純電動汽車的類型、結構及維護操作常識(四)

◆文/北京 王新旗

王新旗(本刊編委會委員)

從事于汽車后市場維修、服務、技術支持及培訓、培訓管理等工作20余年。曾就職于上海雷神咨詢有限公司、大陸汽車俱樂部、TTi(北京)咨詢有限公司、采埃孚銷售服務(中國)有限公司、北京匯智慧眾汽車技術研究院，歷任培訓師、項目經(jīng)理、培訓經(jīng)理、培訓運營總監(jiān)等職。近兩年親身組織，參與四屆新能源汽車維修行業(yè)技能大賽的裁判培訓及執(zhí)裁。目前任北京天元陸兵汽車科技有限公司陸兵學院執(zhí)行院長。

(接上期)

四、其他動力電池介紹

目前除主流的鋰離子動力電池外，動力電池還包括空氣電池、超級電容和飛輪電池等。這里對這些動力電池進行簡單的說明，以使讀者對動力電池有更加全面的了解。

1.空氣電池

空氣電池是以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，常用金屬為負極活性物質(zhì)的一類電池，其電解質(zhì)常用堿性氫氧化鉀(KOH)溶液。因為做負極的金屬材料可以有很多選擇，所以空氣電池的種類也較多，一般以所選負極材料的金屬名為電池名稱的第一個字，后加空氣電池即為電池名，常見的有用鋅(Zn)做負極的鋅空氣電池和以鋁(Al)為負極材料的鋁空氣電池。

(1)鋅空氣電池用空氣(氧)作正極，以金屬鋅(Zn)作負極，電解質(zhì)采用氫氧化鉀(KOH)水溶液。鋅空氣電池的電化學反應與普通堿性電池類似，在放電時，蓄電池負極上的鋅與電解質(zhì)中的OH-發(fā)生電化學反應，釋放出電子，與此同時蓄電池正極反應層中的催化劑與電解液及氧氣(通過擴散作用進入蓄電池的空氣中)相接觸而發(fā)生電化學反應吸收電子。鋅空氣電池充電過程進行得十分緩慢。鋅空氣電池正極的鋅板或鋅粒在放電過程中被氧化成氧化鋅而失效后，通常要采用直接更換鋅板或鋅粒和電解質(zhì)的辦法使鋅空氣電池恢復性能。

(2)鋁空氣電池以高純度鋁Al(鋁的質(zhì)量為99.99%)為負極，以空氣(氧)為正極，以氫氧化鉀(KOH)或氫氧化鈉(NaOH)為電解質(zhì)。鋁空氣電池的化學反應與鋅空氣電池類似，攝取空氣中的氧氣在蓄電池放電時產(chǎn)生電化學反應，鋁和氧氣相互作用產(chǎn)生氧化鋁。相比新能源汽車用的其他蓄電池，鋁空氣電池具有以下特點：

①比能量大：鋁空氣電池的理論比能量可達8 100Wh/kg，目前鋁空氣電池的實際比能量只達到350Wh/kg，但這也已是鉛酸電池的7～8倍，鎳氫電池的5.8倍，鋰電池的2.3倍。

②質(zhì)量輕：鋁空氣電池質(zhì)量僅為鉛酸電池質(zhì)量的12%，由于蓄電池質(zhì)量大大減輕，車輛的整備質(zhì)量也大幅度降低，因而可以提高車輛的裝載量或延長續(xù)駛里程。

③更安全：鋁沒有毒性和危險性，鋁對人體不會造成傷害，鋁可以回收循環(huán)使用且不污染環(huán)境。

④生產(chǎn)成本較低：鋁原材料豐富，生產(chǎn)成本較低。鋁回收再生方便，回收再生成本也較低。與鋅空氣電池一樣，鋁空氣電池也可采用更換鋁電極的方法來解決鋁電池充電較慢的問題。由于鋁空氣電池比功率較低，充電和放電速度比較緩慢，電壓滯后，自放電率較大，需要采用熱管理系統(tǒng)來防止鋁空氣電池工作時的過熱。

2.超級電容器

一對浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場的作用下，電極表面與電解質(zhì)接觸的界面解電荷會重新分布、排列，作為補償帶正電的正電極吸引電解液中的負離子，負極吸引電解液中的正離子，從而在電極表面形成緊密的雙電層，由此產(chǎn)生的電容稱為雙電層電容。雙電層由相距為原子尺寸微小距離的兩個相反電荷層構成，這兩個相對的電荷層就像平板電容器的兩個平板一樣，亥姆霍茲首次提出此模型，如圖37所示。超級電容器主要由集電極(電容板)、電解液和絕緣層等組成，能量以電荷形式存儲在電極材料的界面。充電時電子通過外加電源從正極流向負極，同時正、負離子從溶液體相中分離并分別移動到表面，形成雙電層。充電結束后，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電穩(wěn)定后在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。在放電時電子通過負載從負極流到正極，在外電路產(chǎn)生電流，正負離子從電極表面被釋放進入溶體相呈電中性，雙電層電容的大小與電極電位和表面積的大小有關，雙電層電容器電極通常由具有高比表面積的多孔炭材料組成。炭材料具有優(yōu)良的導熱和導電性能，其密度低，抗化學腐蝕性能好，熱膨脹系數(shù)小，可以通過不同方法制得粉末、顆粒、塊狀、纖維、氈等多種形態(tài)。

圖37 超級電容的工作原理

3.飛輪電池

飛輪電池是20世紀90年代提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)蓄能。飛輪電池主要由飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器等組成。

當飛輪以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時，就具有了一定的動能。飛輪是整個蓄能裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的蓄能量。對飛輪電池充電時，通過電力電子裝置從外部輸入電能而使電機旋轉(zhuǎn)，電機(此時作為電動機)驅(qū)動飛輪，加速旋轉(zhuǎn)飛輪，儲存動能(機械能)增大。飛輪電池向外放電時由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動電機(此時作為發(fā)電機)旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置將電能轉(zhuǎn)換為負載所需的頻率和電壓。飛輪工作時的轉(zhuǎn)速很高(可達40 000～50 000r/min)，用一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，因而飛輪一般都采用炭纖維制成，使之在滿足強度要求的同時，可減小飛輪電池的質(zhì)量。電機用于電能與機械能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)充電(儲存機械能)和放電(釋放機械能)過程。飛輪電池通常采用永磁式電機，在充電時用作電動機，在外電源的作用下帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能再儲存電能。在放電時用作發(fā)電機，在飛輪的帶動下發(fā)電并向外輸出電能。飛輪電池通常使用非接觸式的磁懸浮軸承以減小飛輪運轉(zhuǎn)時的摩擦損耗，飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時周圍的空氣會形成強烈的渦流造成巨大的空氣阻力。飛輪電池通常將電機和飛輪都布置在一個真空容器內(nèi)，以減少風阻。

4.石墨烯電池

目前市場或研發(fā)領域有關于石墨烯電池的信息比較多，其熱度也高。在這里跟讀者分享一下石墨烯相關的知識。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構成的二維晶體，是包括富勒烯、碳納米管、石墨在內(nèi)的碳的同素異形體的基本組成單元，即石墨的單層薄片(圖38)。

石墨烯中碳原子通過sp2雜化成鍵，與周圍其他三個碳原子以C-C單鍵相連，同時每個碳原子剩有一個垂直于石墨烯平面的p電子，未成對P電子在與平面垂直的方向形成π軌道，可以在石墨烯晶體結構中自由移動，從而使得石墨烯具有良好的導電性能。

同時，石墨烯幾乎集合了世界上眾多材料的最優(yōu)質(zhì)品質(zhì)：超薄超輕、超高強度、超強導電性、優(yōu)異的室溫導熱和透光性等。基于以上特性，石墨烯在新能源電池領域被廣泛應用，可作為電極材料助劑，解決傳統(tǒng)鉛酸電池大電流充放電、壽命短等問題，將電池使用周期拉長至1.5倍，同時能解決傳統(tǒng)鋰電池充電速度慢、超級電容器蓄電能力差的問題。

石墨烯動力電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭的特性開發(fā)出來的一種新能源電池。其關鍵是陰極和陽極有非常大的石墨烯表面。將鋰金屬置于陽極，首次放電時，鋰金屬發(fā)生離子化，通過電解液向陰極遷移，離子通過石墨烯表面的小孔到達陰極。在兩個電極與液體電解質(zhì)直接接觸的巨大石墨表面，通過表面吸附和/或表面氧化還原反應，能夠迅速并可逆地捕獲鋰離子。通俗地理解，鉛酸電池就象一座平房，可以開很大的門讓大家同時進入，但容量有限；而鋰離子電池就像建了一幢大樓，能容納很多人，但只有一個入口和樓梯，所以進出的時間就會受限；而石墨烯動力電池就象一座擁有多個入口、多部電梯的商廈一樣，可以快速容納很多人。

石墨烯是原子層級厚度的，不能儲鋰，故不能做成活性物質(zhì)去用，只能做成導電添加劑，用于活性炭材料中，提高材料的導電性能。多層石墨烯具有一定的儲鋰空間，同時鋰離子的擴散路徑比較短，但首次充放電效率低，循環(huán)性能差，容量衰減嚴重，而且充放電曲線滯后嚴重，很難作為負極材料單獨使用。

圖38 單層石墨薄片

綜上所述，石墨烯材料通常作為基礎材料添加到現(xiàn)有的各類鋰離子電池材料中，對各類鋰離子電池的性能進行改進和提升，其應用于鋰離子電池領域主要集中于兩個方面：一個是正負極復合材料，另一個是導電添加劑，即不要誤解為應用石墨烯原理而制造電池。

五、動力電池IP防護等級

在這里還想特別為大家介紹一個小知識，那就是關于動力電池的防護等級。很多讀者或車主擔心新能源汽車的安全性，尤其是擔心動力電池的防水性。如果按照廠家的設計標準及出廠規(guī)定，動力電池的防護級別很高，只要能達到設計要求，那么安全性絕對可以保證，這也是我在從事新能源汽車相關工作以后認識到的。

純電動車的動力電池通常的防護等級可以達到IP67，具體定義解釋如下。

第一特性(防塵等級)，防護等級(代碼中的第一個數(shù)字)簡要描述定義：

0：無防護；

1：防直徑為50mm甚至更大的固體顆粒物，物體尖端或50mm直徑的固體顆粒物不能完全穿透：

2：防直徑為12.5mm甚至更大的固體顆粒物，物體尖端或12.5mm直徑的固體顆粒物不能完全穿透；

3：防直徑為2.5mm甚至更大的固體顆粒物，物體尖端或2.5mm直徑的固體顆粒物完全不能穿透；

4：防直徑為1mm甚至更大的固體顆粒物，物體尖端或1mm直徑的固體顆粒物完全不能穿透；

5：灰塵防護，并不能完全防止塵埃進入，但塵埃不會達到妨礙儀器正常運轉(zhuǎn)及降低安全性的程度；

6：灰塵禁錮，塵埃無法進入物體，整個直徑不能超過外殼的空隙。

第二特性(防水等級)，防護等級(代碼中的第二個數(shù)字)簡要描述定義：

0：無防護；

1：防垂直下墜的水滴，垂直下墜的水滴不會造成有害影響；

2：當外殼翹起可達15°時防垂直下墜的水滴，當外殼在垂直任何一側(cè)以任何角度翹起不超過15°時，垂直下墜的水滴不會造成有害影響；

3：防水霧，在任何一垂直側(cè)以任何不超過60°的角度噴霧不會造成有害影響；

4：防潑水，對著外殼從任何方向潑水都不會造成有害影響；

5：防噴水，對著外殼從任何方向噴水都不會造成有害影響；

6：防強力噴水，對著外殼從任何方向強力噴水都不會造成有害影響；

7：防短時浸泡，常溫常壓下，當外殼暫時浸泡在1m深的水里將不會造成有害影響；

8：防持續(xù)浸泡，在廠家和用戶都同意，但是條件比7嚴酷的條件下，持續(xù)浸泡在水里將不會造成有害影響。

所以當動力電池達到IP67的防護等級，也就說明它即防塵且在常溫常壓下短時間內(nèi)完全浸泡在水中也不會出現(xiàn)任何問題。

六、動力電池電芯充放電控制策略

生活中，我們都有一個常識，當新、舊電池混用以后，會導致新電池很快沒電，用電器供電不足，這是因為電池存在內(nèi)阻。如上期連載中提到，動力電池管理系統(tǒng)最核心的一個功能就是電池電芯的充放電管理。圖39、圖40所示是目前美國純電動車特斯拉動力電池的18650電芯，其中0代表圓柱。數(shù)千節(jié)18650電池并/串聯(lián)以后為特斯拉電動車提供強大的電力，因此這么多電池的充、放電管理就非常重要。

圖39 18650電池芯

圖40 18650電池芯與5號電池對比

為了提高電動汽車能量系統(tǒng)的實際可用容量和重復使用次數(shù)，需要保證動力電池組各個單體電池能量的一致性，通過精確匹配電池的化學成分比例可以解決電池單體不一致的問題，但是這種方法要求極高的成組工藝，實際中較難實現(xiàn)。因此可以采用如下方法，在動力電池組用電回路中增加附屬的單體來均衡電路，并將單體電池多余的能量釋放或轉(zhuǎn)移來保證成組電池單體的一致性。當前對于動力電池的能量均衡管理一般采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，對動力電池的電壓、容量、內(nèi)阻的一致性進行檢驗。

1.集中式均衡和分布式均衡策略

集中式均衡是指整個動力電池組共用一個均衡器，通過采用逆變分壓等技術對動力電池組的能量進行分配以實現(xiàn)單體電池與動力電池組之間的能量傳遞。分布式均衡策略是指能量的均衡模塊是單個電池獨有的。圖41、42為集中式均衡策略和分布式均衡策略的拓撲結構。

由圖41、42可見，在典型的集中式均衡拓撲結構中，動力電池組內(nèi)所有的單體電池都同時利用同一個均衡器來實現(xiàn)能量的均衡，而在分布式均衡拓撲結構中，動力電池組內(nèi)的每個單體電池上都獨自并聯(lián)著一個旁路電阻，利用電子開關來實現(xiàn)能量的均衡?？刂撇僮鲗τ诩惺骄獠呗詠碚f可以短時間內(nèi)集中整個電池組的能力，為需要進行能量均衡的單體電池傳遞能量，這就需要公用均衡器具有較好的配置性能以提高均衡速度。顯然，集中式均衡的模塊體積較分布式的(總和)更小，但是集中式均衡策略中的各個單體電池之間是一種互相競爭的關系，如果同時有多個單體電池需要進行能量均衡則該種策略就無法有效實現(xiàn)。另外，由于各個單體電池與均衡器之間需要大量的線束連接，所以集中式均衡策略只適用于電池數(shù)量較少的電池組能量均衡情況。

圖41 集中式均衡策略的拓撲結構

2.放電均衡、充電均衡與雙向均衡策略

放電均衡策略是指動力電池在放電的過程中對各個單體電池之間的能量進行均衡，并確保在放電過程中動力電池組中每個單體電池的剩余容量全部放掉，以避免動力電池已經(jīng)完成放電但是還有電池尚余電量的情況。當放電完成之后對電池組采用恒定電流以串聯(lián)充電的方式進行充電，只要電池組中任意一個電池的剩余容量達到100%就可以結束充電。放電均衡策略實現(xiàn)了每次充入電池的電量都能夠完全釋放，放電均衡策略的實現(xiàn)過程如圖43所示。

圖43 放電均衡策略原理

充電均衡策略是指在電動汽車動力電池充電的過程中，采用與上述對應的均衡充電方式，以實現(xiàn)各個單體電池之間的能量均衡，并保證充電過程中，動力電池組中的每個單體電池的容量都能夠充至100%，充電均衡策略可確保每個單體電池的實際容量在充電過程中都發(fā)揮出功效。但是，由于充電過程只能以最小容量的電池為截止上限，這會導致充電時電池組的容量并不能被完全利用，充電均衡策略的實現(xiàn)過程如圖44所示。

圖44 充電均衡策略原理

圖42 分布式均衡策略的拓撲結構

雙向均衡策略綜合了放電均衡策略與充電均衡策略的優(yōu)點，即在充電和放電的過程中均對能量進行均衡控制，這樣既可以保證將每個單體電池的SOC都能放電至0，又能保證每個單體電池的SOC均充電至100%。但是由于該種策略包括放電均衡過程所以會導致電池存在的能量損耗過多，容易對電池造成損害。由圖43可見，放電均衡策略的缺點是能量損耗過多，無法在任意時候都開始進行能量的均衡行為。另外由于放電將電池的剩余容量放電至0，放電深度的提高也增加了影響電池循環(huán)壽命的可能性。與放電均衡策略相反，充電均衡策略適用于處于任何荷電狀態(tài)下的動力電池組，但是充電均衡策略對放電過程沒有做任何控制，并且在其放電過程中，整個電池組的放電容量取決于容量最小的單體電池。雙向均衡策略有利于對電池的最大容量進行評估，因此可以在對電動汽車進行維護的過程中利用這種方法來對電池的健康狀況進行診斷。

另外，從其他角度分析，也有耗散均衡與非耗散式均衡策略及主動式均衡與被動式均衡之分，限于篇幅這里就不再具體說明，有興趣的讀者可以查詢相關的技術資料。

圖45 21700電池芯

圖46 21700的優(yōu)勢

現(xiàn)在我們根據(jù)特斯拉最新的技術資料可以知道，特斯拉正計劃用21700電池芯替代之前的18650電池芯(圖45)，這樣做的優(yōu)勢顯而易見，通過我們這幾期對動力電池知識的了解就可以很清楚地得出結論：首先圓柱形電池產(chǎn)品本身就非常成熟，在原來18650的基礎上，通過增加3mm的直徑及5mm的高度來增加體積，可具備更大的毫安時，且由于體積變大，21700電池還增加了多級電耳，以輕微提高電池充電速度。并且，電池的體積變大，車輛整體的電池數(shù)量也會相對減小，充、放電管理難度降低，自然降低了BMS系統(tǒng)的復雜程度(圖46)。