O。驱动视界TransHorizonN0.010汽车动力电池技术及发展方向Growing Together With Electric Drive Engineers For New Energy Vehicles动力电池的基本构成·电池管理系统(BMS):主体和温度、电压、电流传感器等·电池箱：支撑、固定、包围电池组的箱体，包含上盖和下托盘辅助元器件如连接件、护板、螺栓等·辅助元器件：包括如熔断器、继电器、分流器、接插件、紧急开关、烟雾传感器、维修开关、密封条、绝缘材料等·电池系统：单体电池串、并联组成的多级单元·主/被动散热系统（氟冷/水冷/风冷）辅助元器件动力电池模组动力电池箱电池管理系统电机控制器整车控制器显示系统总控制器充电机采集子系统1采集子系统2采集子系统3采集子系统n电池组1风机电池组2风机电池组3风机电池组n风机BMS电池管理系统组成动力电池基本理论动力电池作为电能直接来源，主要应用于插电式混合动力汽车(PHEV)、纯电动汽车(BEV)和燃料电池汽车(FCEV)等新能源汽车。要求比能量高、比功率大、寿命长、成本低基本分类根据电池的基本原理，动力电池可分为化学电池、物理电池、生物电池三类。1)化学电池：利用物质的化学反应储存和（或）释放能量，如铅酸电池、离子电池、然料电池等；2)物理电池：利用光、热、物理吸附等物理能量储存和（或）释放能量，如超级电容、飞轮电池、太阳能电池等；3)生物电池：利用生物化学反应产生电能，如生物太阳能电池、酶电池、微生物电池。基本原理锂离子动力电池电化学表达式：C LiClO,-EC+DEC LiMO,正极反应：负极反应：nC+xe+xLi放电电池反应：正极化合物有LiCoO2,LiNiO2,LiMnO4,LiFeO2,LiFePO4等，负极化合物有LixC6,TiS2,WO3,NbS2,V2Os等。ElectrolyteSeparator超级电容器：利用多孔电极+6和电解质组成双层电容结构，Electrode+⊙Electrode外加电压时，正负极板分别吸引电解液中的带电离子，++⊙建立两个电荷储层，从而实+e现电能存储。超级电容器结构车用动力电池种类及特性电动汽车用电池经过多年的发展，已取得了突破性的进展。第一代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA),由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前大批量生产和广泛应用的电动汽车用电池，主要用于低端车辆上。第二代是碱性电池，主要有镍镐(Ni-cd)、镍氢(Ni-MH)、钠硫(Na/S)、锂离子(Li-ion)和锌空气(Zn/Air)等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。目前已经大批量生产和普遍应用。第三代是燃料电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转化效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制和小批量试用阶段，一些关键技术还有待突破。车用动力电池分类各类型动力电池主要性能参数类型比能量能量密度比功率价格(W-h/kg)(W-h/L)(W/kg)循环寿命（次）(美元/KW-h)铅酸电池20-5060-100200-400400-6-120-150镍氢电池50-70100-140150-300800-2000150-200Li-ion120-140240-280200-3001200150-180(1)铅酸电池铅酸电池采用金属铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸作为电解液。现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电池(VRLA)。分类：①普通铅酸电池：电解液是硫酸水溶液。电压稳定、价格低，比能量低、使用寿命短，维护频繁，多用于车辆辅助电源。②干式铅酸电池：使用时加入电解液，储电能力强。③免维护蓄电池：目前在车用动力电池中使用较多，其中阀控铅酸蓄电池(VRLA)具有电流大、寿命长等特点。主要优点：大电流放电性能好；价格低廉；无记忆效应；易于识别荷电状态；主要缺点：比能量低；寿命短，使用成本高；原料含铅，有污染；充电时间长。©y阀控密封铅酸蓄电池6-GFM-150(2)镍氢电池镍氢蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍(NOH),负极活性物质为贮氢合金(MH),电解液为30%的氢氧化钾溶液，电池充电时，正极的氢进入负极贮氢合金中，放电时过程正好相反。在此过程中，正、负极的活性物质都伴随着结构、成分、体积的变化，电解液也发生变化。镍氢电池具有不明显的“记忆效应”。记忆效应大大缩小了电池的储存电容量，直接影响电池的使用。即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，而过度充电或放电，都可能加剧电池的容量损耗。因此对于厂商来说，镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电，如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内，以降低容量衰减速度。镍氢电池主要特点：比功率高；无污染；耐过充过放；无记忆效应；温度范围宽；自放电率高；高温性能差；过充过放会排出气体。1.2028个电池模块电池温度传感器镍氢单体电池的额定电压为1.2V,通常由六个或十个单体电池构成一块电压为7.2V或12V的电池模组。丰田普锐斯混合动力车型上就用了这种7.2V一节的电池，如图示。电容量为6.5Ah,实测每节外形尺寸为274mm×106mm×20mm,质量为1.1kg,有28节串联共计201.6V。(3)锂离子电池锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。分类：锂离子电池根据正极材料的不同，种类很多，其中较为广泛应用的主要有磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元锂电池。三元锂电又分NCM/NCA两种材料NCM:(LiNi0.7Co0.15Mn0.1502)正极材料由镍钴锰三种材料按比例组合而成；NCA(LiNi0.8Co0.15AI0.05O2),正极材料是由镍钴铝构成。两种三元材料的前两者是一样的，都是镍和钴，只有最后一个不同，前者为锰，后者为铝。NCA生产过程中比NCM的生产工艺要求更为严格。NCM中镍：钴：锰的摩尔比常见为5：2：3或1：1：1，而NCA中镍：钴：铝常见的摩尔比为8：1.5：0.5，由于NCA中铝的含量过少，因此也常称为二元材料。而NCA中以A!(过渡金属)代替锰，实际是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性，离子掺杂可以增强材料的稳定性，提高材料的循环性能。制作过程中由于AI为两性金属，不易沉淀，因此NCA材料制作工艺上难度大。由于NCA的技术更高端，生产难度更大。NCM的生产厂家众多，包括乱G和中国的主要动力电池厂家。锂离子电池规格GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》。表1蓄电池尺寸范围表2圆柱形电池尺寸系统产品尺寸尺寸范围序号外形尺寸mm<10±0.5N1N3≥10，<100±2.011865≥100，<500±5.022170≥500±10.032665/7043270/134注：所列尺寸其尺寸范围参照表1.方形电池尺寸系列外形尺寸mm序号N1N2N312065138220/2770107/120/131312/20100141/310412/2012080/85527135192/214620/27/40/53/57/79/8614891/95/98/129/200/396712/20/32/40/45/48/53/7117385/110/125/137/149/166/184/200832/5321798注：1所列尺寸范围参照表12.考虑整车布置的需要，推荐方形电池极柱高度不超过10mm。N1一方形电池的厚度；N2—方型电池的宽度；N3一不包含极柱的电池高度。锂离子电池分类及特点1)磷酸铁锂电池一大量应用，优点：寿命长、充放电倍率大、安全性好、高温性好、元素无害、成本低。缺点：能量密度低、振实密度低（体积密度）。2)钴酸锂电池，优点：电池结构稳定、容量比高、综合性能突出；缺点：安全性差、成本非常高。主要用于中小型号电芯，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中3C产品。3)锰酸锂电池，优点：振实密度高、成本低。缺点：耐高温性差，锰酸锂长时间使用后温度急剧升高，电池寿命衰减严重（如日产电动车LEAF)。4)三元锂电池一应用日益广泛，优点：能量密度高、振实密度高。缺点：安全性差、耐高温性差、寿命差、大功率放电差、元素有毒。几种锂离子电池综合对比参数磷酸铁锂钴酸锂锰酸锂三元锂振实密度(g/cm3)2.83.02.2~2.42.0-2.3比表面积(m2/g)12~200.40.60.4~0.80.2~0.4容量密度(Ah/kg)130~140135~140100~1151155~165电压平台(V)3.23.73.63.6循环性能>2000>300>500>800过度金属非常丰富贫乏丰富贫乏原料成本低廉很高低廉高环保无毒含钴无毒含镍、钴安全性能优秀差良好良好几种锂离子电池性能参数对比各类锂离子电池主要性能参数类型工作电压阴极晶体结构阳极能量密度循环寿命热失控温度(W-h/kg)钴酸锂3.7LCO层状岩盐130-160300-500180锰酸锂3.7LMO尖晶石C130-160600-1000265碳酸铁锂3.2LFP橄榄石C100-1302000310镍钴锰3.7NCM层状岩盐150-1801500210镍钴铝3.7NCA层状岩盐C170-2001500160钛酸锂2.3NCM层状岩盐LTO80-10010000210锂离子电池构造工艺锂离子电池构造层三元电池成本其他：18650磷酸铁锂电池成本14.57%其他：壳体：3.93%25.85%正极材料：电解液：34.60%10.37%正极材55.29%隔膜：7.69%壳体：8.33%负极材料：8.15%电解液：8.84%负极材料：7.76%隔膜：14.62%锂离子电池正极构造：活性物质+导电剂+粘结剂+集流体（铝箔），正极配方：组分材料配比活性物质三元(LiCo1x-Ni Mn,o2)93.5%-96.5%导电剂导电碳黑(sp)、导电石墨(ks-6)1.5%-4%粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)2.0%-2.5%集流体铝箔锂离子电池负极构造：活性物质+导电剂+增稠剂+粘结剂+集流体(铜箔)，负极配方：组分材料配比活性物质人造石墨(C)93.5%-95.6%导电剂导电碳黑(sp)、导电石墨(ks-6)1.0%-2.5%增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)1.3%-1.5%粘结剂丁苯橡胶乳液(SBR)2.1%-2.5%集流体铜箔锂离子电池构造一隔膜：使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。有厚度均匀性、力学性能（包括拉伸强度和抗穿刺强度)、透气性能、理化性能（包括润湿性、化学稳定性、热稳定性、安全性）等四大指标。隔膜构造-聚烯烃隔膜的结构及特点：结构单层、双层单层、双层材料PPPEPP/PE/PP生产方法干法干法、湿法干法优点耐热性好、透过性好机械强度高低温闭孔综合了PP、PE膜优点，机(130°℃左右)械强度好，安全性更高缺点安全关断温度（闭孔温度>140℃)高于PE耐高温性能不如PP高温透过性差应用范围数码电池、动力电池数码电池数码电池锂离子电池构造-极片正极集流体（正极极耳）：铝带（约0.1mm厚）高温胶带（约0.05mm厚）正极基体：铝箔（约0.016mm厚）正极物质：LiFePO4+乙炔黑+PVDF负极集流体（负极极耳）：镍带（约0.1mm厚）高温胶带（约0.05mm厚）负极基体：铝箔（约0.010mm厚）负极物质：石墨+乙炔黑+CMC+SBR电池种类额定电压工作电压充电电压铅酸电池2V1.8V~2V2.25V~2.5V镍氢电池1.2V1.1V~1.5V1.45~1.5V锂离子电池3.6V2.75V~3.6V4.1V4.2V动力电池特性1)电压/额定电压：公称电压、工作时标准电压。工作电压：电池实际放电电压范围。充电电压：外电路直流电压对电池充电的电压。2)内阻（Ω），蓄电池的内阻包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等；动力电池内阻是电池发热的主要原因之一，同时影响电池的充放电效率，因此控制电池内阻至关重要；电池的内阻在放电过程中会逐渐增加，而在充电过程中则逐渐减小。故端电压在放电时低于电池的电动势，充电时又高于电池的电动势。3)比能量(Wh/kg):单位质量的电极材料放出电能的大小，它标志着纯电动模式下电动汽车的续航能力。4)比功率密度(Wh/儿)：燃料电池所能输出的最大功率除以整个燃料电池的重量或体积，用来描述电池在瞬间能放出较大能量的能力。5)比功率(W/kg)：单位质量的电池所能提供的功率，用来判断电动汽车的加速性能和最高车速，直接影响电动汽车的动力性能。6)循环寿命（次）：电池充电一放电循环一周的次数，是衡量动力电池寿命的重要指标。循环次数越多，动力电池的使用时间越长。7)自放电率(%/月)：单位时间自放电量与容量比值。8)充电特性：充电过程中电压与容量关系。9)放电特性：放电过程中电压与容量关系。10)电池安全：电池漏电、热稳定性、电力稳定性11)热失控：单体电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化，不可逆，引起过热、起火、爆炸现象。锂离子动力电池热失控的机理：热失控发生时，各种材料相继发生热化学反应，放出大量的热量，形成链式反应效应，使得电池体系内部温度不可逆快速升高。链式反应过程中，电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高，电池喷阀破裂后，可燃气体被点燃发生燃烧反应。单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。热失控一般是从负极与电解液界面上开始的，但是随着温度的快速升高，这一过程的整体产热量是由正极与电解液的反应主宰的。因此，稳定的正极材料对锂离子电池的热安全性至关重要。几种动力电池充电特性曲线几种动力电池放电特性曲线2622铅酸电池20201836023.23.02.8601006080100120140160输入容量/C放电深度%放热速率电解液燃烧粘结剂大规模，内短路电解质分解正极分解石墨负极与电解液反应PE基质熔化机械诱因、电诱因和热诱因单体模组系统防机械GB/T31485-2015:GB/T31485-2015:GB/T3167.3:机械冲击、诱因针刺、挤压、跌落针刺、挤压、跌落振动、跌落、翻转、模拟碰撞、挤压防电GB/T31485-2015:GBT31485-2015:GBT3167.3:过充电保诱因过充电、过放电、短过充电、过放电、护、过放电保护、短路保路短路护防热GB/T31485-2015:诱因加热无无枝晶效应：在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，穿越郕隔膜，跳进电解液后，在充电器给予的外电场作用下向负极运动，依次进入石墨组成的负极，在负极表面形成碳锂化合物。当充电速度过快时，锂离子还来不及钻进负极的小洞穴，就在负极附近的电解液中聚集起来，一些靠近碳负极的锂离子就会与电子结合，从而变成金属锂。时间一长，金属锂就会在负极堆积起来、形成像树枝一样的晶体，这种树枝状晶体为“枝晶”。枝晶大到一定程度会刺穿正负极之间的隔膜，一旦刺穿，电池会立即短路，轻者电池报废，重者发生爆炸。负极C隔膜隔膜E2充电电极（入嵌）放电电极（脱嵌）