纯电动汽车学习入门（三）—动力电池系统（上）

◆文/北京 李玉茂

（接2021年第8期）

一、单体锂电池

1.组成与分类

单体（Cell）也称电芯，是将化学能转化为电能的最小单元，单体锂电池由正极、负极、电解液、隔膜、外壳等组成，如图1所示。

图1 锂电池组成

锂电池按正极所用材料分类，有钴酸锂LixCoO2、锰酸锂LixMnO2、镍酸锂LixNiO2、磷酸铁锂LixFePO4、三元锂Li（CoMnNi）O2。三元锂是钴、锰、镍按一定比例混合，这些锂化合物材料是晶状体结构材料。负极材料为石墨，充电后成为锂-碳层间化合物LiXC6。

液态锂离子电池的正极与负极之间是隔膜和电解液，隔膜只允许锂离子Li+往返通过，阻止电子e-通过，在正负极之间起到绝缘作用。固态锂离子电池的隔膜、电解液由聚合物电解质膜代替，聚合物可以是干态，也可以是胶态，目前大部分采用聚合物胶体电解质膜。

2.形状与包装

单体电池的形状有方形、圆柱形、板状等，如图2所示。方形又分方形叠片式、方形卷绕式；圆柱形又分圆柱叠片式、圆柱卷绕式。包装类型有硬包、软包，硬包使用钢壳、铝壳，软包使用铝塑。

图2 锂电池外形

电动车大多采用方形硬包电池，特斯拉采用18650电芯，18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示圆柱形电池。笔记本电脑、手机采用板状软包电池。锂单体电池标称电压3.7V，一般正常电压范围3.2～4.2V。磷酸铁锂单体电池标称电压3.2V，一般正常电压范围2.7～3.7V。

比亚迪公司推出磷酸铁锂刀片电池，如图3所示，电芯长度可大于2m，宽度大于10cm，厚度不到2cm，优点：①电池能量密度比传统电池增加1/3以上；②材料成本降低1/4左右；③电池体积小，可为车辆节省空间；④电池重量轻，降低自身重量的能源消耗，续航里程增加。

图3 刀片电池

3.工作原理

（1）充电。钴酸锂电池充电如图4所示，正极上的锂分成Li+离子和电子e-，电子e-在电场力的作用下通过外部电路跑到负极上。Li+离子从正极“脱嵌”进入电解质，“穿过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“嵌入”到晶体状结构负极，与外部跑过来的电子e-结合在一起，此时负极处于富锂状态。

图4 电池充电

（2）放电。如图5所示，电子e-和锂离子Li+同时行动，电子e-从负极经过外电路跑到正极，Li+离子从晶状体结构负极“脱嵌”进入电解质，“穿过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”嵌入正极晶体空隙，与外电路过来的电子e-结合在一起，此时正极处于富锂状态。锂离子Li+就像“坐摇椅”，亦称摇椅式电池。

图5 电池放电

4.锂离子电池不能过充/过放

根据锂离子Li+工作原理，最高充电电压应为4.2V，不能过充，否则正极材料中的锂离子Li+因拿走太多，造成晶格瘫塌，使电池损坏或寿命缩短，另外电解液分解释放出气体，导致电池鼓胀。不能过放，放电时必须保留一部分锂离子Li+在负极，以保证下次充电时锂离子Li+畅通嵌入通道。锂离子Li+充电/放电应高精度控制，否则都会影响电池寿命，这是锂离子电池的工作机理所决定的。

二、动力电池

1.定义

动力电池的定义是指在汽车上配置使用的、能够储存并可再充电的、为驱动汽车行驶提供能量的装置。包括锂离子电池、镍氢电池、超级电容等，不包括铅酸电池，目前我国纯电动汽车主要采用锂离子电池。动力电池的作用是储存和释放电能，动力电池安装在密封并且屏蔽的动力电池箱内，如图6所示，利用高压电缆与高压盒相连。

图6 动力电池

2.动力电池术语

单体：也称电芯，是构成动力电池模块的最小单元。单体额定电压也称标称电压，不同电池类型规定不同的电压。

模块：一组并联单体的组合，如有3个模块称3P，只有一个模块称1P，是单体在物理结构和电路上连接起来的最小分组，可作为一个单元更换。模块额定电压与单体额定电压相等。

模组：由多个模块或单体串联成的组合体，模组额定电压=模块额定电压×串联模块个数。

电池包：由多个模组串联而成，所有模组共有100个模块称100S。电池包额定电压=模块额定电压×串联模块个数，或者等于所有模组额定电压相加。

额定容量：在环境温度为25℃±3℃条件下，充满电的电池以额定电流（或者额定功率）放电至终止电压时所应提供的电量，单位为安时（Ah）。

额定能量：在环境温度为25℃±3℃条件下，充满电的电池以额定电流（或者额定功率）放电至终止电压时所应提供的能量，单位为瓦时（Wh），1度电等于1kWh。

质量比能量（质量能量密度）：单位质量输出的能量，单位为Wh/kg。

体积比能量（体积能量密度）：单位体积输出的能量，单位为Wh/L。

充电终止电压（上限保护电压）：单体/模组/电池包充电时要求的最高充电电压值，单位为伏特（V）。

放电终止电压（下限保护电压）：单体/模组/电池包放电时要求的最低放电电压值，单位为伏特（V）。

开路电压：外电路处于断路状态时的电池电压。循环寿命：能经受的充电放电次数（一个循环）。荷电状态（SOC）：电池剩余容量与完全充电状态的容量比值，用百分数表示，取值范围0～100%。

电池健康度（SOH）：当前电池相对于新电池存储电能的能力，用百分比表示。

充放电倍率（nC）：电池充放电时采用额定容量电流的多少倍来确定充放电电流。n是有单位的系数，单位是“1/h”。

3.动力电池报警等级

报警等级分为三级，1级最高，3级最低。

1级：表明动力电池功能已经丧失，请求其他控制器在1s内停止充电/放电，如果超过1s内未做响应，BMS在2s后强行停止充电/放电，立即断开高压继电器。

2级：表明动力电池功能已经丧失，请求其他控制器停止充电/放电；其他控制器应在60s内响应，如超过60s，则报上一级故障。

3级：表明动力电池性能下降，电池管理系统降低最大允许充电/放电电流。

三、动力电池系统

动力电池系统由电池箱外壳、电池包、电池管理系统、辅助元器件4部分组成，如图7所示。

图7 动力电池箱

1.外壳

电池箱安装在车辆底板下方，下壳体材质为铸铝或钢板，上壳体材质为玻璃钢，上下壳体之间有密封胶，后侧面设有高压插接器、低压插接器，上方设有维修开关。电池箱密封等级为IP67，“6”表示防护灰尘进入，“7”表示在深1m的水中防浸泡30min。

2.电池包

以某车型举例，采用磷酸铁锂电池，单体额定电压3.2V，连接方式1P100S，如图8所示。每个模块只有1个单体，10个模块串联的模组有4个，12个模块串联的模组有5个，电池包模块数=10×4+12×5=100个，电池包额定电压=3.2V×100=320V。

图8 1P100S电池包

电池包容量（Ah）=模块容量=单体容量×并联单体个数。

电池包能量（VAh）=电池包额定电压×电池包容量。

可以看出，并联单体的个数越多容量越大，串联模块的个数越多能量越大。例如EV200磷酸铁锂电池包额定电压320V，额定容量80Ah，电池包能量=320×80=25.6kWh。

北汽新能源汽车公司EV200纯电动车装备两种动力电池，见表1，可以看出三元锂电池的各项性能均好于磷酸铁锂电池。

表1 EV200动力电池

3.电池管理系统

（1）电池管理系统组成。包括硬件和软件，硬件由主控盒BMS、从控盒、高压盒、电压采集线、电流传感器、温度传感器、电池内部CAN总线等组成，如图9所示。软件由监测电压、监测电流、监测温度、监测绝缘电阻、SOC估算等程序组成。

图9 电池管理系统框图

（2）主控盒的作用。如图10所示：①接收从控盒发来的实时模块电压和模组温度，并计算最大值和最小值；②接收高压盒发来的总电压和总电流；③通过新能源CAN与VCU、充电机等通信，通过快充CAN与直流充电桩、数据采集终端通信；④控制充放电电流（执行部件是车载充电机、直流快充桩和电机控制器）；⑤控制动力电池加热。

图10 主控盒作用

（3）从控盒作用。亦称作电池信息采集盒，如图11所示：①实时监控每个模块电压；②实时监测每个模组的温度；③监测SCO值；④将以上监测到的数据传送给主控盒。

图11 从控盒作用

主控盒大多安装在电池箱内，也有安装在电池箱外。安装在电池箱内的，采取1主N从，称作分布式；主从合一称作集中式，如图12所示，这种型式如线束破损则容易产生安全隐患，还容易使BMS短路而烧毁。

图12 集中式BMS

（4）高压盒作用。如图13所示：①监控动力电池总电压，包括主继电器的内外四个监测点（主正继电器内、主正继电器外、主负继电器内、主负继电器外）；②监测充放电电流；③监控高压系统绝缘性（见后面介绍）；④监控高压连接情况；⑤将以上监测到的数据传送给主控盒。

图13 高压盒相关电路

（未完待续）