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蓄電池基礎知識

一. 電池分類(lèi)

蓄電池通常簡(jiǎn)稱(chēng)電池，是將化學(xué)能轉化成電能的一種裝置，常見(jiàn)類(lèi)別如圖 3-1 所示。電池內部的電化學(xué)特決定了該電池是否可以充電?？沙潆婋姵貎炔拷Y構之間所發(fā)生的化學(xué)反應是可逆的，也叫做二次電池，新能源汽車(chē)上的動(dòng)力蓄電池均為二次電池。一次電池只能作為一次 放電使用，它內部結構簡(jiǎn)單且不支持這種變化，例如日常生活中使用的干電池。

圖 3- 1 電池分類(lèi)

曾經(jīng)以日韓企業(yè)為首的電池技術(shù)企業(yè)，很早以前就將蓄電池的封裝種類(lèi)歸為了三大形式：圓柱形、方形和軟包。直觀(guān)上， 它們的區別只是形狀不同， 但其在技術(shù)開(kāi)發(fā)和應用上也有著(zhù)顯著(zhù)不同。

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圓柱形電池

圓柱形電池內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細且滲透性很強的聚乙烯、聚丙烯或聚 乙烯與聚丙烯復合的薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成，如圖 3-2 所示。目前在制造標準上， 只有圓柱形電池具有一致性。例如，人們熟知的圓柱形電池分為 18650 、21700 等型號，型號 中間的數字代表了圓柱形電池的尺寸標準。以 18650 型為例，它是目前最為成熟的圓柱形電池尺 寸標準，而 21700 正在經(jīng)歷不斷的技術(shù)進(jìn)步，今后有可能取代 18650 型，成為新能源汽車(chē)的 首選圓柱形電池產(chǎn)品。

圖 3- 2 圓柱形電池結構

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方形電池

方形電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，其結構如圖 3-3 所示。隨著(zhù)近些年汽車(chē)動(dòng)力蓄電 池的興起， 續駛里程與電池容量之間的矛盾日漸凸顯， 國內動(dòng)力蓄電池廠(chǎng)商多采用電池能量密碼 較高的鋁殼方形電池， 因為方形電池的結構較為簡(jiǎn)單， 不像圓柱形電池那樣需要采用強度較高 高的不銹鋼殼體及防爆安全閥等附件，所以整體附件重量較輕，相對能量密度較高。

與圓柱形電池相比，方形電池的可塑性更強，可以根據搭載產(chǎn)品的具體需求進(jìn)行定制化設計 計，從而導致了其尺寸規格不一。目前，無(wú)論是制造工藝或者應用標準，方形電池都沒(méi)有圓柱 像成那樣清晰的標準劃分。但也正因為其靈活性高， 可以根據車(chē)型需求對方形電池尺寸進(jìn)行 定制化設計，從而不會(huì )受到圓柱形電池尺寸標準的限制。

圖 3- 3 方形電池結構

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軟包電池

軟包電池只是液態(tài)鋰離子電池外套上一層聚合物外殼，采用鋁塑包裝膜，結構如圖 3-4 所示。軟包電池因為采用了疊加的制造方式，所以追求的是更加纖薄的體積，在相同的容量密度 下，其重量是最輕的。軟包電池也可以根據應用需求進(jìn)行定制，小到手機電池的大小，大到可 以及應用在新能源汽車(chē)上。

軟包電池被視為移動(dòng)設備上的首選，在汽車(chē)應用上，也因為其體積的可控性而被汽車(chē)品牌 所看重的，尤其是針對插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，在兼顧整車(chē)布局和重量方面，軟包電池的體積優(yōu)勢 更加明顯。

圖 3- 4 軟包電池結構

二. 鎳氫電池

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鎳氫電池的結構

鎳氫（Ni-MH）電池是由氫離子和金屬鎳合成的，電量?jì)浔孺囨k電池多 30%，比鎳鎘 電池更輕， 使用壽命也更長(cháng)， 并且對環(huán)境無(wú)污染， 現在主要應用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。

鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池高得多，性能要比鋰離子電池差一些。鎳氫電池中的金屬部分是金屬氫化物，主要分為兩大類(lèi)，即 AB5 和 AB2。

最常見(jiàn)的是 AB5，“A”表示稀土元素的混合物或者再加上鈦（Ti ）；“B”則表示鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn），或者還有鋁（Al）。一些含有多種成分的高容量電池，其電極主要由 AB2 構成，“A”表示鈦（Ti）或者釩（V）；B 則表示鋯（Zr）或鎳（Ni），再加上一些鉻（Cr）、鈷（Co）、鐵（Fe）和錳（ Mn ）。鎳氫電池結構如圖 3-5 所示。

圖 3- 5 鎳氫電池結構

2. 鎳氫電池的工作原理

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鎳氫電池的工作原理

鎳氫電池是一種堿性電池，其負極采用由儲氫材料作為活性物質(zhì)的氫化物電極，正極采用 氫氧化鎳電極（簡(jiǎn)稱(chēng)鎳電極），電解質(zhì)為氫氧化鉀水溶液。鎳氫電池充電時(shí)，氫氧化鉀電解液 中的氫離子會(huì )被釋放出來(lái)，由這些化合物將它吸收，避免形成氫氣，以保持電池內部的壓力和體積。當電池放電時(shí)，這些氫離子便會(huì )經(jīng)由相反的過(guò)程而回到原來(lái)的地方。

鎳鎘、鎳氫電池的充電過(guò)程非常相似，都要求恒流充電，以防止電池過(guò)充電。充電器對電 池進(jìn)行恒流充電，同時(shí)檢測電池的電壓和其他參數。為避免損壞電池，電池溫度過(guò)低時(shí)不能打開(kāi) 始快速充電，當電池溫度低于 10℃時(shí)，應轉入涓流充電方式。而一旦電池溫度達到規定數值 后，必須立即停止充電。

3. 鎳氫電池型號說(shuō)明

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鎳氫電池型號說(shuō)明

通常電池體上的 AAA、AA、C、D、N、F、SC 等標識都是美國型號標識。在我國，除了幾種電池按“號”稱(chēng)呼之外，其他還是采用美國的命名方式。

此外，二次鋰電池的型號采用五位數 （圓柱形）或六位數（方形）表示，如 14500、103450 等。常見(jiàn)電池型號、尺寸對照見(jiàn)表 3-1。

表 3-1 常見(jiàn)電池型號、尺寸對照表

平頭電池是指電池正極是平的，沒(méi)有凸起，主要適合做電池組點(diǎn)焊使用的電池芯。一般同等型號的尖頭電池（可以用作單體電池供電的），在高度上比平頭電池多 0.5mm。有些電池并不是 AAA 、AA 、A 、SC 、C 、D 、N 、F 等主型號，而是帶有 1/3 、2/3 、1/2 、2/3 、4/5 、5/4、 7/5 等分數，這些分數表示電池體高度與標準型號電池高度的比值。例如， 2/3AA 表示電池高 度是一般AA 型電池的 2/3 ；4/5A 表示電池高度是一般A 型電池的 4/5。

根據國際電工委員會(huì )（IEC）標準規定，鎳鎘和鎳氫電池標識由以下五部分組成。

（ 1 ）電池種類(lèi) ：KR 表示鎳鎘電池；HF 表示方形鎳氫電池；HR 表示圓柱形鎳氫電池。

（2 ）電池尺寸 ：包括圓柱形電池直徑 / 高度，方形電池寬度 /厚度/ 高度，各數值之間用 斜杠隔開(kāi)，單位為 mm。

（3 ）放電特性符號：L 表示適宜放電電流倍率在 0.5C 以?xún)?；M 表示適宜放電電流倍率在 0.5 ~ 3.5C 范圍內；H 表示適宜放電電流倍率在 3.5 ~ 7.0C 范圍內；X 表示電池能在 7 ~ 15C 的高倍率放電電流下工作。

（4 ）高溫電池符號：用 T 表示。

（5 ）電池連接片種類(lèi)：CF 代表無(wú)連接片；HH 表示電池帶串聯(lián)連接片；HB 表示電池帶并 聯(lián)連接片。

例如， HF18/07/49 表示方形鎳氫電池，寬 18mm、厚 7mm、高 49mm；KRMT33/62CF表示鎳鎘電池，放電倍率在 0.5 ~ 3.5C 之間，高溫系列單體電池，無(wú)連接片，直徑 33mm、高度 62mm。

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鎳氫電池的應用特性

大功率的鎳氫電池廣泛應用于油電混合動(dòng)力車(chē)輛中，最具代表性的例子是豐田普銳斯，該車(chē)使用了特別的充放電程序， 電池充放電壽命可足夠車(chē)輛使用十年。

雖然鎳氫電池的質(zhì)量比鋰離子電池大，但仍然有部分新能源汽車(chē)使用鎳氫電池。從每個(gè)單體電池的電壓來(lái)看，鎳氫與鎳鎘電池的標稱(chēng)電壓都是 1.2V。

鎳氫電池的主要應用特性見(jiàn)表 3-2。

表 3-2 鎳氫電池的主要應用特性

三、鋰離子電池

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鋰離子電池的結構

鋰離子電池大多是以正極材料作為命名的主要依據，例如：磷酸鐵鋰電池是用磷酸鐵鋰 作為正極材料的鋰離子電池；三元鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰 Li（NiCoMn ）O2 的鋰 離子電池。鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜和外殼構成。其中正極材料、負極材料、電解質(zhì)、隔膜被稱(chēng)為鋰離子電池的四大核心組件。

（1）正極材料：正極材料是決定鋰離子電池性能的關(guān)鍵材料之一，其性能和價(jià)格對鋰離子 電池的影響較大。目前研制成功并得到應用的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料鎳鈷錳酸鋰（NCM）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）等。在鋰離子電池中，正極材料占有較大比例（正、負極材料的質(zhì)量比為3∶1~4∶1）。

（2）負極材料:鋰離子電池的負極材料是充電過(guò)程中，鋰離子和電子的載體，起著(zhù)能量存儲與釋放的作用。負極材料占電池成本的5%~ 15%，碳材料是目前鋰離子電池應用最為廣泛的負極材料。

（3）電解液:電解液是鋰離子電池中用于傳輸鋰離子的載體，通常由鋰鹽和有機溶劑組 成。電解液在鋰離子電池正、負極之間起到傳導鋰離子的作用。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽以及相關(guān)的添加劑等材料，在一定條件下、按一定比例配制而成。

（4 ）隔膜:隔膜位于電池的正、負極板之間，起到絕緣作用，是關(guān)鍵的內層組件之一。隔膜的性能決定了電池的截面結構及內阻，直接影響電池容量、循環(huán)壽命以及安全性能等特性。隔膜的主要作用是將電池的正、負極分隔開(kāi)，防止兩極接觸而短路，此外還具有使電解質(zhì)鋰離子通過(guò)的功能。

由于鋰離子電池正、負極使用的材料和制作工藝不同，其性能參數也存在一定的差異，性能參數對比見(jiàn)表 3-3。其中鈷酸鋰電池由于穩定性較差、價(jià)格較高等原因，很少用作動(dòng)力蓄電池。

表 3-3 鋰離子電池性能參數對比

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鋰離子電池的工作原理

（1）放電過(guò)程

雖然鋰離子電池種類(lèi)繁多，但其工作原理大致相同。鋰離子電池放電時(shí)，電子和鋰離子 Li+ 同時(shí)運動(dòng)，電子從負極經(jīng)過(guò)外電路導體跑到正極， Li+ 從晶狀體結構負極“脫 插”進(jìn)入電解液里，“穿過(guò)”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(guò) 來(lái)的電子結合在一起，如圖 3-6 所示。

圖 3- 6 放電過(guò)程

（2）充電過(guò)程

充電時(shí)，晶狀結構正極材料上的鋰分成鋰離子和電子，電子通過(guò)外部充電，電路跑到負極上， Li+ 從正極“脫嵌”進(jìn)入電解液里，“穿過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“嵌入” 晶狀體結構負極，與電子結合在一起。由于Li+ 從正極“脫嵌”，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)插入負極，因此負極處于富鋰狀態(tài)，如圖 3-7 所示。

圖 3- 7 充電過(guò)程

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鋰離子電池的型號

不同的鋰離子電池生產(chǎn)廠(chǎng)家有不同的命名規則，但通用型電池大都遵循統一的標準，根據 電池的名稱(chēng)就可以知道其尺寸等信息。IEC 規定，圓柱形和方形電池的型號命名規則如下：

（ 1 ）圓柱形電池

其型號用三個(gè)字母后跟五個(gè)數字表示。三個(gè)字母中，第一個(gè)字母表示負 極材料，其中 I 表示有內置的鋰離子， L 表示鋰金屬或鋰合金電極；第二個(gè)字母表示正極材料， C 表示鈷， N 表示鎳， M 表示錳， V 表示釩；第三個(gè)字母為 R，表示圓柱形。五個(gè)數字中， 前 兩個(gè)數字表示直徑，后三個(gè)數字表示高度，單位都為 mm。

（2 ）方形電池

其型號用三個(gè)字母后跟六個(gè)數字表示。三個(gè)字母中，前兩個(gè)字母的意義和 圓柱形電池一樣；后一個(gè)字母為 P，表示方形。六個(gè)數字中，前兩個(gè)數字表示厚度，中間兩個(gè) 表示寬度，后面兩個(gè)表示高度（長(cháng)度），單位也為 mm。

例如：ICR 18650 表示直徑為 18mm、高度為 65mm 的圓柱形電池；ICP 053353 表示厚 度為 5mm、寬度為 33mm、高度（長(cháng)度）為 53mm 的方形電池。鋰離子電池實(shí)物型號標識如 圖 3-8 所示。

圖 3- 8 鋰離子電池實(shí)物型號標識

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鋰離子電池的應用特性

（1）電壓高

鋰離子電池單體由于使用的正極材料不同，其額定電壓也有所不同，最高可 達 3.8V。鋰離子電池的電壓是鎳鎘、鎳氫電池的 3 倍，是鉛酸電池的近 2 倍，這也是鋰離子動(dòng) 力蓄電池比能量高的一個(gè)重要原因。

組成具有相同電壓的動(dòng)力蓄電池組時(shí)，所使用的鋰離子動(dòng)力蓄電池的串聯(lián)數目會(huì )大大少 于鉛酸電池和鎳氫電池。而動(dòng)力蓄電池中單體電池數量越多， 電池組中單體電池的一致性要求 就越高，壽命就越難以控制。在實(shí)際使用過(guò)程中，當電池組發(fā)生故障時(shí)，一般是其中一兩個(gè)單 體電池出現問(wèn)題，然后導致整組電池出現問(wèn)題。因此，不難理解 48V 的鉛酸電池比 36V 的鉛 酸電池故障率高的原因，從這個(gè)角度上來(lái)講，鋰離子電池更適合作為動(dòng)力蓄電池使用。例如， 36V 的鋰離子電池組只需要 10 個(gè)單體電池即可；而 36V 的鉛酸電池組則需要 18 個(gè)單體電池， 即 3 個(gè) 12V 的電池組，而每個(gè) 12V 的鉛酸電池組又由 6 個(gè)單體電池組成。

（2 ）能量密度大

比能量大，高達 150W ·h/kg，是鎳氫電池的 2 倍，是鉛酸電池的 4 倍。因此， 鋰離子電池的質(zhì)量是相同能量鉛酸電池的 1/4~1/3。從這個(gè)角度來(lái)講，鋰離子電 池消耗的資源就少，而且錳酸鋰電池中所使用元素的儲量也比較多。其體積小，能量密度高 達 400W ·h/L，體積是相同能量鉛酸電池的 1/3~1/2，提供了更合理的結構和更美觀(guān)的外形設 計條件、設計空間。

（3 ）壽命長(cháng)

鋰離子電池的循環(huán)次數可達 1000 ~ 3000 次。以容量保持在 70% 計算，電 池組 100% 充放電循環(huán)次數可以達到 2000次以上，使用年限可達 5 ~ 8 年，壽命為鉛酸電池的 2 ~ 3 倍。隨著(zhù)技術(shù)的革新，鋰離子電池的壽命會(huì )越來(lái)越長(cháng)，性?xún)r(jià)比將越來(lái)越高。

（4 ）應用范圍寬

低溫性能好，可在 ?40 ~ 55℃之間工作。而水溶液電池（如鉛酸電池、 鎳氫電池）在低溫時(shí)，由于電解液流動(dòng)性變差，會(huì )導致性能大大降低。

（5 ）無(wú)記憶

每次充電前不需要放電，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行充電。電池充放電深度對電池的 壽命影響不大，可以實(shí)現全充全放。

（6）無(wú)污染

鋰離子動(dòng)力蓄電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱(chēng)為綠色電池，是國家重點(diǎn)扶 持項目。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛與鎘，國家必然會(huì )加強其監管和治理，相 應企業(yè)的成本也會(huì )增加。雖然鋰離子電池沒(méi)有污染，但從資源節約的角度考慮，需要綜合考慮 鋰離子動(dòng)力蓄電池的回收安全性以及回收成本問(wèn)題。

（7 ）安全隱患

由于鋰離子動(dòng)力蓄電池的能量高、材料穩定性較差，故容易出現安全問(wèn) 題。2013年，世界上知名的手機和筆記本電腦電池（正極材料為鈷酸鋰和三元材料）生產(chǎn)企業(yè)， 如日本三洋、索尼等公司要求電池的爆噴率控制在40 個(gè)ppb （十億分之一）以下，國內公司基 本上能達到 ppm （百萬(wàn)分之一）級別。

（8 ）價(jià)格高

相同電壓和相同容量的鋰離子動(dòng)力蓄電池的價(jià)格是鉛酸電池的 3 ~ 4 倍。隨 著(zhù)鋰離子動(dòng)力蓄電池市場(chǎng)的擴大、成本的降低、性能的提高，以及鉛酸電池價(jià)格的提高，鋰離 子動(dòng)力蓄電池的性?xún)r(jià)比有可能會(huì )超過(guò)鉛酸電池。

四.動(dòng)力蓄電池的技術(shù)參數

動(dòng)力蓄電池是確保新能源汽車(chē)能夠正常工作的基礎，因此，動(dòng)力蓄電池性能的好壞顯得尤 其重要。我國針對新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池系統建立了一系列的相關(guān)標準，其范圍覆蓋電芯、模 組、動(dòng)力蓄電池包和動(dòng)力蓄電池系統四個(gè)層面。涉及的產(chǎn)品類(lèi)型包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、插電式/ 增程式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)乘用車(chē)和商用車(chē)，已基本上了構成了一個(gè)完整的體系。常用動(dòng)力蓄電池的主要技術(shù)參數如圖 3-9 所示。

圖 3-9 常用動(dòng)力蓄電池的主要技術(shù)參數

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額定電壓

動(dòng)力蓄電池的額定電壓又稱(chēng)標稱(chēng)電壓，

額定電壓 = 單體電芯額定電壓 × 單體電芯串聯(lián)數。

動(dòng)力蓄電池的實(shí)際工作電壓是隨著(zhù)不同使用條件而不斷變化的，其電壓狀態(tài)主要有以下幾種：

（ 1 ）開(kāi)路電壓

開(kāi)路電壓是指電池在沒(méi)有連接外電路或負載時(shí)的電壓。開(kāi)路電壓與電池剩 余能量有一定的聯(lián)系，剩余電量顯示利用的就是這個(gè)原理。

（2 ）工作電壓

工作電壓是指電池在工作狀態(tài)下，即電路中有電流通過(guò)時(shí)，電池正、負極 之間的電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當電流流過(guò)電池內部時(shí)，必須克服內阻的阻力，因此 工作電壓總是低于開(kāi)路電壓。

（3）放電截止電壓

放電截止電壓是指電池充滿(mǎn)電后進(jìn)行放電，放完電時(shí)達到的電壓。若 此時(shí)繼續放電則為過(guò)度放電，對電池的使用壽命和性能會(huì )有很大的損傷。

（4 ）充電限制電壓

充電限制電壓是指充電過(guò)程中由恒流變?yōu)楹銐撼潆姷碾妷骸?/span>

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電芯容量（A·h）

電芯容量是指動(dòng)力蓄電池能夠儲存的電量，是衡量電池性能的重要指標之一。

動(dòng)力蓄電池 電芯容量 = 單體電芯容量 × 單體電芯并聯(lián)數量。

電芯容量是由電池電極活性物質(zhì)決定的，主要取決于活性物質(zhì)的數量、質(zhì)量以及利用率。

電芯容量用 C 表示，單位為 A ·h （安 ·時(shí)）或 mA ·h （毫安 ·時(shí)）。它等于放電電流（ A ）× 放電時(shí)間（ h），即 C = It。

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額定能量（kW·h）

動(dòng)力蓄電池的額定能量是衡量其性能的重要指標之一，單位為 kW ·h （千瓦 ·時(shí)）。

動(dòng)力蓄電池的額定能量 = 動(dòng)力蓄電池的額定電壓 × 動(dòng)力蓄電池的電芯容量。

額定能量是汽車(chē)廠(chǎng)商公布的電池儲備電量大小的度量。1kW ·h 的物理意義是功率為 1kW 的電器工作 1h 所消耗的電能。

在日常生活中， 1kW ·h 即1度電。

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能量密度（W·h/kg）

能量密度是指電池單位體積或單位質(zhì)量所釋放出來(lái)的能量，通常用體積能量密度（ W ·h/L） 和質(zhì)量能量密度（W ·h/kg）表示。常見(jiàn)電池能量密度對比見(jiàn)表3-4。

表 3-4 常見(jiàn)電池能量密度對比

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電池內阻

電池內阻是指蓄電池工作時(shí)，電流流過(guò)電池內部所受到的阻力，它包括歐姆內阻和極化內阻。歐姆內阻主要是由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成的，與電池的尺寸、結構、裝配等因素有關(guān)。

電池的內阻不是常數，而是在充放電過(guò)程中隨時(shí)間不斷變化的。這是因為活性物質(zhì)的組成、電解液的濃度和溫度都在不斷地改變，不同類(lèi)型電池的內阻不同。即便是相同類(lèi)型的電池，由于內部化學(xué)特性不一致，其內阻也不一樣。電池的內阻很小，一般以 mΩ 為單位來(lái)定義它。內阻是衡量電池性能的一個(gè)重要技術(shù)指標，正常情況下，內阻小的電池，其大電流放電能力強；內阻大的電池，其放電能力就弱。

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剩余電量（SOC）

剩余電量是指動(dòng)力蓄電池內部的可用電量占標稱(chēng)容量的比例，是電池管理系統中的一個(gè)重要監控數據，電池管理系統根據 SOC 值控制電池的工作狀態(tài)。

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充放電倍率（C）

充放電倍率用來(lái)表示電池充放電時(shí)電流大小的比率，即倍率。

充放電倍率 = 充放電電流/ 額定容量。

例如，額定容量為 100A ·h 的電池用 20A放電時(shí)， 其放電倍率為 0.2C。電池放電倍率的 1C 、2C 、0.2C 是指電池的放電速率，是放電快慢的一種 量度。所有的容量 1h 放電完畢，稱(chēng)為 1C 放電；5h 放電完畢，則稱(chēng)為（ 1/5 ）C = 0.2C 放電；對于 24A ·h 電池來(lái)說(shuō)， 2C 放電電流為 48A，0.5C 放電電流為 12A。

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放電深度（DOD）

在電池的使用過(guò)程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱(chēng)為放電深度。放電深度的高低和二次電池的充電壽命有很大的關(guān)系。二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，這 會(huì )導致電池的使用壽命變短，因此在使用時(shí)應盡量避免深度放電。

五.動(dòng)力蓄電池成組技術(shù)

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術(shù)語(yǔ)解釋

根據 GB/T 19596—2017 的定義，動(dòng)力蓄電池系統（動(dòng)力蓄電池包）是指一個(gè)或一個(gè)以上 蓄電池包及相應附件（蓄電池管理系統、高壓電路、低壓電路、熱管理設備以及機械總成）構成的為電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)的行駛提供電能的能量存儲裝置。

（ 1 ）單體蓄電池

單體蓄電池是將化學(xué)能與電能進(jìn)行相互轉換的基本單元裝置，通常包括 電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼和端子，并被設計成可充電的，也稱(chēng)作電芯。單體蓄電池在物理結 構上是構成動(dòng)力蓄電池包或動(dòng)力蓄電池系統的最小單元，可作為一個(gè)單元替換。

（2 ）蓄電池電芯組

一組并聯(lián)連接的單體蓄電池，可能包含監測電路與保護裝置（如熔斷器等）。

注意： 蓄電池電芯組沒(méi)有固定的封裝外殼、電子控制裝置，且沒(méi)有確定的極柱布置，不能 直接應用到車(chē)輛上。

（3 ）蓄電池模塊

將一個(gè)以上的單體蓄電池按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的方式組合起來(lái)，并 作為電源使用的組合體，也稱(chēng)作蓄電池組。

（4 ）蓄電池管理系統

監視蓄電池的狀態(tài)（溫度、電壓、荷電狀態(tài)等）， 可以為蓄電池提供通信、安全、電芯均衡及管理控制，并提供與應用設備間通信接口的系統。

（5 ）動(dòng)力蓄電池箱

用于盛裝蓄電池組、蓄電池管理系統以及相應的輔助元器件，并包含 機械連接、電氣連接、防護等功能的總成，簡(jiǎn)稱(chēng)蓄電池箱。

（6）蓄電池包

通常包括蓄電池組、蓄電池管理系統、蓄電池箱及相應附件（冷卻部件、連 接電纜等），具有從外部獲得電能并可對外輸出電能的單元。蓄電池包的生產(chǎn)流程如圖3-10 所示。

圖 3- 10 蓄電池包的生產(chǎn)流程

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動(dòng)力蓄電池成組技術(shù)要點(diǎn)

在純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中，單體蓄電池難以滿(mǎn)足電壓需求，需要將若干 個(gè)蓄電池單體和模塊通過(guò)串并聯(lián)的方式組合成蓄電池包，蓄電池成組技術(shù)如圖 3-11 所示。串聯(lián) 可以增加電壓，但是容量不變；并聯(lián)可以增加容量，但是電壓不變。

圖 3- 11 蓄電池成組技術(shù)

蓄電池的連接方式通常用 ××P ××S 表示。例如：3P91S 表示由 3 個(gè)單體電池并聯(lián)成一組，共有 91 組串聯(lián)在一起；1P100S，表示由 100 個(gè)單體電池串聯(lián)而成。

北汽EV160 純電動(dòng)汽車(chē)的電芯組成方式是 1P100S，即將 100 個(gè)磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)在一起，組成了車(chē)輛的動(dòng)力蓄電池 組；而北汽EV200 純電動(dòng)汽車(chē)的電芯組成方式是 3P91S，即該電池包是由 3 個(gè)三元鋰電池單體 并聯(lián)組成一個(gè)模塊，再用 91 個(gè)這樣的模塊串聯(lián)成一個(gè)整體，構成了動(dòng)力蓄電池總成。

（ 1 ）電池均衡

組合的電池數量越多，電池組的可靠性越差。在進(jìn)行電池組合時(shí)，應采用 同一系列、同一規格的電池，這就是常說(shuō)的電池均衡問(wèn)題。動(dòng)力蓄電池的一致性差是指一組電 池內，單體電池之間出現的剩余容量差異過(guò)大、電壓差異過(guò)大等情況，從而導致新能源汽車(chē)的 續航能力下降。造成動(dòng)力蓄電池組內單體電池一致性差的主要原因有以下幾點(diǎn)：

1 ）生產(chǎn)工藝差異。

由于電池材料、存放時(shí)間、生產(chǎn)工藝等原因，導致各單體電池之間不 可避免地存在差異。改善電池的生產(chǎn)制造工藝，從生產(chǎn)上盡可能保證電池的一致性，使用同 一批次的電池進(jìn)行配組，這種方法有一定效果，但無(wú)法完全解決一致性差的問(wèn)題。電池組使 用一段時(shí)間后， 仍會(huì )出現一致性差的問(wèn)題， 如果不能及時(shí)處理， 則問(wèn)題會(huì )愈加嚴重， 甚至會(huì ) 發(fā)生危險。

2 ）溫度差異。

在新能源汽車(chē)上，蓄電池的安裝位置不同，熱環(huán)境也存在一定的差異；即 使是在同一位置的電池，由于通風(fēng)條件的不同，也會(huì )導致單體電池之間的溫差，造成電池包溫 度不均勻，還有可能出現局部高溫的情況。

3 ）放電倍率差異。

同一種電池具有相同的放電倍率，隨著(zhù)電池的使用容量會(huì )產(chǎn)生變化， 導致最佳放電電流不同。

4 ）放電深度差異。

放電深度是表示蓄電池放電狀態(tài)的參數，等于實(shí)際放電容量與可用容 量的百分比。新能源汽車(chē)的續駛里程主要是由動(dòng)力蓄電池的容量決定的， 電池放電深度的不同 會(huì )導致一致性變差。

5 ）可用容量差異。

在充電過(guò)程中，容量偏小的電池將提前充滿(mǎn)電，為使電池組中其他電 池也能夠充滿(mǎn)電， 小容量電池必將出現過(guò)充電現象。如果為了避免小容量電池發(fā)生過(guò)充電而提 前結束整個(gè)蓄電池系統的充電， 則會(huì )導致其他容量偏大的電池處于欠充電狀態(tài)。這種情況不僅 會(huì )影響電池組的充電過(guò)程，還會(huì )影響電池的使用壽命，甚至會(huì )帶來(lái)安全隱患。動(dòng)力蓄電池組一 致性差的成因及其傳遞過(guò)程如圖 3-12 所示。

圖 3- 12 動(dòng)力蓄電池組一致性差的成因及其傳遞過(guò)程

（2 ）電池安全

單體電池通過(guò)并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)方式成組后，作為一個(gè)整體對外工作時(shí)的安全問(wèn)題是新能源汽車(chē)的核心問(wèn)題， 也是整個(gè)社會(huì )都極度關(guān)注的問(wèn)題。電池安全是電池技術(shù) 實(shí)現革命性突破的第一重點(diǎn)， 也是促進(jìn)純電動(dòng)汽車(chē)性能提升的關(guān)鍵。關(guān)于動(dòng)力蓄電池系統的安 全問(wèn)題，概括起來(lái)有 8 個(gè)方面。

1 ）電芯安全。

通過(guò)電芯、電池模塊標準化來(lái)改善電芯安全。在設計方面，把電芯的設計 問(wèn)題集中暴露出來(lái)并集中處理，生產(chǎn)設備的標準化程度也會(huì )相應高一些。通過(guò)標準化，可以把 優(yōu)秀的設備配套商和零配件配套商的經(jīng)驗向行業(yè)推廣，這樣可以整體提高電池行業(yè)的安全技術(shù) 水平。電芯標準化可以減少低層次勞動(dòng)的重復，對電芯的安全性能有很大的提升，更多廠(chǎng)商做 同一個(gè)標準的電芯，電芯成本會(huì )下降，安全性會(huì )提高。

2 ）成組安全。

相對于單體電池來(lái)講，鋰電池成組應用是新能源汽車(chē)的關(guān)鍵。新能源汽車(chē) 的動(dòng)力蓄電池需要由多只單體電池串并聯(lián)組成，此時(shí)成組應用一致性差的問(wèn)題就會(huì )凸顯出來(lái)。即使是在電池出廠(chǎng)時(shí)一致性偏好的情況下， 只要在新能源汽車(chē)特有工況環(huán)境（電池在電動(dòng)汽車(chē) 上的擺放位置不同、溫度場(chǎng)不同等） 下應用一段時(shí)間， 因電池組串并聯(lián)引起的電化學(xué)特性的改 變就會(huì )顯現出來(lái)， 從而導致電池組中某一單體電池由于過(guò)充電或過(guò)放電等原因率先失效， 影響 電池組的安全性和循環(huán)壽命。動(dòng)力蓄電池系統熱管理功能的設計， 對保證電池成組后的安全性 非常重要。溫度對電池電壓的影響很大，熱管理功能設計得好，熱量均衡， BMS 便可對每個(gè)電 芯做精確的檢測、管控和預警。

3 ）電池管理。

動(dòng)力蓄電池管理系統（BMS）是對新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池組進(jìn)行安全監控 及有效管理的裝置。它能夠提高新能源汽車(chē)電池的使用效率、增加續駛里程、延長(cháng)使用壽命、 降低運行成本、提高電池組可靠性，進(jìn)而有效提升新能源汽車(chē)整車(chē)品質(zhì)。BMS 主要由控制模 塊、均衡電源模塊和檢測模塊三部分構成。

4 ）設計安全。

目前，將鎳鈷錳三元電池作為乘用車(chē)動(dòng)力蓄電池的主流技術(shù)路線(xiàn)，在我國新 能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中已得以確立，原本二分天下的磷酸鐵鋰電池已逐步“黯然退出”。

采用磷酸鐵鋰 動(dòng)力蓄電池的新能源乘用車(chē)在2017 年之后的市場(chǎng)上已經(jīng)很少見(jiàn)到；而在對動(dòng)力蓄電池安全性要 求非常高的公共交通領(lǐng)域， 磷酸鐵鋰電池依然占重要地位， 雖然其單體成組效率高、工作溫度 范圍寬泛、在 400℃以上依然不會(huì )出現大面積熱失控，但依然無(wú)法與強大的產(chǎn)業(yè)政策相抗衡。

2017 年，在我國新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池行業(yè)，鎳鈷錳三元電池普遍采用的是配方比例為1 ∶1 ∶1 的鎳鈷錳三元正極材料，動(dòng)力蓄電池的單體能量密度約為 170W ·h/kg ；

到 2018 年， 全行業(yè)的鎳鈷錳三元配方比例變成了 5 ∶ 2 ∶ 3，動(dòng)力蓄電池的單體能量密度約為 210W ·h/kg ；而在 2018年即將結束的時(shí)候，國內某動(dòng)力蓄電池龍頭生產(chǎn)企業(yè)迫不及待地宣布將大規模投產(chǎn)配 方比例為 8∶1 ∶1 的鎳鈷錳三元電池，動(dòng)力蓄電池的單體能量密度將超過(guò) 300W ·h/kg。

高鎳三元電池的良品率、內阻一致性、焊接工藝、散熱系統效能以及 BMS 等中的任何 一項有問(wèn)題， 都會(huì )導致極其嚴重的后果。各種電池材料、電池結構均有優(yōu)缺點(diǎn)， 對安全性的 影響程度也不相同，只要設計科學(xué)、制造精密，在一定程度上都可以制造出安全性可以接受的動(dòng)力蓄電池。

5 ）充電安全。

新能源汽車(chē)使用中的安全問(wèn)題是事關(guān)用戶(hù)生命財產(chǎn)安全和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的底線(xiàn)， 而為車(chē)輛充電是用車(chē)過(guò)程中的重要環(huán)節。充電安全主要涉及信息安全、電氣安全和消防安全三個(gè)方面。

① 信息安全。充電場(chǎng)所中的掃碼充電存在信息安全隱患。目前，通過(guò)掃描二維碼來(lái)完成充 電設施的啟停和充電的支付結算是很多充電運營(yíng)企業(yè)的選擇，如果運營(yíng)企業(yè)僅是將一張打印好 的二維碼張貼到充電樁上供用戶(hù)使用，這樣的方式是存在信息安全隱患的。

② 電氣安全。新能源汽車(chē)的公共充電設施需要面向近百家車(chē)企的數千個(gè)車(chē)型提供充電服 務(wù)，大多存在“高壓帶電、放置室外、無(wú)人值守”的現象。充電設備本體的安全風(fēng)險逐漸得到 了人們的重視，可以通過(guò)充電設備硬件電路的設計來(lái)降低風(fēng)險。例如，使用帶有保護功能的電 氣元件來(lái)降低風(fēng)險，通過(guò)軟件來(lái)監測是否超限、過(guò)充電等。在絕緣防護、漏電保護和充電過(guò)程 絕緣監測等方面加強風(fēng)險管控，防止人身觸電。

③ 消防安全。消防安全始終貫穿整個(gè)充電過(guò)程以及充電場(chǎng)地的全生命周期。在 GB/T 51313— 2018 《電動(dòng)汽車(chē)分散充電設施工程技術(shù)標準》中，就消防安全問(wèn)題進(jìn)行了較為詳細的闡述和 規定。

6 ）使用安全。

通過(guò)使用防火材料，或在防火結構上做防火隔熱處理等方式，延緩熱失控 的擴散過(guò)程。增加煙霧檢測、化學(xué)成分檢測、溫升檢測等環(huán)節，通過(guò)檢測發(fā)現早期單體熱失 控，并給駕駛人和乘客發(fā)出警報，提醒人員逃生。

目前，電動(dòng)客車(chē)國家標準正在推動(dòng)增加滅火裝置，在整車(chē)設計方面要增加安全逃生裝置。新能源汽車(chē)和傳統燃油汽車(chē)不一樣， 動(dòng)力蓄電池是車(chē)輛的唯一動(dòng)力來(lái)源， 在車(chē)輛發(fā)生嚴重故障 的情況下，如果通過(guò)切斷供電電路的方式進(jìn)行控制，車(chē)門(mén)有可能會(huì )打不開(kāi)。所以在整車(chē)設計 上，如果能增加可以快速、方便打開(kāi)的逃生門(mén)或者其他逃生裝置，將是一個(gè)可行的選擇。

7 ）安全預警。

根據新能源汽車(chē)國家標準，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把整車(chē)控制器（VCU）收集到 的 BMS信息上傳到云端進(jìn)行大數據分析。監控平臺不斷收集新能源汽車(chē)的工況數據、報警數 據、診斷數據等并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，向用戶(hù)提供精準報警推送和智能預警分析結果。當新能源汽 車(chē)出現安全問(wèn)題時(shí)，通過(guò)預警裝置可以提醒駕駛人靠邊停車(chē)，提高了安全預警的可靠性。

8 ）日常維護。

現在新能源汽車(chē)的一些問(wèn)題源自沒(méi)有日常維護標準或國家強制檢測標準。傳統燃油汽車(chē)都有強制檢測，而新能源汽車(chē)作為新生事物，其安全性、可靠性還沒(méi)有達到傳 統燃油汽車(chē)的級別。究竟是每隔 3 個(gè)月、 6 個(gè)月，還是 1 年進(jìn)行維護檢測，應該檢測哪些項目 （系統密封性、電氣可靠性、連接可靠性等），都缺少相關(guān)的標準。

新能源汽車(chē)幾乎不需要維護，但實(shí)際上這與安全意識背道而馳。因此，國家應該制定新能 源汽車(chē)的強制檢測標準， 整車(chē)廠(chǎng)也應該有強制檢測的項目要求， 制定新能源汽車(chē)的日常維護流 程及國家的相關(guān)法律規定是非常緊急和必要的。

——以上內容節選自《新能源汽車(chē)維修入門(mén)彩色圖解》

《新能源汽車(chē)維修入門(mén)彩色圖解》內容分為三大部分：第壹部分主要講解新能源汽車(chē)基本概念、高壓安全防護、整車(chē)結構、安全操作等內容；第二部分主要講解新能源汽車(chē)動(dòng)力蓄電池、驅動(dòng)電機以及整車(chē)控制系統三大技術(shù)核心的結構、原理與維修；第三部分主要講解新能源汽車(chē)空調系統結構原理與維修、新能源汽車(chē)維護與PDI等內容。本書(shū)將新能源汽車(chē)理論知識與實(shí)際維修作業(yè)項目有機結合，側重解決實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題。

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