◆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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的最小單元，單體鋰電池由正極、負(fù)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(jié)構(gòu)材料。負(fù)極材料為石墨，充電后成為鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。

液態(tài)鋰離子電池的正極與負(fù)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(fù)極之間起到絕緣作用。固態(tài)鋰離子電池的隔膜、電解液由聚合物電解質(zhì)膜代替，聚合物可以是干態(tài)，也可以是膠態(tài)，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)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(dòng)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(zhǎng)度為65mm，0表示圓柱形電池。筆記本電腦、手機(jī)采用板狀軟包電池。鋰單體電池標(biāo)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(biāo)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(zhǎng)度可大于2m，寬度大于10cm，厚度不到2cm，優(yōu)點(diǎn)：①電池能量密度比傳統(tǒng)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(jié)省空間；④電池重量輕，降低自身重量的能源消耗，續(xù)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(chǎng)力的作用下通過外部電路跑到負(fù)極上。Li+離子從正極“脫嵌”進(jìn)入電解質(zhì)，“穿過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“嵌入”到晶體狀結(jié)構(gòu)負(fù)極，與外部跑過來的電子e-結(jié)合在一起，此時(shí)負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。

圖4 電池充電

（2）放電。如圖5所示，電子e-和鋰離子Li+同時(shí)行動(dòng)，電子e-從負(fù)極經(jīng)過外電路跑到正極，Li+離子從晶狀體結(jié)構(gòu)負(fù)極“脫嵌”進(jìn)入電解質(zhì)，“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(jié)合在一起，此時(shí)正極處于富鋰狀態(tài)。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(jù)鋰離子Li+工作原理，最高充電電壓應(yīng)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?fù)p壞或壽命縮短，另外電解液分解釋放出氣體，導(dǎo)致電池鼓脹。不能過放，放電時(shí)必須保留一部分鋰離子Li+在負(fù)極，以保證下次充電時(shí)鋰離子Li+暢通嵌入通道。鋰離子Li+充電/放電應(yīng)高精度控制，否則都會(huì)影響電池壽命，這是鋰離子電池的工作機(jī)理所決定的。

二、動(dòng)力電池

1.定義

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

圖6 動(dòng)力電池

2.動(dòng)力電池術(shù)語(yǔ)

單體：也稱電芯，是構(gòu)成動(dòng)力電池模塊的最小單元。單體額定電壓也稱標(biāo)稱電壓，不同電池類型規(guī)定不同的電壓。

模塊：一組并聯(lián)單體的組合，如有3個(gè)模塊稱3P，只有一個(gè)模塊稱1P，是單體在物理結(jié)構(gòu)和電路上連接起來的最小分組，可作為一個(gè)單元更換。模塊額定電壓與單體額定電壓相等。

模組：由多個(gè)模塊或單體串聯(lián)成的組合體，模組額定電壓=模塊額定電壓×串聯(lián)模塊個(gè)數(shù)。

電池包：由多個(gè)模組串聯(lián)而成，所有模組共有100個(gè)模塊稱100S。電池包額定電壓=模塊額定電壓×串聯(lián)模塊個(gè)數(shù)，或者等于所有模組額定電壓相加。

額定容量：在環(huán)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(shí)所應(yīng)提供的電量，單位為安時(shí)（Ah）。

額定能量：在環(huán)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(shí)所應(yīng)提供的能量，單位為瓦時(shí)（Wh），1度電等于1kWh。

質(zhì)量比能量（質(zhì)量能量密度）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量輸出的能量，單位為Wh/kg。

體積比能量（體積能量密度）：?jiǎn)挝惑w積輸出的能量，單位為Wh/L。

充電終止電壓（上限保護(hù)電壓）：?jiǎn)误w/模組/電池包充電時(shí)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(hù)電壓）：?jiǎn)误w/模組/電池包放電時(shí)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(tài)時(shí)的電池電壓。循環(huán)壽命：能經(jīng)受的充電放電次數(shù)（一個(gè)循環(huán)）。荷電狀態(tài)（SOC）：電池剩余容量與完全充電狀態(tài)的容量比值，用百分?jǐn)?shù)表示，取值范圍0～100%。

電池健康度（SOH）：當(dāng)前電池相對(duì)于新電池存儲(chǔ)電能的能力，用百分比表示。

充放電倍率（nC）：電池充放電時(shí)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(shù)，單位是“1/h”。

3.動(dòng)力電池報(bào)警等級(jí)

報(bào)警等級(jí)分為三級(jí)，1級(jí)最高，3級(jí)最低。

1級(jí)：表明動(dòng)力電池功能已經(jīng)喪失，請(qǐng)求其他控制器在1s內(nèi)停止充電/放電，如果超過1s內(nèi)未做響應(yīng)，BMS在2s后強(qiáng)行停止充電/放電，立即斷開高壓繼電器。

2級(jí)：表明動(dòng)力電池功能已經(jīng)喪失，請(qǐng)求其他控制器停止充電/放電；其他控制器應(yīng)在60s內(nèi)響應(yīng)，如超過60s，則報(bào)上一級(jí)故障。

3級(jí)：表明動(dòng)力電池性能下降，電池管理系統(tǒng)降低最大允許充電/放電電流。

三、動(dòng)力電池系統(tǒng)

動(dòng)力電池系統(tǒng)由電池箱外殼、電池包、電池管理系統(tǒng)、輔助元器件4部分組成，如圖7所示。

圖7 動(dòng)力電池箱

1.外殼

電池箱安裝在車輛底板下方，下殼體材質(zhì)為鑄鋁或鋼板，上殼體材質(zhì)為玻璃鋼，上下殼體之間有密封膠，后側(cè)面設(shè)有高壓插接器、低壓插接器，上方設(shè)有維修開關(guān)。電池箱密封等級(jí)為IP67，“6”表示防護(hù)灰塵進(jìn)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(gè)模塊只有1個(gè)單體，10個(gè)模塊串聯(lián)的模組有4個(gè)，12個(gè)模塊串聯(lián)的模組有5個(gè)，電池包模塊數(shù)=10×4+12×5=100個(gè)，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(lián)單體個(gè)數(shù)。

電池包能量（VAh）=電池包額定電壓×電池包容量。

可以看出，并聯(lián)單體的個(gè)數(shù)越多容量越大，串聯(lián)模塊的個(gè)數(shù)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(dòng)車裝備兩種動(dòng)力電池，見表1，可以看出三元鋰電池的各項(xiàng)性能均好于磷酸鐵鋰電池。

表1 EV200動(dòng)力電池

3.電池管理系統(tǒng)

（1）電池管理系統(tǒng)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(nèi)部CAN總線等組成，如圖9所示。軟件由監(jiān)測(cè)電壓、監(jiān)測(cè)電流、監(jiān)測(cè)溫度、監(jiān)測(cè)絕緣電阻、SOC估算等程序組成。

圖9 電池管理系統(tǒng)框圖

（2）主控盒的作用。如圖10所示：①接收從控盒發(fā)來的實(shí)時(shí)模塊電壓和模組溫度，并計(jì)算最大值和最小值；②接收高壓盒發(fā)來的總電壓和總電流；③通過新能源CAN與VCU、充電機(jī)等通信，通過快充CAN與直流充電樁、數(shù)據(jù)采集終端通信；④控制充放電電流（執(zhí)行部件是車載充電機(jī)、直流快充樁和電機(jī)控制器）；⑤控制動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)模塊電壓；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)模組的溫度；③監(jiān)測(cè)SCO值；④將以上監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)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(nèi)，也有安裝在電池箱外。安裝在電池箱內(nèi)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(chǎn)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(jiān)控動(dòng)力電池總電壓，包括主繼電器的內(nèi)外四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（主正繼電器內(nèi)、主正繼電器外、主負(fù)繼電器內(nèi)、主負(fù)繼電器外）；②監(jiān)測(cè)充放電電流；③監(jiān)控高壓系統(tǒng)絕緣性（見后面介紹）；④監(jiān)控高壓連接情況；⑤將以上監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送給主控盒。

圖13 高壓盒相關(guān)電路

（未完待續(xù)）