◆文/北京 王新旗

王新旗(本刊編委會(huì)委員)

從事于汽車后市場(chǎng)維修、服務(wù)、技術(shù)支持及培訓(xùn)、培訓(xùn)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(lè)部、TTi(北京)咨詢有限公司、采埃孚銷售服務(wù)(中國(guó))有限公司、北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院，歷任培訓(xùn)師、項(xiàng)目經(jīng)理、培訓(xùn)經(jīng)理、培訓(xùn)運(yùn)營(yíng)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(xùn)及執(zhí)裁。目前任北京天元陸兵汽車科技有限公司陸兵學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng)。

(接上期)

四、其他動(dòng)力電池介紹

目前除主流的鋰離子動(dòng)力電池外，動(dòng)力電池還包括空氣電池、超級(jí)電容和飛輪電池等。這里對(duì)這些動(dòng)力電池進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明，以使讀者對(duì)動(dòng)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(fù)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?yàn)樽鲐?fù)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(fù)極材料的金屬名為電池名稱的第一個(gè)字，后加空氣電池即為電池名，常見的有用鋅(Zn)做負(fù)極的鋅空氣電池和以鋁(Al)為負(fù)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(fù)極，電解質(zhì)采用氫氧化鉀(KOH)水溶液。鋅空氣電池的電化學(xué)反應(yīng)與普通堿性電池類似，在放電時(shí)，蓄電池負(fù)極上的鋅與電解質(zhì)中的OH-發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，釋放出電子，與此同時(shí)蓄電池正極反應(yīng)層中的催化劑與電解液及氧氣(通過(guò)擴(kuò)散作用進(jìn)入蓄電池的空氣中)相接觸而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)吸收電子。鋅空氣電池充電過(guò)程進(jìn)行得十分緩慢。鋅空氣電池正極的鋅板或鋅粒在放電過(guò)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(fù)性能。

(2)鋁空氣電池以高純度鋁Al(鋁的質(zhì)量為99.99%)為負(fù)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(xué)反應(yīng)與鋅空氣電池類似，攝取空氣中的氧氣在蓄電池放電時(shí)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，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(diǎn)：

①比能量大：鋁空氣電池的理論比能量可達(dá)8 100Wh/kg，目前鋁空氣電池的實(shí)際比能量只達(dá)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?jī)H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(zhǎng)續(xù)駛里程。

③更安全：鋁沒(méi)有毒性和危險(xiǎn)性，鋁對(duì)人體不會(huì)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(lái)解決鋁電池充電較慢的問(wèn)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(lái)防止鋁空氣電池工作時(shí)的過(guò)熱。

2.超級(jí)電容器

一對(duì)浸在電解質(zhì)溶液中的固體電極在外加電場(chǎng)的作用下，電極表面與電解質(zhì)接觸的界面解電荷會(huì)重新分布、排列，作為補(bǔ)償帶正電的正電極吸引電解液中的負(fù)離子，負(fù)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(gè)相反電荷層構(gòu)成，這兩個(gè)相對(duì)的電荷層就像平板電容器的兩個(gè)平板一樣，亥姆霍茲首次提出此模型，如圖37所示。超級(jí)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(chǔ)在電極材料的界面。充電時(shí)電子通過(guò)外加電源從正極流向負(fù)極，同時(shí)正、負(fù)離子從溶液體相中分離并分別移動(dòng)到表面，形成雙電層。充電結(jié)束后，電極上的正負(fù)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(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。在放電時(shí)電子通過(guò)負(fù)載從負(fù)極流到正極，在外電路產(chǎn)生電流，正負(fù)離子從電極表面被釋放進(jìn)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(guān)，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(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，其密度低，抗化學(xué)腐蝕性能好，熱膨脹系數(shù)小，可以通過(guò)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(jí)電容的工作原理

3.飛輪電池

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

當(dāng)飛輪以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，就具有了一定的動(dòng)能。飛輪是整個(gè)蓄能裝置的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的蓄能量。對(duì)飛輪電池充電時(shí)，通過(guò)電力電子裝置從外部輸入電能而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)(此時(shí)作為電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)飛輪，加速旋轉(zhuǎn)飛輪，儲(chǔ)存動(dòng)能(機(jī)械能)增大。飛輪電池向外放電時(shí)由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動(dòng)電機(jī)(此時(shí)作為發(fā)電機(jī))旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電力電子變換裝置將電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的頻率和電壓。飛輪工作時(shí)的轉(zhuǎn)速很高(可達(dá)40 000～50 000r/min)，用一般金屬制成的飛輪無(wú)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(qiáng)度要求的同時(shí)，可減小飛輪電池的質(zhì)量。電機(jī)用于電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)充電(儲(chǔ)存機(jī)械能)和放電(釋放機(jī)械能)過(guò)程。飛輪電池通常采用永磁式電機(jī)，在充電時(shí)用作電動(dòng)機(jī)，在外電源的作用下帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能再儲(chǔ)存電能。在放電時(shí)用作發(fā)電機(jī)，在飛輪的帶動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦損耗，飛輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)周圍的空氣會(huì)形成強(qiáng)烈的渦流造成巨大的空氣阻力。飛輪電池通常將電機(jī)和飛輪都布置在一個(gè)真空容器內(nèi)，以減少風(fēng)阻。

4.石墨烯電池

目前市場(chǎng)或研發(fā)領(lǐng)域有關(guān)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(guān)的知識(shí)。石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構(gòu)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(guò)sp2雜化成鍵，與周圍其他三個(gè)碳原子以C-C單鍵相連，同時(shí)每個(gè)碳原子剩有一個(gè)垂直于石墨烯平面的p電子，未成對(duì)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(jié)構(gòu)中自由移動(dòng)，從而使得石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能。

同時(shí)，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(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電性、優(yōu)異的室溫導(dǎo)熱和透光性等?；谝陨咸匦?，石墨烯在新能源電池領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(wèn)題，將電池使用周期拉長(zhǎng)至1.5倍，同時(shí)能解決傳統(tǒng)鋰電池充電速度慢、超級(jí)電容器蓄電能力差的問(wèn)題。

石墨烯動(dòng)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(lái)的一種新能源電池。其關(guān)鍵是陰極和陽(yáng)極有非常大的石墨烯表面。將鋰金屬置于陽(yáng)極，首次放電時(shí)，鋰金屬發(fā)生離子化，通過(guò)電解液向陰極遷移，離子通過(guò)石墨烯表面的小孔到達(dá)陰極。在兩個(gè)電極與液體電解質(zhì)直接接觸的巨大石墨表面，通過(guò)表面吸附和/或表面氧化還原反應(yīng)，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(shí)進(jìn)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(gè)入口和樓梯，所以進(jìn)出的時(shí)間就會(huì)受限；而石墨烯動(dòng)力電池就象一座擁有多個(gè)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(jí)厚度的，不能儲(chǔ)鋰，故不能做成活性物質(zhì)去用，只能做成導(dǎo)電添加劑，用于活性炭材料中，提高材料的導(dǎo)電性能。多層石墨烯具有一定的儲(chǔ)鋰空間，同時(shí)鋰離子的擴(kuò)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(yán)重，而且充放電曲線滯后嚴(yán)重，很難作為負(fù)極材料單獨(dú)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(chǔ)材料添加到現(xiàn)有的各類鋰離子電池材料中，對(duì)各類鋰離子電池的性能進(jìn)行改進(jìn)和提升，其應(yīng)用于鋰離子電池領(lǐng)域主要集中于兩個(gè)方面：一個(gè)是正負(fù)極復(fù)合材料，另一個(gè)是導(dǎo)電添加劑，即不要誤解為應(yīng)用石墨烯原理而制造電池。

五、動(dòng)力電池IP防護(hù)等級(jí)

在這里還想特別為大家介紹一個(gè)小知識(shí)，那就是關(guān)于動(dòng)力電池的防護(hù)等級(jí)。很多讀者或車主擔(dān)心新能源汽車的安全性，尤其是擔(dān)心動(dòng)力電池的防水性。如果按照廠家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及出廠規(guī)定，動(dòng)力電池的防護(hù)級(jí)別很高，只要能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么安全性絕對(duì)可以保證，這也是我在從事新能源汽車相關(guān)工作以后認(rèn)識(shí)到的。

純電動(dòng)車的動(dòng)力電池通常的防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP67，具體定義解釋如下。

第一特性(防塵等級(jí))，防護(hù)等級(jí)(代碼中的第一個(gè)數(shù)字)簡(jiǎn)要描述定義：

0：無(wú)防護(hù)；

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(hù)，并不能完全防止塵埃進(jìn)入，但塵埃不會(huì)達(dá)到妨礙儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)及降低安全性的程度；

6：灰塵禁錮，塵埃無(wú)法進(jìn)入物體，整個(gè)直徑不能超過(guò)外殼的空隙。

第二特性(防水等級(jí))，防護(hù)等級(jí)(代碼中的第二個(gè)數(shù)字)簡(jiǎn)要描述定義：

0：無(wú)防護(hù)；

1：防垂直下墜的水滴，垂直下墜的水滴不會(huì)造成有害影響；

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

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

4：防潑水，對(duì)著外殼從任何方向潑水都不會(huì)造成有害影響；

5：防噴水，對(duì)著外殼從任何方向噴水都不會(huì)造成有害影響；

6：防強(qiáng)力噴水，對(duì)著外殼從任何方向強(qiáng)力噴水都不會(huì)造成有害影響；

7：防短時(shí)浸泡，常溫常壓下，當(dāng)外殼暫時(shí)浸泡在1m深的水里將不會(huì)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(yán)酷的條件下，持續(xù)浸泡在水里將不會(huì)造成有害影響。

所以當(dāng)動(dòng)力電池達(dá)到IP67的防護(hù)等級(jí)，也就說(shuō)明它即防塵且在常溫常壓下短時(shí)間內(nèi)完全浸泡在水中也不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。

六、動(dòng)力電池電芯充放電控制策略

生活中，我們都有一個(gè)常識(shí)，當(dāng)新、舊電池混用以后，會(huì)導(dǎo)致新電池很快沒(méi)電，用電器供電不足，這是因?yàn)殡姵卮嬖趦?nèi)阻。如上期連載中提到，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)最核心的一個(gè)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(guó)純電動(dòng)車特斯拉動(dòng)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(dòng)車提供強(qiáng)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(hào)電池對(duì)比

為了提高電動(dòng)汽車能量系統(tǒng)的實(shí)際可用容量和重復(fù)使用次數(shù)，需要保證動(dòng)力電池組各個(gè)單體電池能量的一致性，通過(guò)精確匹配電池的化學(xué)成分比例可以解決電池單體不一致的問(wèn)題，但是這種方法要求極高的成組工藝，實(shí)際中較難實(shí)現(xiàn)。因此可以采用如下方法，在動(dòng)力電池組用電回路中增加附屬的單體來(lái)均衡電路，并將單體電池多余的能量釋放或轉(zhuǎn)移來(lái)保證成組電池單體的一致性。當(dāng)前對(duì)于動(dòng)力電池的能量均衡管理一般采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)動(dòng)力電池的電壓、容量、內(nèi)阻的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.集中式均衡和分布式均衡策略

集中式均衡是指整個(gè)動(dòng)力電池組共用一個(gè)均衡器，通過(guò)采用逆變分壓等技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池組的能量進(jìn)行分配以實(shí)現(xiàn)單體電池與動(dòng)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(gè)電池獨(dú)有的。圖41、42為集中式均衡策略和分布式均衡策略的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由圖41、42可見，在典型的集中式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，動(dòng)力電池組內(nèi)所有的單體電池都同時(shí)利用同一個(gè)均衡器來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的均衡，而在分布式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，動(dòng)力電池組內(nèi)的每個(gè)單體電池上都獨(dú)自并聯(lián)著一個(gè)旁路電阻，利用電子開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的均衡?？刂撇僮鲗?duì)于集中式均衡策略來(lái)說(shuō)可以短時(shí)間內(nèi)集中整個(gè)電池組的能力，為需要進(jìn)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(gè)單體電池之間是一種互相競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系，如果同時(shí)有多個(gè)單體電池需要進(jìn)行能量均衡則該種策略就無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)。另外，由于各個(gè)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?cái)?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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(dòng)力電池在放電的過(guò)程中對(duì)各個(gè)單體電池之間的能量進(jìn)行均衡，并確保在放電過(guò)程中動(dòng)力電池組中每個(gè)單體電池的剩余容量全部放掉，以避免動(dòng)力電池已經(jīng)完成放電但是還有電池尚余電量的情況。當(dāng)放電完成之后對(duì)電池組采用恒定電流以串聯(lián)充電的方式進(jìn)行充電，只要電池組中任意一個(gè)電池的剩余容量達(dá)到100%就可以結(jié)束充電。放電均衡策略實(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(dòng)汽車動(dòng)力電池充電的過(guò)程中，采用與上述對(duì)應(yīng)的均衡充電方式，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電池之間的能量均衡，并保證充電過(guò)程中，動(dòng)力電池組中的每個(gè)單體電池的容量都能夠充至100%，充電均衡策略可確保每個(gè)單體電池的實(shí)際容量在充電過(guò)程中都發(fā)揮出功效。但是，由于充電過(guò)程只能以最小容量的電池為截止上限，這會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)電池組的容量并不能被完全利用，充電均衡策略的實(shí)現(xiàn)過(guò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(diǎn)，即在充電和放電的過(guò)程中均對(duì)能量進(jìn)行均衡控制，這樣既可以保證將每個(gè)單體電池的SOC都能放電至0，又能保證每個(gè)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(guò)程所以會(huì)導(dǎo)致電池存在的能量損耗過(guò)多，容易對(duì)電池造成損害。由圖43可見，放電均衡策略的缺點(diǎn)是能量損耗過(guò)多，無(wú)法在任意時(shí)候都開始進(jìn)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(dòng)力電池組，但是充電均衡策略對(duì)放電過(guò)程沒(méi)有做任何控制，并且在其放電過(guò)程中，整個(gè)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(duì)電池的最大容量進(jìn)行評(píng)估，因此可以在對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行維護(hù)的過(guò)程中利用這種方法來(lái)對(duì)電池的健康狀況進(jìn)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(dòng)式均衡與被動(dòng)式均衡之分，限于篇幅這里就不再具體說(shuō)明，有興趣的讀者可以查詢相關(guān)的技術(shù)資料。

圖45 21700電池芯

圖46 21700的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在我們根據(jù)特斯拉最新的技術(shù)資料可以知道，特斯拉正計(jì)劃用21700電池芯替代之前的18650電池芯(圖45)，這樣做的優(yōu)勢(shì)顯而易見，通過(guò)我們這幾期對(duì)動(dòng)力電池知識(shí)的了解就可以很清楚地得出結(jié)論：首先圓柱形電池產(chǎn)品本身就非常成熟，在原來(lái)18650的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加3mm的直徑及5mm的高度來(lái)增加體積，可具備更大的毫安時(shí)，且由于體積變大，21700電池還增加了多級(jí)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?cái)?shù)量也會(huì)相對(duì)減小，充、放電管理難度降低，自然降低了BMS系統(tǒng)的復(fù)雜程度(圖46)。