺點在于蓄電池的成本較高，質(zhì)量較低，散熱管理變得更加困難，而且會出現(xiàn)規(guī)模較大的安全事故。最后決定使用哪種必須根據(jù)具體應(yīng)用權(quán)衡分析。

圓柱形與棱柱形單體電池比較

使用圓柱型鋰離子蓄電池單體電池與棱柱(或疊壓板)型鋰離子蓄電池單體電池也是有差別的。圓柱型單體電池可大量生產(chǎn)且具有高品質(zhì)。但是，隨著各種車輛可裝載蓄電池包空間的形狀因素變化的要，成本優(yōu)勢就減少了。圓柱型設(shè)計堅固耐用且結(jié)構(gòu)強韌，特別是抗錘擊、沖擊和振動，能防止安全事故發(fā)生。隨著圓柱型單體電池卷繞面積變大，其外部可散熱的表面積與內(nèi)部卷繞層面積比相對減小;因此，傳熱能力下降且內(nèi)部溫度梯度新增。棱柱或疊壓板的設(shè)計具有較高的外部可散熱的表面積與內(nèi)部疊繞層面積比，更易進行熱管理。并且棱柱形單體電池可比圓柱單體電池供應(yīng)更高的包裝體積效率。但是，假如棱柱形單體電池使用的是軟膜包裝，還必須在設(shè)計中考慮到防止局部應(yīng)力，抵抗錘擊、沖擊和振動等。相應(yīng)設(shè)施可能會新增體積和重量，降低了軟膜包裝棱柱形單體電池的體積優(yōu)勢。

蓄電池熱分析

熱管理是蓄電池在低溫環(huán)境和高溫環(huán)境獲得理想性能和壽命至關(guān)重要。高溫降低鋰離子蓄電池的性能和壽命，從而限制車輛的驅(qū)動范圍(續(xù)駛里程)或性能。熱管理系統(tǒng)在低溫下對蓄電池加熱，在高溫下對蓄電池進行散熱冷卻。熱管理相應(yīng)的冷卻和加熱系統(tǒng)新增了蓄電池包的成本、重量和體積。熱管理不僅是為了保持蓄電池的最大溫度低于限值，而且還保持單體電池之間的溫度均勻性。為改善蓄電池包熱場均衡，這種溫差變化要在小范圍內(nèi)波動(例如，低于5℃)。因此我們在蓄電池包的設(shè)計中，必須根據(jù)鋰離子蓄電池的熱特性合理選取鋰離子蓄電池類型，并針對有利于熱均衡的原則合理地設(shè)計蓄電池包冷卻、散熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時保證所設(shè)計的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。

同種蓄電池不同溫度條件下熱耗率比較

同一種蓄電池在不同溫度下熱耗率(每出現(xiàn)1kWh的電能所消耗的熱量)是不相同的，這是因為電池內(nèi)部的化學反應(yīng)與溫度密切相關(guān)。如圖3所示，環(huán)境溫度對蓄電池性能是很有影響的。周圍環(huán)境溫度較低，蓄電池運行時會自身反應(yīng)出現(xiàn)的熱量較多。在蓄電池正常運行溫度范圍內(nèi)，環(huán)境溫度越高蓄電池自身出現(xiàn)的熱量相對越少，所消耗的化學能越少，效率較高。這是因為蓄電池與周圍環(huán)境存在著熱交換。熱管理就應(yīng)該保證蓄電池在自己的最佳運行溫度范圍環(huán)境中運行以提高蓄電池效率，同時保證所有蓄電池周圍運行溫度環(huán)境的一致性以確保所有蓄電池的運行狀況一致。

同類型蓄電池不同形狀的比較

長方形蓄電池一般是疊壓型，圓柱形蓄電池是卷繞型。它們的封裝方式各不相同，熱特性由于結(jié)構(gòu)不同存在相應(yīng)差異。不同大小形狀的圓柱與長方形蓄電池的熱分布是不相同的。由于散熱表面積大小不同，蓄電池內(nèi)部的熱梯度也不同。圖2的長方形蓄電池W/L大亦即有較大的散熱表面積，內(nèi)部的溫差較小，散熱性能較好。

鑒于形狀不同的圓柱形鋰離子蓄電池溫度場比較更加直觀，我們分析同類型不同半徑、不同大小容量的圓柱形蓄電池在同一車輛行駛狀態(tài)下的內(nèi)部溫度場。這里兩個20Ah的蓄電池并聯(lián)就相當于一個40Ah的蓄電池。

40Ah蓄電池內(nèi)部有17℃的內(nèi)部溫差和16%的電流密度不均衡。而兩個20Ah蓄電池并聯(lián)的同等容量蓄電池組，單體電池內(nèi)部只有10℃的溫差和6%的電流密度差。大容量電池溫度梯度更大，這重要是由于電池的散熱表面積比例相對減少而造成的。并且實驗分析得出并聯(lián)的兩個20Ah蓄電池比一個40Ah的蓄電池使用壽命要長。這就說明了應(yīng)用小容量蓄電池的部分優(yōu)勢。

同種蓄電池不同模塊化方式的比較

蓄電池包有時是由許多單體電池組成的蓄電池模塊組成的。單體電池的熱特性各不相同，在它們組成蓄電池模塊后，由于組合數(shù)量，排列方式以及封裝方式不同蓄電池模塊的熱特性也差異很大。因此我們在選取恰當單體電池的同時還要考慮組成模塊的方式、單體電池數(shù)量、電池擺放排列和封裝方式等。

我們對一組生熱量較小的用于EV的力神棱柱形液態(tài)鋰離子蓄電池組在無通風狀態(tài)下的溫度場進行仿真熱分析。模擬滿充電池在1C恒流放電至截止電壓狀態(tài)下的蓄電池組(模塊)溫升情況。

理想的蓄電池包溫度場分布。即假設(shè)保證每個蓄電池表面與外界的熱交換邊界條件相同。

實際上蓄電池成組密集擺放，四周與中心的散熱條件不同。各個蓄電池表面散熱邊界條件不同，從而造成整體存在溫差，即中間出現(xiàn)熱量集聚溫度高，邊緣溫度低的現(xiàn)象。

少量單體電池組成蓄電池模塊后，溫度不均衡相對較小。組成模塊的單體電池數(shù)量越大，熱量集聚的現(xiàn)象越明顯。如圖6所示，當大量單體電池密集擺放就會出現(xiàn)較大的溫度不均勻性，蓄電池包內(nèi)蓄電池模塊內(nèi)單體電池溫差就會越大，有45℃之大。而少量單體電池組成蓄電池模塊密集擺放在一起，溫差只有1℃左右。

此類蓄電池屬于發(fā)熱量較小的應(yīng)用于EV的小容量蓄電池，并且是在發(fā)熱量較小的車輛運行狀態(tài)下沒有采取強制冷卻的蓄電池模塊。實際車輛行駛中蓄電池運行情況復雜，發(fā)熱量大幅新增。關(guān)于發(fā)熱量較大的應(yīng)用于pHEV的大容量蓄電池，單體電池電流較大，生熱率更高，密集擺放后造成的溫度不均衡現(xiàn)象就會更加明顯。模塊間，單體電池間的溫差將會加大。嚴重影響蓄電池的一致性，同時還造成安全隱患，這使得蓄電池模塊整體性能大幅降低。這時就必須進行有效的蓄電池模塊熱管理，采取風冷和液冷，必要時還要采取性能更佳的相變材料作為傳熱介質(zhì)來進行熱管理。因此我們在選取合理的單體電池類型后還要根據(jù)蓄電池特性選取恰當?shù)哪K化方式，選取合適的單體電池數(shù)量、擺放排列方式以及模塊封裝方式等。

蓄電池包應(yīng)該合理設(shè)計才能發(fā)揮出蓄電池的最佳性能，還要考慮到機械，包裝，電，熱，安全，監(jiān)測和控制多方面以及與車輛其它部分的接口等問題。我們在選取蓄電池時，就應(yīng)該充分考慮到選取合適的類型、恰當?shù)哪K化模式、合適的排列擺放以及封裝方式。我們可以看出蓄電池的選取對蓄電池包的性能有很大的影響，嚴重時會導致蓄電池包的性能下降、成本升高、并且具有安全隱患等。同時也迫切要蓄電池制造商的協(xié)同努力，制造出最適用于電動汽車使用的蓄電池。