電動汽車動力電池關鍵技術的應用研究

黎 帥 李秋爽 朱恩旭

（信陽職業技術學院，信陽 464000）

隨著全球能源危機的加劇和人們環境保護意識的提高，電動汽車作為一種綠色、清潔的交通工具，逐漸受到人們的關注和追捧。動力電池作為電動汽車的核心組成部分，其技術水平直接關系到整車的性能、安全性和成本。電動汽車發展和應用的關鍵在于動力電池技術，它直接決定著電動汽車的續航里程、充電速度和安全性等關鍵指標。動力電池是電動汽車的“心臟”，負責儲存和釋放電能，驅動電動汽車行駛。動力電池關鍵技術涉及電池材料、電池結構、電池管理系統和快速充電技術等[1]。本研究系統梳理電動汽車動力電池的關鍵技術，分析其在汽車產業的應用現狀，通過全面剖析電動汽車動力電池技術的發展，為相關企業和研究機構提供有益的參考和指導。

1 電動汽車動力電池分類

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池作為一種高性能的電動汽車動力電池，憑借其高能量密度、長循環壽命和相對較低的自放電率等優點，成為當前電動汽車的主流電池類型。鋰離子電池采用鋰離子在正負極之間來回嵌入與脫嵌的過程，實現電能的儲存與釋放。然而，鋰離子電池也存在一定問題，如高溫下穩定性較差、安全性相對較低，特別是在過充和過放的狀態下，容易出現熱失控和安全事故。

1.2 鎳氫電池

鎳氫電池作為一種成熟且應用廣泛的電動汽車動力電池，具有較高的能量密度和較長的循環壽命[2]。鎳氫電池采用氫氧化物作為正極材料，金屬鎳作為負極材料，實現鎳氫氧化物與氫的相互轉化。鎳氫電池的優點還包括環境友好、低溫性能良好等。然而，鎳氫電池的能量密度相對較低，導致電動汽車的續航里程受限，同時其充放電速率較慢，快速充電能力較弱。

1.3 鐵鋰電池

鐵鋰電池是一種具有較高性價比的電動汽車動力電池，以其低成本、高安全性、長循環壽命等優勢，在電動汽車市場中占有一席之地。鐵鋰電池的正極材料為鋰鐵磷酸鹽，負極材料為石墨。相較于鋰離子電池，鐵鋰電池在高溫穩定性、安全性等方面具有明顯優勢，且具有較長的循環壽命。但是，鐵鋰電池的能量密度較低，在一定程度上影響了電動汽車的性能。

1.4 固態電池

固態電池作為一種具有巨大潛力的電動汽車動力電池，有望在未來的電動汽車電池市場中占據重要地位。與傳統液態電解質電池相比，固態電池采用固態電解質，具有高能量密度、高安全性、長循環壽命等優點[3]。此外，固態電池有望進一步增強快充能力，進而提升電動汽車的使用便利性。然而，目前固態電池尚處于研發初期階段，技術成熟度較低，成本較高，離規模化應用還有一段距離。

2 動力電池的組成

2.1 電池單體

電池單體是電動汽車動力電池系統的最小單元，通常由若干個電芯組成。電芯是電池單體的核心部分，承擔著儲存和輸出電能的任務。電池單體的工作原理是基于化學反應將化學能轉化為電能。在充電過程中，外部電源為電池單體中的電芯供給電能，使電芯內的化學物質發生還原反應，生成電子并儲存能量。放電時，儲存的電子通過外部電路流向負載，實現電能輸出。

2.2 電池模塊

電池模塊是由多個電池單體組成的集合體，電池單體通常采用串聯或并聯方式連接。電池模塊的主要作用是實現電池單體之間的均衡和安全保護。在電池模塊中，每個電池單體都具備獨立的蓄電池管理系統（Battery Management System，BMS），用于監測和控制電池單體的充放電狀態及其他相關參數[4]。電池模塊的工作原理是在充放電過程中，通過電池管理系統實時監測每個電池單體的狀態，確保電池單體在安全、有效的工作范圍內運行。

2.3 BMS

BMS 是電動汽車動力電池系統的重要組成部分，主要負責對電池單體或電池模塊進行實時監測、控制和保護。BMS 的核心功能包括狀態監測、充放電控制、故障診斷與保護、均衡管理和通信等。

首先，BMS 通過傳感器和電流傳感器等設備，實時監測電池單體或電池模塊的電壓、電流、溫度等參數，確保電池在合適的工作狀態下運行。其次，根據電池的狀態參數，實時控制充放電過程，確保充電速率和放電速率在安全范圍內。再次，能夠及時發現電池單體或電池模塊的異常情況，如過充、過放、短路等，并采取相應的保護措施，以防止事故發生。最后，針對電池單體之間的不一致性，采用均衡策略，如動態均衡和靜態均衡，提升整個電池系統的性能和延長其使用壽命。BMS 還能與其他車載系統（如車載充電機、車輛控制系統）以及地面監測系統進行數據交換，遠程監控和管理電池系統[5]。

2.4 電池熱管理系統

電池熱管理系統是電動汽車動力電池系統的另一個重要組成部分，主要負責控制電池單體或電池模塊的溫度，確保電池在合適的環境溫度下工作。在充電過程中，電池熱管理系統通過冷卻裝置，如風扇、泵等，將外部冷卻介質（如水或乙二醇溶液）引入電池單體或電池模塊，吸收電池內部產生的熱量，防止電池過熱；在放電過程中，電池熱管理系統同樣通過冷卻裝置將外部冷卻介質引入電池單體或電池模塊，以降低電池溫度，避免過熱現象。在低溫環境下，電池熱管理系統采用加熱裝置，如正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）加熱器等，將外部加熱介質引入電池單體或電池模塊，提高電池的溫度，確保電池在低溫條件下正常工作。

3 動力電池的關鍵技術在汽車產業中的應用

3.1 驅動電機技術

驅動電機的性能直接影響車輛的性能、續航里程和安全性，它將電能轉化為機械能，為電動汽車提供動力。在電動汽車動力電池系統中，驅動電機設計包括電機本體設計、控制策略設計和驅動系統集成，如圖1 所示。

圖1 電動汽車驅動系統結構設計

動力電池的關鍵技術在汽車產業中有著廣泛的應用，驅動電機技術是電動汽車動力系統的核心技術之一。通過選擇合適的驅動電機和優化控制策略，可以實現電動汽車的高效輸出和低能耗運行。

電機本體的設計需要充分考慮電機的功率、效率、質量、體積和成本等因素。目前，市面上常見的驅動電機類型包括永磁同步電機、感應電機和開關磁阻電機等。其中：永磁同步電機具有較高的效率和功率密度，但成本相對較高，適合用于高性能電動汽車；感應電機成本較低，但效率和功率密度相對較低，適合用于大眾化電動汽車。

設置控制策略的目的是實現電機的最大功率輸出，同時保證電機運行在高效區域內。常見的控制策略有磁場定向控制（Field Oriented Control，FOC）、直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC）等。這些控制策略通過實時監測電機的狀態，調整電機輸入電流和電壓，精確控制電機[6]。驅動系統集成是將電機與減速器、控制器等部件結合，形成一個高效、緊湊的驅動系統。驅動系統集成需要充分考慮電機的布局、散熱、噪聲等因素，以提升整車的駕駛舒適性。在驅動系統集成過程中，需要考慮電機與電池、逆變器等部件的匹配，實現整個動力系統的優化。

此外，電池管理系統能夠監測、控制和保護動力電池，確保電池安全運行，延長電池使用壽命。通過實時監測和預測電池狀態，電池管理系統能夠合理分配電池能量，提高電池的能量利用率，并在電池出現故障時及時采取措施，保證車輛安全運行。快速充電技術的發展，能夠顯著縮短電動汽車的充電時間，增強電動汽車的使用便捷性。

3.2 能量的存儲與釋放

傳統的內燃機車依靠燃料的燃燒產生能量，并通過變速器和傳動系統將能量傳遞到車輪上，從而驅動車輛行駛。而電動汽車則使用動力電池存儲能量，并通過控制系統將能量轉化為電能，從而驅動電機轉動，推動車輛運行。動力電池需要具備高能量密度和高功率密度，以滿足電動汽車長距離和高速行駛的需求。高能量密度意味著動力電池能夠存儲更多能量，從而延長電動汽車的續航里程；高功率密度則表示動力電池能夠在短時間內釋放更多能量，提供車輛需要的動力。

為了實現高能量密度和高功率密度，動力電池的設計涉及多個方面。第一，正極材料的選擇。例如，鋰離子電池常用的材料有錳酸鋰、鈷酸鋰和磷酸鐵鋰等，不同的材料具有不同的特點和性能，可以根據需求選擇合適的材料。第二，電池的結構設計。結構設計包括正、負極材料的配比、電池模塊的組裝方式等內容，可以優化電池內部的電荷傳導和離子嵌入/脫嵌過程，提升電池性能。第三，電池的管理系統。通過監測電池的狀態、均衡電池組內各單體的電荷和溫度、控制充放電等，管理系統能夠延長電池的使用壽命、提升其安全性能。

3.3 續航里程

電動汽車的續航里程一直是消費者關注的焦點，也是電動汽車產業急需解決的關鍵問題。動力電池作為電動汽車的核心部件，其性能直接影響電動汽車的續航里程。為了延長電動汽車的續航里程，在動力電池的設計與制造過程中，需要克服一系列關鍵技術難題。電芯的容量、能量密度、循環壽命以及安全性等因素直接決定了動力電池的性能，鋰離子電池由于其具有高能量密度、長循環壽命和相對較低的成本，成為電動汽車動力電池的主流選擇。在電芯設計過程中，需要充分考慮材料、結構、電極配方等多個方面的因素，實現高容量、高能量密度和低自放電率等的目標[7]。

電池包在充放電過程中會產生大量的熱量，如果無法及時有效地進行熱管理，將導致電池包溫度升高，進而影響電池的性能和安全性。電池包熱管理技術主要包括液冷技術、風冷技術和直冷技術等。其中，液冷技術具有冷卻效果好、系統穩定性高等優點，已成為當前電動汽車電池包熱管理的主流技術。液冷系統通過將電池包內部的熱量先傳遞到冷卻液中再散發到環境，實現對電池包的冷卻。直冷技術是利用固態熱傳導材料將電池包內部的熱量直接傳遞到冷卻設備上，其具有結構簡單、成本低等優點。風冷技術則通過風扇將空氣吹過電池包表面，實現對電池包的冷卻。

3.4 充電速和安全性

目前，電動汽車的充電方式主要分為3 種，分別為交流充電、直流充電和無線充電。其中，直流充電是快速充電的主要方式，能夠大大提高電動汽車的充電效率和充電速度。當電動汽車進行直流充電時，將交流電轉換為直流電，并通過BMS 對電池進行精確的控制和管理。加快充電速度的關鍵是提高充電功率和電池充電效率。充電功率的提高依賴于充電機的設計和電網的配電能力，而電池充電效率則與電池的特性和充電控制算法有關。充電控制算法可以通過動態調整充電電流和電壓等參數，實現最佳的充電效果，并確保電池的安全性。

充電電流的計算公式為

式中：I為充電電流，A；C為電池的充電速率，通常為電池充電容量與充電時間的比值；Δt為充電時間，h；R為電池的內阻，Ω。電池的充電速率通常由電池制造商提供，充電時間則取決于電池的容量和充電電流的大小。

4 動力電池優化對電動汽車行業的影響

4.1 能量密度提高，提升消費者購買欲望

動力電池的能量密度指單位體積或單位質量所存儲的能量，能量密度越高，電動汽車的續航里程越長。電動汽車制造商不斷研發新的電池技術，以提高電池的能量密度，延長續航里程，提升消費者的購買欲望[8]。

4.2 安全性提升，提高用戶體驗和信心

過去，動力電池在高溫、過充和過放等情況下存在安全隱患，容易發生火災和爆炸等事故。電動汽車制造商加強了動力電池的安全措施，如增加防護裝置和熱管理系統，確保電池在極端情況下能夠保持安全穩定的工作狀態。安全技術的提升對電動汽車產業的發展產生了積極作用。

4.3 使用壽命延長，提高二手電動汽車的價值

動力電池的壽命指電池能夠保持滿足使用條件的時間。過去，電動汽車的動力電池壽命相對較短，容易出現容量衰減和性能下降等問題，影響了電動汽車的使用壽命和二手價值。為了延長電動電池的壽命，電動汽車制造商采取了多種措施，如優化電池管理系統和采用更耐久的電池材料等。

5 結語

隨著電動汽車市場的不斷擴大，動力電池技術在不斷進步，在能量密度和續航里程優化、安全性提升、電池壽命延長等方面取得了顯著成效。未來，隨著電動汽車市場的進一步發展，動力電池技術將扮演更加重要的角色，為綠色出行提供更多可能性。