新能源汽车锂离子动力电池系统应用技术

摘要：随着我国经济的不断发展，各种不可再生资源的利用量日益增大，不仅加剧了资源的过度消耗，而且对环境也造成了破坏，因此必须不断提升环保节能意识，加强对能源安全和环境保护的重视。新能源汽车有无污染、能源清洁的优势，在新时代形势下得以快速发展。锂离子动力电池的性能较好，在新能源汽车中得到了广泛的应用，不仅起到了节能减排的效果，而且能满足新能源汽车后续的发展需要。由此，针对新能源汽车中锂离子动力电池系统应用技术进行探讨与分析。

关键词：新能源汽车；锂离子动力电池；系统应用；技术分析

中图分类号：U469 收稿日期：2023-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.008

1 前言

在新能源汽车市场的快速发展中，锂离子动力电池起到了关键性的作用。锂离子电池具备环保节能的优势，得到新能源汽车以及相关行业的特别重视。锂离子电池含有隔膜器锂电材料，在使用过程中可以充分发挥其技术壁垒性能。但是目前我国的隔膜系生产技术水平不是很高，致使锂离子动力电池发展受到一定的限制。因此，必须加强对新能源汽车锂离子动力电池系统应用技术的发展，对相关技术应用进行改善，不断推动动力电池系统技术的应用推广，逐渐提高其使用性能，才能确保新能源汽车的可持续发展。

2 锂离子动力电池的原理

新能源汽车在使用过程中，锂离子动力电池是其主要的动力源，是当下新能源汽车普遍的基础配置。动力电池在新能源汽车得到了广泛使用，推动了锂离子动力电池技术的快速发展，同时也促进了新能源汽车的可持续发展。以前，动力电池通常采用铅酸动力电池、镍氢碱性电池、镍隔酸性电池类型，现在通常采用锂离子动力电池。

根据电池所采用电解质材料的不同，可以将电池分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池。两种电池的区别在于电解质的不一样，液态锂离子电池使用的是液体电解质，聚合物理离子电池通常采用聚合物电解质。但是无论是哪种形态的电池，它们所采用的正负极材料都是相同的物质，工作原理也是一致的。

锂离子动力电池在使用原理上通常表现为锂离子浓差电池的机理，电池的正负电极都是利用不同的锂离子嵌入化合物而形成的。电池正极常用的锂化合物包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO4；电池负极常用的是锂碳层间化合物LiC6，而电解质常见的是LiPF6、LiAsF6等有机溶液。电池的充电和放电过程是利用锂在正负电极间的往返嵌入和脱嵌所形成的。

当电池在充电期间，锂离子从电池的正级脱嵌，在经过电解质后再嵌入到电池的负极，这时的负极便处于富锂状态，而电池的正极处于贫锂状态，同一时间电子的补偿电荷便会从外电路提供到碳负极，从而维持负极的电平衡。电池的放电原理与充电时相反，放电时锂从负级脱嵌，然后经过电解质再嵌入到电池的正极，这时正极的锂处于富态状态，而负极的锂处于缺少状态。

所以当电池在正常的充放电情况下，锂离子从所在的层状结构碳材料以及层状结构氧化物的层间嵌入和嵌出，都只能引起层面间距的普通变化，不会对锂离子的晶体造成破坏。电池在放电过程中，正负级所使用的材料化学结构发生变化的几率较低。因此，观察锂离子电池的充放电状态得知，锂离子电池的反应属于理想中的可逆反应。

3 锂离子动力电池的性能

锂离子动力电池使用时优势较多，具有安全、可靠及兼顾充电效率等方面的性能。电池在充电期间，通常采用两段式的充电方法，第一阶段采用恒流限压方式，第二阶段采用恒压限流方式。锂离子电池在使用期间和使用前期的电压比较稳定，电力的消耗比较缓慢，但是在后期使用时，电压会出现快速下降。所以在后期使用时，必须对电池进行有效控制，防止电池迅速放电而破坏的电池内部结构，从而造成不可逆的损伤。锂离子动力电池在充电过程中，可以对电池组进行大流量的充电，等到电压达到一定的限压后，便在后期使用恒压充电方式，这种方式不仅可以减少充电的时间，同时也可确保充电的安全性。锂离子电池在充电过程中，充电电流的大小会直接影响到电池的整体性能，所以充电时如果电流较大，会导致电池组内阻耗加大。由此可知，在锂离子动力电池充电过程中，必须要综合各种因素，选择适中的充电电流，有效控制电池组内阻能的消耗，提升电池的使用性能。锂离子电池工作原理图如图1所示。

4 锂离子动力电池的主要材料

4.1 负极材料

负极材料的合理应用，是有效决定锂离子电池整体性能的因素之一。负极材料必须具备比容量较高、容量衰减率较小、安全性能较高等优势，才能合理地将其利用到锂离子动力电池中。

4.2 石墨

石墨是在锂离子动力电池碳材料里应用最广、最早、最多的材料之一，也是被人们研究得最早的材料之一。石墨具有一定的优势，它本身含有完整的层状晶体结构，属于层状结构布局，所以更有利于在锂离子电池中得到利用，方便锂离子的脱嵌，更能形成锂与石墨层之间的一种化合物。石墨具有良好的充放电压性能，可以与锂源正极材料进行良好的匹配使用，利用石墨所形成的电池组可以平稳输出电压，所以是性能较好的一种锂离子电池负极材料。锂离子电池负极材料结构如图2所示。

4.3 氧化物

氧化物是当下人们极为关注的一种负极材料，其中包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化物。但是金属氧化物、金属基复合氧化物虽然使用时有着较高的理论比容量，但是从氧化物中进行置换时，金属单质会消耗大量的锂，从而降低电池的容量性能，直接降低电池高容量的优势。由于氧化物所形成的负极材料循环寿命较长，充电和放电的效率都可以达到100%，所以目前在储能型锂离子电池中得到了广泛的应用。

4.4 金属锂

金属锂是最早使用的电池负极材料，它的使用优势也较多，其理论比容量较大，所以金属锂在商业化的电池中得到广泛应用。金属锂电池在充电过程中，电池负极会开成枝晶，很容易导致电池出现短路情况，所以人们现在普遍使用石墨、氧化物等替代原来的金属锂的负极材料。

5 新能源汽车锂离子动力电池系统应用技术分析

5.1 电池材料技术

锂离子电池的性能主要受到电池材料的影响，包括正负极材料、电解质和隔膜材料等。目前，正极材料主要采用锂铁磷酸铁锂、锂镍锰钴酸三元材料等，负极材料则采用石墨。电解质和隔膜材料在研发中也在不断改进，以提高电池的能量密度、安全性和寿命。同时，随着科技的不断发展，研究人员也在寻找更加优化的材料来改善锂离子电池的性能。

正极材料的选择对电池性能起着重要作用。锂铁磷酸铁锂作为一种常见的正极材料，具有较高的安全性和循环寿命，但其能量密度较低，限制了电池的续航能力。为了克服这一问题，研究人员正在开发更高能量密度的正极材料，如锂镍锰钴酸三元材料。相比于锂铁磷酸铁锂，锂镍锰钴酸三元材料具有更高的能量密度，能够为电池提供更长的使用时间。

负极材料也是影响锂离子电池性能的关键因素之一。目前，石墨是最常用的负极材料，但其能量储存能力有限，导致电池的能量密度无法进一步提升。为了解决这个问题，研究人员正在寻找新型的负极材料，如硅和氮化硅等。这些材料具有更高的能量储存能力，能够显著提升电池的能量密度和续航能力。

5.2 电池管理系统技术

电池管理系统（BMS）负责监测、控制和保护电池的工作状态，包括电池温度、电压、电流等参数的实时监控和调节。BMS技术的发展能够提高电池的安全性和稳定性，延长电池的寿命，并提高整个动力电池系统的效率[4]。随着电动汽车的普及和需求的增加，BMS技术也在不断发展和创新。

一方面，BMS可以根据电池的工作状态进行实时监测和调节，确保电池在安全范围内运行。例如，BMS能够监测电池温度，一旦温度过高，BMS就会通过控制系统及时降低电池的工作温度，防止电池过热而损坏。

另一方面，BMS还可以监测电池的电压和电流，保证电池的正常运行和充放电过程的稳定性。通过实时监控和调节，BMS能够减少电池的能量损失，提高电池的效率，同时延长电池的使用寿命。除了实时监测和调节功能外，BMS还具备电池保护的重要作用。当电池出现故障或异常情况时，BMS能够及时发出警报并采取相应的措施，以保护电池以及整个动力电池系统的安全。

例如，当电池电压过高或过低时，BMS会自动切断电池与负载的连接，防止电池损坏或引发火灾等严重后果。另外，BMS还可以监测电池的剩余容量和健康状况，提前预警电池的寿命和性能衰减情况，为用户提供更精确的电池管理和维护建议。

5.3 快速充电技术

为了满足用户对快速充电的需求，新能源汽车锂离子动力电池系统需要具备快速充电技术。目前，国内外正在研发和推广的充电技术包括直流快速充电（DCFC）、交流快速充电（ACFC）以及无线充电等。

DCFC是当前应用最广泛、效率最高的充电方式之一。它采用直流电源将电能直接输送到动力电池中，大大缩短了充电时间。与传统的交流充电方式相比，直流快速充电技术能够将充电时间缩短至几十分钟甚至更短，为用户提供了更便捷的充电体验。

另一种快速充电技术是ACFC。与直流快速充电不同，ACFC技术利用交流电源将电能输送到动力电池中。它在某些特定情况下具备一定的优势，例如在停车场等公共场所设置交流充电桩，可以为多个车辆提供同时充电的服务，提高充电效率。

除了直流快速充电和交流快速充电技术，无线充电也受到了越来越多的关注。无线充电技术通过电磁感应或者电磁辐射将电能传输到汽车的动力电池中，免去了插拔充电线的繁琐步骤。用户只需将电动车停放在支持无线充电的区域，即可实现自动充电。这种技术的便捷性和无需人工干预的特点，使得无线充电技术在特定场景下具备广阔的应用前景。

6 结语

新能源汽车的运行，电池为主要动力源，所以对动力电池系统应用技术进行不断改善是重中之重。要不断引入各种新型环保的电池制作材料，不断优化电池制作技术，提高电池的使用安全性，才能保证电池的使用效率，更能促进新能源汽车的稳定持续发展。

参考文献：

[1]赵岩岩，刘定宏，李召阳，等.新能源汽车锂离子动力电池安全性分析[J].汽车与新动力，2023，6（1）：43-45.

[2]范成君.新能源汽车动力电池应用现状及发展[J].时代汽车，2022，（21）：102-104.

[3]谢振，张江红，熊俊.新能源汽车锂离子动力电池系统关键技术研究[J].有色金属工程，2022，12（10）：158.

[4]锂离子电池是新能源汽车主流动力选择[J].新能源科技，2022（7）：13-17.

[5]马建，刘晓东，陈轶嵩，等.中国新能源汽车产业与技术发展现状及对策[J].中国公路学报，2018，31（8）：1-19.

[6]韩超.锂离子动力电池行业的机遇与挑战[J]. 商用汽车，2016（增1）：31-33.

作者简介：

武珊，男，1991年生，助理工程师，研究方向为车辆工程。