純電動汽車學習入門（三）—動力電池系統（上）

◆文/北京 李玉茂

（接2021年第8期）

一、單體鋰電池

1.組成與分類

單體（Cell）也稱電芯，是將化學能轉化為電能的最小單元，單體鋰電池由正極、負極、電解液、隔膜、外殼等組成，如圖1所示。

圖1 鋰電池組成

鋰電池按正極所用材料分類，有鈷酸鋰LixCoO2、錳酸鋰LixMnO2、鎳酸鋰LixNiO2、磷酸鐵鋰LixFePO4、三元鋰Li（CoMnNi）O2。三元鋰是鈷、錳、鎳按一定比例混合，這些鋰化合物材料是晶狀體結構材料。負極材料為石墨，充電后成為鋰-碳層間化合物LiXC6。

液態鋰離子電池的正極與負極之間是隔膜和電解液，隔膜只允許鋰離子Li+往返通過，阻止電子e-通過，在正負極之間起到絕緣作用。固態鋰離子電池的隔膜、電解液由聚合物電解質膜代替，聚合物可以是干態，也可以是膠態，目前大部分采用聚合物膠體電解質膜。

2.形狀與包裝

單體電池的形狀有方形、圓柱形、板狀等，如圖2所示。方形又分方形疊片式、方形卷繞式；圓柱形又分圓柱疊片式、圓柱卷繞式。包裝類型有硬包、軟包，硬包使用鋼殼、鋁殼，軟包使用鋁塑。

圖2 鋰電池外形

電動車大多采用方形硬包電池，特斯拉采用18650電芯，18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示圓柱形電池。筆記本電腦、手機采用板狀軟包電池。鋰單體電池標稱電壓3.7V，一般正常電壓范圍3.2～4.2V。磷酸鐵鋰單體電池標稱電壓3.2V，一般正常電壓范圍2.7～3.7V。

比亞迪公司推出磷酸鐵鋰刀片電池，如圖3所示，電芯長度可大于2m，寬度大于10cm，厚度不到2cm，優點：①電池能量密度比傳統電池增加1/3以上；②材料成本降低1/4左右；③電池體積小，可為車輛節省空間；④電池重量輕，降低自身重量的能源消耗，續航里程增加。

圖3 刀片電池

3.工作原理

（1）充電。鈷酸鋰電池充電如圖4所示，正極上的鋰分成Li+離子和電子e-，電子e-在電場力的作用下通過外部電路跑到負極上。Li+離子從正極“脫嵌”進入電解質，“穿過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“嵌入”到晶體狀結構負極，與外部跑過來的電子e-結合在一起，此時負極處于富鋰狀態。

圖4 電池充電

（2）放電。如圖5所示，電子e-和鋰離子Li+同時行動，電子e-從負極經過外電路跑到正極，Li+離子從晶狀體結構負極“脫嵌”進入電解質，“穿過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”嵌入正極晶體空隙，與外電路過來的電子e-結合在一起，此時正極處于富鋰狀態。鋰離子Li+就像“坐搖椅”，亦稱搖椅式電池。

圖5 電池放電

4.鋰離子電池不能過充/過放

根據鋰離子Li+工作原理，最高充電電壓應為4.2V，不能過充，否則正極材料中的鋰離子Li+因拿走太多，造成晶格癱塌，使電池損壞或壽命縮短，另外電解液分解釋放出氣體，導致電池鼓脹。不能過放，放電時必須保留一部分鋰離子Li+在負極，以保證下次充電時鋰離子Li+暢通嵌入通道。鋰離子Li+充電/放電應高精度控制，否則都會影響電池壽命，這是鋰離子電池的工作機理所決定的。

二、動力電池

1.定義

動力電池的定義是指在汽車上配置使用的、能夠儲存并可再充電的、為驅動汽車行駛提供能量的裝置。包括鋰離子電池、鎳氫電池、超級電容等，不包括鉛酸電池，目前我國純電動汽車主要采用鋰離子電池。動力電池的作用是儲存和釋放電能，動力電池安裝在密封并且屏蔽的動力電池箱內，如圖6所示，利用高壓電纜與高壓盒相連。

圖6 動力電池

2.動力電池術語

單體：也稱電芯，是構成動力電池模塊的最小單元。單體額定電壓也稱標稱電壓，不同電池類型規定不同的電壓。

模塊：一組并聯單體的組合，如有3個模塊稱3P，只有一個模塊稱1P，是單體在物理結構和電路上連接起來的最小分組，可作為一個單元更換。模塊額定電壓與單體額定電壓相等。

模組：由多個模塊或單體串聯成的組合體，模組額定電壓=模塊額定電壓×串聯模塊個數。

電池包：由多個模組串聯而成，所有模組共有100個模塊稱100S。電池包額定電壓=模塊額定電壓×串聯模塊個數，或者等于所有模組額定電壓相加。

額定容量：在環境溫度為25℃±3℃條件下，充滿電的電池以額定電流（或者額定功率）放電至終止電壓時所應提供的電量，單位為安時（Ah）。

額定能量：在環境溫度為25℃±3℃條件下，充滿電的電池以額定電流（或者額定功率）放電至終止電壓時所應提供的能量，單位為瓦時（Wh），1度電等于1kWh。

質量比能量（質量能量密度）：單位質量輸出的能量，單位為Wh/kg。

體積比能量（體積能量密度）：單位體積輸出的能量，單位為Wh/L。

充電終止電壓（上限保護電壓）：單體/模組/電池包充電時要求的最高充電電壓值，單位為伏特（V）。

放電終止電壓（下限保護電壓）：單體/模組/電池包放電時要求的最低放電電壓值，單位為伏特（V）。

開路電壓：外電路處于斷路狀態時的電池電壓。循環壽命：能經受的充電放電次數（一個循環）。荷電狀態（SOC）：電池剩余容量與完全充電狀態的容量比值，用百分數表示，取值范圍0～100%。

電池健康度（SOH）：當前電池相對于新電池存儲電能的能力，用百分比表示。

充放電倍率（nC）：電池充放電時采用額定容量電流的多少倍來確定充放電電流。n是有單位的系數，單位是“1/h”。

3.動力電池報警等級

報警等級分為三級，1級最高，3級最低。

1級：表明動力電池功能已經喪失，請求其他控制器在1s內停止充電/放電，如果超過1s內未做響應，BMS在2s后強行停止充電/放電，立即斷開高壓繼電器。

2級：表明動力電池功能已經喪失，請求其他控制器停止充電/放電；其他控制器應在60s內響應，如超過60s，則報上一級故障。

3級：表明動力電池性能下降，電池管理系統降低最大允許充電/放電電流。

三、動力電池系統

動力電池系統由電池箱外殼、電池包、電池管理系統、輔助元器件4部分組成，如圖7所示。

圖7 動力電池箱

1.外殼

電池箱安裝在車輛底板下方，下殼體材質為鑄鋁或鋼板，上殼體材質為玻璃鋼，上下殼體之間有密封膠，后側面設有高壓插接器、低壓插接器，上方設有維修開關。電池箱密封等級為IP67，“6”表示防護灰塵進入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

2.電池包

以某車型舉例，采用磷酸鐵鋰電池，單體額定電壓3.2V，連接方式1P100S，如圖8所示。每個模塊只有1個單體，10個模塊串聯的模組有4個，12個模塊串聯的模組有5個，電池包模塊數=10×4+12×5=100個，電池包額定電壓=3.2V×100=320V。

圖8 1P100S電池包

電池包容量（Ah）=模塊容量=單體容量×并聯單體個數。

電池包能量（VAh）=電池包額定電壓×電池包容量。

可以看出，并聯單體的個數越多容量越大，串聯模塊的個數越多能量越大。例如EV200磷酸鐵鋰電池包額定電壓320V，額定容量80Ah，電池包能量=320×80=25.6kWh。

北汽新能源汽車公司EV200純電動車裝備兩種動力電池，見表1，可以看出三元鋰電池的各項性能均好于磷酸鐵鋰電池。

表1 EV200動力電池

3.電池管理系統

（1）電池管理系統組成。包括硬件和軟件，硬件由主控盒BMS、從控盒、高壓盒、電壓采集線、電流傳感器、溫度傳感器、電池內部CAN總線等組成，如圖9所示。軟件由監測電壓、監測電流、監測溫度、監測絕緣電阻、SOC估算等程序組成。

圖9 電池管理系統框圖

（2）主控盒的作用。如圖10所示：①接收從控盒發來的實時模塊電壓和模組溫度，并計算最大值和最小值；②接收高壓盒發來的總電壓和總電流；③通過新能源CAN與VCU、充電機等通信，通過快充CAN與直流充電樁、數據采集終端通信；④控制充放電電流（執行部件是車載充電機、直流快充樁和電機控制器）；⑤控制動力電池加熱。

圖10 主控盒作用

（3）從控盒作用。亦稱作電池信息采集盒，如圖11所示：①實時監控每個模塊電壓；②實時監測每個模組的溫度；③監測SCO值；④將以上監測到的數據傳送給主控盒。

圖11 從控盒作用

主控盒大多安裝在電池箱內，也有安裝在電池箱外。安裝在電池箱內的，采取1主N從，稱作分布式；主從合一稱作集中式，如圖12所示，這種型式如線束破損則容易產生安全隱患，還容易使BMS短路而燒毀。

圖12 集中式BMS

（4）高壓盒作用。如圖13所示：①監控動力電池總電壓，包括主繼電器的內外四個監測點（主正繼電器內、主正繼電器外、主負繼電器內、主負繼電器外）；②監測充放電電流；③監控高壓系統絕緣性（見后面介紹）；④監控高壓連接情況；⑤將以上監測到的數據傳送給主控盒。

圖13 高壓盒相關電路

（未完待續）