三元鋰電池在新能源汽車上的設計與應用

呼升

安徽省汽車工業學校 安徽省合肥市 231131

當前我國已經為新能源汽車產業提供了戰略支持，作為新能源汽車的三電系統核心部件，三元鋰電池的應用性能、質量直接影響整體車輛的性能，甚至會對行業發展產生影響，因此必須要合理進行設計和應用，確保新能源汽車行業的良好發展進步。

1 三元鋰電池在新能源汽車中應用的價值

1.1 三元鋰電池分析

鋰元素在自然領域中屬于重量最低、原子質量最小的金屬，能量比較高，性質非常活潑，很容易失去電子被氧化成為Li，其中的標準電極電位極為-3.045V，電化學當量是0.26g/Ah。對于三元鋰電池而言其中的正極是由錳、鈷、鎳所組合而成，這三種過渡金屬氧化物的比例有所不同，鎳占有80%，具有影響電池設備存儲電量容量的作用，錳占有10%，直接影響著電池的穩定性，鈷占有10%，有著影響電池倍率高低的作用。并且三元鋰電池中的正極材料還涉及到磷酸鐵鋰成分、鈷酸鋰成分、鈦酸鋰成分、錳酸鋰成分等等，和普通的正極材料相比可以將各類材料的優勢全面整合，提升正極部分的穩定性、可靠性，并且各類納米材料的薄層周期性交替生長，能夠形成具有一定秩序、規則的多層結構，也就是超晶格結構。目前我國所生產的三元鋰電池在應用的過程中性能良好、安全性較高，具備一定穩定性，能量密度也很高，可以起到高倍率放電的支持作用，成本較為適中，有著很大的市場發展前景和潛力。

1.2 在新能源汽車中的應用價值

新能源汽車中應用三元鋰電池具有一定的優勢，是增強新能源汽車運行效果和電池組應用性能的基礎保障。主要優勢表現為以下幾點：

1）電池在應用的過程中所占用的面積很小。當前我國生產的三元鋰電池單體能量密度為每千克250Wh 左右，包體能量密度為每千克200Wh 左右，而對于磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為每千克150Wh 左右，包體能量密度在每千克100Wh 左右，由此可見相同容量之下三元鋰電池的占用空間面積很小，適合應用在空間有限的新能源汽車中。

2）三元鋰電池本身具有很高的能量密度，在相同體積狀態下重量很輕、占用的空間小，并且相同體積的電池應用過程中續航里程更高，能夠支持新能源汽車快速行駛，也可以為長途高速駕駛提供一定的支持。目前在新能源客車中使用磷酸鐵鋰電池，續航的時間長度和距離長度較低，需要在一定的距離范圍之內設置充電樁進行充電，這也是磷酸鐵鋰電池局限應用在城市大巴中的重要原因。而三元鋰電池就能夠憑借續航里程高的優勢應用在新能源汽車中提供一定的續航支持。

3）據調查在零下20 攝氏度的環境中三元鋰電池還可以釋放75% 左右的容量，甚至在零下30 攝氏度的環境也可以正常運行，而傳統的磷酸鈦鋰電池在應用期間極限溫度為零下20 攝氏度，所釋放出的容量只有55% 左右，由此可見三元鋰電池在低溫的環境中也可以保證放電水平，耐低溫的性能很高。

4）目前在三元鋰電池充電的過程中主要使用限流與限壓的方式處理，首先可以進行恒流充電操作之后恒壓充電，前者主要就是在電流不變的情況下保持最高的充電電流，提升整體的充電效率，后者是在保持電壓穩定的狀態下減小電流，降低析氣量。在20c 放電的情況下三元鋰電池恒流比能夠達到53% 左右，而磷酸鐵鋰電池只能達到10%左右，兩者之間的差異性很高，可見三元鋰電池在應用期間能夠確保充電的可靠性和安全性，預防出現充電方面的問題或是不足。

從整體層面而言三元鋰電池具備耐低溫的性能，循環效果良好，存儲的性能高，體積比能量大，成本處于適中的狀態，性能非常穩定，是目前新能源汽車生產過程中的首選電池材料。

1.3 在新能源汽車中應用的不足

新能源汽車中使用三元鋰電池雖然能夠增強耐低溫性能和應用的可靠度，但是受到諸多因素的影響還有所不足，主要問題為：①當前我國所使用的磷酸鈦鋰電池材料在出現短路現象的情況下也不會燃燒，耐高溫性能較好，適合應用在客運大巴方面，能夠提升電池應用的安全性與穩定性，而在新能源汽車中使用三元鋰電池經常會出現起火事故，車輛靜止的情況下自燃，對周圍人們的安全和車輛安全造成危害，出現自燃現象的原因主要就是汽車有極端碰撞事故或是電池設備出現故障問題之后起火，再加上汽車中三元鋰電池單體數量多、結構非常復雜、缺乏一定的穩定性，導致電池應用的安全水平降低。②磷酸鐵鋰電池在應用期間，循環壽命的周期長度高，而三元鋰電池在上千次循環性充電和放電之后，電池容量衰減量較高，甚至衰減到標定額的60% 左右，例如：某新能源轎車中使用的三元鋰電池進行3000次循環充電放電之后容量衰減到69%，而磷酸鐵鋰電池經過3000 次循環充電放電之后容量衰減到81%，由此可見三元鋰電池的應用壽命周期很短。因此在新能源汽車中設計和應用三元鋰電池應重點關注優缺點的分析，遵循揚長避短的原則，發揮三元鋰電池應用的優勢和長處，避開短板所在，制定提升安全性能與應用壽命的設計方案，通過有效的措施提升整體電池設備的應用效果。

2 三元鋰電池在新能源汽車上的設計

2.1 合理設計續航里程

續航里程主要就是在新能源汽車動力電池組充滿電之后能夠持續性行駛的里程指標，根據有關的測量工況劃分可以將其分成等速類型與循環工況類型，等速類型的續航里程主要是按照每小時40 千米或者每小時60 千米的巡航為標準，循環工況類型的續航里程是結合車輛應用環境設定，目前在歐洲設定為15 個工況，我國客車設定為6 個工況，而循環工況續航里程能夠當做對電動汽車三電系統運行效率與整體車輛使用性的綜合評價標準；按照虛續航里程具體的放電深度進行劃分，可以將其分成理論類型、有效類型、經濟類型三種，第一種理論類型就是按照電池組的能量存儲理論內容與單位里程能量消耗理論數據值內容的計算，明確續航里程，此情況下電池充電深度、放電深度都是100%。第二種有效類型的續航里程就是應該確保電池組應用的實用性，能夠盡可能減少應用成本，確保在穩定狀態之下的續航里程，此情況下電池組的放電深度在75%左右。第三種經濟類型的續航里程能夠最高程度上確保電池具備較長的應用壽命，能夠有效控制成本，確保電池組在良好的工作狀態，此情況下的充電深度在90% 左右，放電深度在70%以內。而經濟類型的續航里程，能夠確保電池組的運行較為可靠、較為穩定，延長使用壽命，充電效率和放電效率很高，因此在新能源汽車中設計三元鋰電池，應采用經濟續航里程的設計方式，滿足在電池組方面的應用需求。

2.2 合理設計單位里程能耗與比能耗指標

首先，對于單位里程能耗而言主要是在單位里程范圍之內的電量消耗指標，可以將其分成電網交流、電池組直流兩種類型的能耗指標，在設計此類指標的過程中無需考慮到充電機所帶來的影響，只需將電池組的能量狀態當做參考標準即可，直接將新能源汽車的經濟性能展現出來。其次，由于新能源汽車的車型不同，電池的容量、車身的重量存在一定的差異性，不能直接進行經濟性能的對比，因此在設計的工作中可以采用直流比能耗的概念對比各類車型的能耗情況，也就是分析單位里程范圍之內的單位重量能耗，此類參數的應用可以將各類車型的傳動系統匹配優化性、能源的利用率等直接反映出來，并且將直流比能耗當做是對新能源汽車的能耗經濟評價指標，可以準確評價各類車型的能耗情況，具備一定的可比性。同時還需注意，如果在設計的過程中電壓等級相同，可采用和比能耗相似的評價指標，也就是比容耗指標，確保各類指標對比的合理性，為設計工作提供準確依據。

2.3 電池與車輛匹配的設計

設計工作中要想更好將三元鋰電池和新能源汽車之間相互匹配，可以采用功率匹配方式或是能量匹配方式，前者能夠滿足車輛在動力性能方面的高標準，后者可以滿足線駛里程方面的高要求。在此期間可以采用車輛行駛動力學功率平衡方程計算分析，便于準確進行電池和車輛的匹配設計，如公式（1）。

公式中的代表的是新能源汽車的形式功率，單位是kW。m 代表的是整個車輛的重量，單位是kg。g 代表的是重力加速度，代表的是滾動阻力系數，代表的是坡道角，C代表的是空氣阻力系數，A 代表的是迎風面積，計算單位是平方米，代表的是旋轉質量換算系數，代表的是傳動效率，單位是%，v 代表的是車速，單位是每小時千米，t 代表的是時間，單位是秒鐘。

并且在設計工作中為確保三元鋰電池設計過程中可以符合車輛爬坡性能方面、高車速勻速行駛方面的需求，應根據公式（3）與公式（4）計算分析。

2.4 混合動力汽車三元鋰電池組匹配設計

新能源汽車的混合動力車輛中有兩套能源系統，主要就是發動機設備和電池組設備，在設計的過程中混合比的設定和汽車應用性能存在直接聯系，因此在設計過程中必須要注意可能會出現的問題，確保設計的效果。首先，設計續航里程延長類型的電池組。在車輛上設計功率很小的APU 部件，用來進行電池組電量的補充，這樣不僅能夠起到能量消耗的減緩作用，還能降低電量衰減問題的發生率。其次，合理設計連續行駛的模式。對于APU 部件而言能夠持續性的運行，而電池組屬于功率均衡性的設備，會輸出峰值功率并且接收再生制動方面的能量。最后，設計間斷行駛的模式，在汽車行駛受到限制的區域可以利用純電動的方式正常駕駛，其中的APU 部件應該為電池組持續性的充電，電池組的容量也能夠符合純電動駕駛過程中對里程的要求。

3 三元鋰電池在新能源汽車中的應用

3.1 具體應用

三元鋰電池在新能源汽車中的應用，為確保符合具體的需求，應開展高寒方面、高熱方面的耐久性試驗活動，將高寒試驗期間電池的工作溫度控制在零下40 攝氏度，高溫試驗期間電池溫度控制為零上60 攝氏度，確保所設計的電池可以在100 攝氏度溫差范圍之內正常運行。并且在應用的過程中能夠為家用插座提供充電的操作，標準為220V/16A，從完全放空到充滿電的時間長度為5 個小時。同時在三元鋰電池應用的過程中還需設置SOC 方面的管理程序，以此為基礎設定不同的使用模式。為避免出現電池正極結構、負極結構損傷的問題，應將電池的使用容量控制為10%到90%之間，避免出現深度充電或是深度放電的現象，以免發生不可逆轉的破壞性問題。

3.2 未來的應用趨勢

在新能源汽車中應用三元鋰電池，未來發展的進程中為增強電池使用效果，應明確分析具體的趨勢，①提升電壓平臺的應用趨勢。通常在新能源汽車電池容量、重量、體積相同的情況下，隨著三元鋰電池電壓平臺的提高，續航的時間就會不斷增加，使得相關的參數更為優化。因此在應用三元鋰電池的過程中需要重點提高電壓平臺，利用增強電子供給性能的方式、改善鋰離子擴散性能的方式處理。但是要想確保二者之間處于平衡狀態，目前所使用的材料無法滿足要求，還需進一步研究石墨烯材料的應用，確保從根本層面達到提升電壓平臺的目的。②提高電動性能的應用趨勢。電動性能屬于新能源汽車上應用三元鋰電池過程中非常主要的評價指標，很容易受到電解液材質因素、隔膜厚度因素、活性材料種類因素的影響，和電池整體結構設計密度存在直接聯系，為增強電動性能，在實際應用期間可以利用改性的方式、顆粒包覆的方式處理，確保電動性能與標準相符。③提升持續性安全水平的應用趨勢。目前我國雖然在新能源汽車上應用三元鋰電池能夠取得良好的成效，但是很容易出現安全方面的風險隱患，并且安全問題已經成為對三元鋰電池大規模組培、集成化應用最大的影響因素。按照當前測試結果可以發現，容量很高的三元鋰電池過針刺測試、過充測試的概率很低，此情況下就需要通過使用錳元素的方式解決問題，甚至于還可以將錳酸鋰元素相互混合應用，不斷增強三元鋰電池應用的安全性。并且在未來發展的階段還需結合新能源汽車的特點、情況等，完善三元鋰電池應用機制模式，提出能夠提升安全性能、減少自燃問題發生率的措施，制定可以延長電池使用壽命的方案，確保可以為新能源汽車提供高質量、高安全性、應用壽命周期長的電池產品。

4 結語

綜上所述，三元鋰電池在新能源汽車上的應用具有重要意義，能夠延長里程、增強行駛的穩定性。因此在新時期環境下應重點關注新能源汽車中三元鋰電池的設計，合理設計續航里程、單位里程能耗與比能耗指標、電池與車輛匹配模式等，同時在應用的過程中不僅需要科學設定各類應用指標，還需提升電動性能、安全性能與電壓平臺水平，增強應用效果。