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蓄电池基础知识   一. 电池分类 蓄电池通常简称电池，是将化学能转化成电能的一种装置，常见类别如图 3-1 所示。电池内部的电化学特决定了该电池是否可以充电。可充电电池内部结构之间所发生的化学反应是可逆的，也叫做二次电池，新能源汽车上的动力蓄电池均为二次电池。一次电池只能作为一次 放电使用，它内部结构简单且不支持这种变化，例如日常生活中使用的干电池。   图 3- 1 电池分类 曾经以日韩企业为首的电池技术企业，很早以前就将蓄电池的封装种类归为了三大形式：圆柱形、方形和软包。直观上， 它们的区别只是形状不同， 但其在技术开发和应用上也有着显著不同。  1 圆柱形电池  圆柱形电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细且渗透性很强的聚乙烯、聚丙烯或聚 乙烯与聚丙烯复合的薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成，如图 3-2 所示。目前在制造标准上， 只有圆柱形电池具有一致性。例如，人们熟知的圆柱形电池分为 18650 、21700 等型号，型号 中间的数字代表了圆柱形电池的尺寸标准。以 18650 型为例，它是目前最为成熟的圆柱形电池尺 寸标准，而 21700 正在经历不断的技术进步，今后有可能取代 18650 型，成为新能源汽车的 首选圆柱形电池产品。  图 3- 2 圆柱形电池结构  2 方形电池  方形电池通常是指铝壳或钢壳方形电池，其结构如图 3-3 所示。随着近些年汽车动力蓄电 池的兴起， 续驶里程与电池容量之间的矛盾日渐凸显， 国内动力蓄电池厂商多采用电池能量密码 较高的铝壳方形电池， 因为方形电池的结构较为简单， 不像圆柱形电池那样需要采用强度较高 高的不锈钢壳体及防爆安全阀等附件，所以整体附件重量较轻，相对能量密度较高。 与圆柱形电池相比，方形电池的可塑性更强，可以根据搭载产品的具体需求进行定制化设计 计，从而导致了其尺寸规格不一。目前，无论是制造工艺或者应用标准，方形电池都没有圆柱 像成那样清晰的标准划分。但也正因为其灵活性高， 可以根据车型需求对方形电池尺寸进行 定制化设计，从而不会受到圆柱形电池尺寸标准的限制。  图 3- 3 方形电池结构  3 软包电池 软包电池只是液态锂离子电池外套上一层聚合物外壳，采用铝塑包装膜，结构如图 3-4 所示。软包电池因为采用了叠加的制造方式，所以追求的是更加纤薄的体积，在相同的容量密度 下，其重量是最轻的。软包电池也可以根据应用需求进行定制，小到手机电池的大小，大到可 以及应用在新能源汽车上。 软包电池被视为移动设备上的首选，在汽车应用上，也因为其体积的可控性而被汽车品牌 所看重的，尤其是针对插电式混合动力汽车，在兼顾整车布局和重量方面，软包电池的体积优势 更加明显。 图 3- 4 软包电池结构 二. 镍氢电池 1 镍氢电池的结构 镍氢（Ni-MH）电池是由氢离子和金属镍合成的，电量储备比镍镉电池多 30%，比镍镉 电池更轻， 使用寿命也更长， 并且对环境无污染， 现在主要应用于混合动力电动汽车。 镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池高得多，性能要比锂离子电池差一些。镍氢电池中的金属部分是金属氢化物，主要分为两大类，即 AB5 和 AB2。 最常见的是 AB5，“A”表示稀土元素的混合物或者再加上钛（Ti ）；“B”则表示镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn），或者还有铝（Al）。一些含有多种成分的高容量电池，其电极主要由 AB2 构成，“A”表示钛（Ti）或者钒（V）；B 则表示锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和锰（ Mn ）。镍氢电池结构如图 3-5 所示。 图 3- 5 镍氢电池结构 2. 镍氢电池的工作原理 2 镍氢电池的工作原理 镍氢电池是一种碱性电池，其负极采用由储氢材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用 氢氧化镍电极（简称镍电极），电解质为氢氧化钾水溶液。镍氢电池充电时，氢氧化钾电解液 中的氢离子会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气，以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。 镍镉、镍氢电池的充电过程非常相似，都要求恒流充电，以防止电池过充电。充电器对电 池进行恒流充电，同时检测电池的电压和其他参数。为避免损坏电池，电池温度过低时不能打开 始快速充电，当电池温度低于 10℃时，应转入涓流充电方式。而一旦电池温度达到规定数值 后，必须立即停止充电。 3. 镍氢电池型号说明 3 镍氢电池型号说明 通常电池体上的 AAA、AA、C、D、N、F、SC 等标识都是美国型号标识。在我国，除了几种电池按“号”称呼之外，其他还是采用美国的命名方式。 此外，二次锂电池的型号采用五位数 （圆柱形）或六位数（方形）表示，如 14500、103450 等。常见电池型号、尺寸对照见表 3-1。
表 3-1 常见电池型号、尺寸对照表 平头电池是指电池正极是平的，没有凸起，主要适合做电池组点焊使用的电池芯。一般同等型号的尖头电池（可以用作单体电池供电的），在高度上比平头电池多 0.5mm。有些电池并不是 AAA 、AA 、A 、SC 、C 、D 、N 、F 等主型号，而是带有 1/3 、2/3 、1/2 、2/3 、4/5 、5/4、 7/5 等分数，这些分数表示电池体高度与标准型号电池高度的比值。例如， 2/3AA 表示电池高 度是一般AA 型电池的 2/3 ；4/5A 表示电池高度是一般A 型电池的 4/5。 根据国际电工委员会（IEC）标准规定，镍镉和镍氢电池标识由以下五部分组成。 （ 1 ）电池种类 ：KR 表示镍镉电池；HF 表示方形镍氢电池；HR 表示圆柱形镍氢电池。 （2 ）电池尺寸 ：包括圆柱形电池直径 / 高度，方形电池宽度 /厚度/ 高度，各数值之间用 斜杠隔开，单位为 mm。 （3 ）放电特性符号：L 表示适宜放电电流倍率在 0.5C 以内；M 表示适宜放电电流倍率在 0.5 ~ 3.5C 范围内；H 表示适宜放电电流倍率在 3.5 ~ 7.0C 范围内；X 表示电池能在 7 ~ 15C 的高倍率放电电流下工作。 （4 ）高温电池符号：用 T 表示。 （5 ）电池连接片种类：CF 代表无连接片；HH 表示电池带串联连接片；HB 表示电池带并 联连接片。 例如， HF18/07/49 表示方形镍氢电池，宽 18mm、厚 7mm、高 49mm；KRMT33/62CF表示镍镉电池，放电倍率在 0.5 ~ 3.5C 之间，高温系列单体电池，无连接片，直径 33mm、高度 62mm。 4 镍氢电池的应用特性 大功率的镍氢电池广泛应用于油电混合动力车辆中，最具代表性的例子是丰田普锐斯，该车使用了特别的充放电程序， 电池充放电寿命可足够车辆使用十年。 虽然镍氢电池的质量比锂离子电池大，但仍然有部分新能源汽车使用镍氢电池。从每个单体电池的电压来看，镍氢与镍镉电池的标称电压都是 1.2V。 镍氢电池的主要应用特性见表 3-2。
表 3-2 镍氢电池的主要应用特性 三、锂离子电池 01 锂离子电池的结构 锂离子电池大多是以正极材料作为命名的主要依据，例如：磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂 作为正极材料的锂离子电池；三元锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂 Li（NiCoMn ）O2 的锂 离子电池。锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜和外壳构成。其中正极材料、负极材料、电解质、隔膜被称为锂离子电池的四大核心组件。 （1）正极材料：正极材料是决定锂离子电池性能的关键材料之一，其性能和价格对锂离子 电池的影响较大。目前研制成功并得到应用的正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、三元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）等。在锂离子电池中，正极材料占有较大比例（正、负极材料的质量比为3∶1~4∶1）。 （2）负极材料:锂离子电池的负极材料是充电过程中，锂离子和电子的载体，起着能量存储与释放的作用。负极材料占电池成本的5%~ 15%，碳材料是目前锂离子电池应用最为广泛的负极材料。 （3）电解液:电解液是锂离子电池中用于传输锂离子的载体，通常由锂盐和有机溶剂组 成。电解液在锂离子电池正、负极之间起到传导锂离子的作用。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐以及相关的添加剂等材料，在一定条件下、按一定比例配制而成。 （4 ）隔膜:隔膜位于电池的正、负极板之间，起到绝缘作用，是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的截面结构及内阻，直接影响电池容量、循环寿命以及安全性能等特性。隔膜的主要作用是将电池的正、负极分隔开，防止两极接触而短路，此外还具有使电解质锂离子通过的功能。 由于锂离子电池正、负极使用的材料和制作工艺不同，其性能参数也存在一定的差异，性能参数对比见表 3-3。其中钴酸锂电池由于稳定性较差、价格较高等原因，很少用作动力蓄电池。
表 3-3 锂离子电池性能参数对比 2 锂离子电池的工作原理 （1）放电过程 虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。锂离子电池放电时，电子和锂离子 Li+ 同时运动，电子从负极经过外电路导体跑到正极， Li+ 从晶状体结构负极“脱 插”进入电解液里，“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 来的电子结合在一起，如图 3-6 所示。 图 3- 6 放电过程 （2）充电过程 充电时，晶状结构正极材料上的锂分成锂离子和电子，电子通过外部充电，电路跑到负极上， Li+ 从正极“脱嵌”进入电解液里，“穿过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“嵌入” 晶状体结构负极，与电子结合在一起。由于Li+ 从正极“脱嵌”，经过电解质插入负极，因此负极处于富锂状态，如图 3-7 所示。 图 3- 7 充电过程 3 锂离子电池的型号 不同的锂离子电池生产厂家有不同的命名规则，但通用型电池大都遵循统一的标准，根据 电池的名称就可以知道其尺寸等信息。IEC 规定，圆柱形和方形电池的型号命名规则如下： （ 1 ）圆柱形电池 其型号用三个字母后跟五个数字表示。三个字母中，第一个字母表示负 极材料，其中 I 表示有内置的锂离子， L 表示锂金属或锂合金电极；第二个字母表示正极材料， C 表示钴， N 表示镍， M 表示锰， V 表示钒；第三个字母为 R，表示圆柱形。五个数字中， 前 两个数字表示直径，后三个数字表示高度，单位都为 mm。 （2 ）方形电池 其型号用三个字母后跟六个数字表示。三个字母中，前两个字母的意义和 圆柱形电池一样；后一个字母为 P，表示方形。六个数字中，前两个数字表示厚度，中间两个 表示宽度，后面两个表示高度（长度），单位也为 mm。 例如：ICR 18650 表示直径为 18mm、高度为 65mm 的圆柱形电池；ICP 053353 表示厚 度为 5mm、宽度为 33mm、高度（长度）为 53mm 的方形电池。锂离子电池实物型号标识如 图 3-8 所示。 图 3- 8 锂离子电池实物型号标识 4 锂离子电池的应用特性 （1）电压高 锂离子电池单体由于使用的正极材料不同，其额定电压也有所不同，最高可 达 3.8V。锂离子电池的电压是镍镉、镍氢电池的 3 倍，是铅酸电池的近 2 倍，这也是锂离子动 力蓄电池比能量高的一个重要原因。 组成具有相同电压的动力蓄电池组时，所使用的锂离子动力蓄电池的串联数目会大大少 于铅酸电池和镍氢电池。而动力蓄电池中单体电池数量越多， 电池组中单体电池的一致性要求 就越高，寿命就越难以控制。在实际使用过程中，当电池组发生故障时，一般是其中一两个单 体电池出现问题，然后导致整组电池出现问题。因此，不难理解 48V 的铅酸电池比 36V 的铅 酸电池故障率高的原因，从这个角度上来讲，锂离子电池更适合作为动力蓄电池使用。例如， 36V 的锂离子电池组只需要 10 个单体电池即可；而 36V 的铅酸电池组则需要 18 个单体电池， 即 3 个 12V 的电池组，而每个 12V 的铅酸电池组又由 6 个单体电池组成。 （2 ）能量密度大 比能量大，高达 150W ·h/kg，是镍氢电池的 2 倍，是铅酸电池的 4 倍。因此， 锂离子电池的质量是相同能量铅酸电池的 1/4~1/3。从这个角度来讲，锂离子电 池消耗的资源就少，而且锰酸锂电池中所使用元素的储量也比较多。其体积小，能量密度高 达 400W ·h/L，体积是相同能量铅酸电池的 1/3~1/2，提供了更合理的结构和更美观的外形设 计条件、设计空间。 （3 ）寿命长 锂离子电池的循环次数可达 1000 ~ 3000 次。以容量保持在 70% 计算，电 池组 100% 充放电循环次数可以达到 2000次以上，使用年限可达 5 ~ 8 年，寿命为铅酸电池的 2 ~ 3 倍。随着技术的革新，锂离子电池的寿命会越来越长，性价比将越来越高。 （4 ）应用范围宽 低温性能好，可在 −40 ~ 55℃之间工作。而水溶液电池（如铅酸电池、 镍氢电池）在低温时，由于电解液流动性变差，会导致性能大大降低。 （5 ）无记忆 每次充电前不需要放电，可以随时随地进行充电。电池充放电深度对电池的 寿命影响不大，可以实现全充全放。 （6）无污染 锂离子动力蓄电池中不存在有毒物质，因此被称为绿色电池，是国家重点扶 持项目。而铅酸电池和镉镍电池由于存在有害物质铅与镉，国家必然会加强其监管和治理，相 应企业的成本也会增加。虽然锂离子电池没有污染，但从资源节约的角度考虑，需要综合考虑 锂离子动力蓄电池的回收安全性以及回收成本问题。 （7 ）安全隐患 由于锂离子动力蓄电池的能量高、材料稳定性较差，故容易出现安全问 题。2013年，世界上知名的手机和笔记本电脑电池（正极材料为钴酸锂和三元材料）生产企业， 如日本三洋、索尼等公司要求电池的爆喷率控制在40 个ppb （十亿分之一）以下，国内公司基 本上能达到 ppm （百万分之一）级别。 （8 ）价格高 相同电压和相同容量的锂离子动力蓄电池的价格是铅酸电池的 3 ~ 4 倍。随 着锂离子动力蓄电池市场的扩大、成本的降低、性能的提高，以及铅酸电池价格的提高，锂离 子动力蓄电池的性价比有可能会超过铅酸电池。 四.动力蓄电池的技术参数 动力蓄电池是确保新能源汽车能够正常工作的基础，因此，动力蓄电池性能的好坏显得尤 其重要。我国针对新能源汽车动力蓄电池系统建立了一系列的相关标准，其范围覆盖电芯、模 组、动力蓄电池包和动力蓄电池系统四个层面。涉及的产品类型包括混合动力电动汽车、插电式/ 增程式混合动力电动汽车、纯电动乘用车和商用车，已基本上了构成了一个完整的体系。常用动力蓄电池的主要技术参数如图 3-9 所示。 图 3-9 常用动力蓄电池的主要技术参数 1 额定电压 动力蓄电池的额定电压又称标称电压， 额定电压 = 单体电芯额定电压 × 单体电芯串联数。 动力蓄电池的实际工作电压是随着不同使用条件而不断变化的，其电压状态主要有以下几种： （ 1 ）开路电压 开路电压是指电池在没有连接外电路或负载时的电压。开路电压与电池剩 余能量有一定的联系，剩余电量显示利用的就是这个原理。 （2 ）工作电压 工作电压是指电池在工作状态下，即电路中有电流通过时，电池正、负极 之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，必须克服内阻的阻力，因此 工作电压总是低于开路电压。 （3）放电截止电压 放电截止电压是指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压。若 此时继续放电则为过度放电，对电池的使用寿命和性能会有很大的损伤。 （4 ）充电限制电压 充电限制电压是指充电过程中由恒流变为恒压充电的电压。 2 电芯容量（A·h） 电芯容量是指动力蓄电池能够储存的电量，是衡量电池性能的重要指标之一。 动力蓄电池 电芯容量 = 单体电芯容量 × 单体电芯并联数量。 电芯容量是由电池电极活性物质决定的，主要取决于活性物质的数量、质量以及利用率。 电芯容量用 C 表示，单位为 A ·h （安 ·时）或 mA ·h （毫安 ·时）。它等于放电电流（ A ）× 放电时间（ h），即 C = It。 3 额定能量（kW·h） 动力蓄电池的额定能量是衡量其性能的重要指标之一，单位为 kW ·h （千瓦 ·时）。 动力蓄电池的额定能量 = 动力蓄电池的额定电压 × 动力蓄电池的电芯容量。 额定能量是汽车厂商公布的电池储备电量大小的度量。1kW ·h 的物理意义是功率为 1kW 的电器工作 1h 所消耗的电能。 在日常生活中， 1kW ·h 即1度电。 4 能量密度（W·h/kg） 能量密度是指电池单位体积或单位质量所释放出来的能量，通常用体积能量密度（ W ·h/L） 和质量能量密度（W ·h/kg）表示。常见电池能量密度对比见表3-4。 表 3-4 常见电池能量密度对比
5 电池内阻 电池内阻是指蓄电池工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻主要是由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成的，与电池的尺寸、结构、装配等因素有关。 电池的内阻不是常数，而是在充放电过程中随时间不断变化的。这是因为活性物质的组成、电解液的浓度和温度都在不断地改变，不同类型电池的内阻不同。即便是相同类型的电池，由于内部化学特性不一致，其内阻也不一样。电池的内阻很小，一般以 mΩ 为单位来定义它。内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标，正常情况下，内阻小的电池，其大电流放电能力强；内阻大的电池，其放电能力就弱。 6 剩余电量（SOC） 剩余电量是指动力蓄电池内部的可用电量占标称容量的比例，是电池管理系统中的一个重要监控数据，电池管理系统根据 SOC 值控制电池的工作状态。 7 充放电倍率（C） 充放电倍率用来表示电池充放电时电流大小的比率，即倍率。 充放电倍率 = 充放电电流/ 额定容量。 例如，额定容量为 100A ·h 的电池用 20A放电时， 其放电倍率为 0.2C。电池放电倍率的 1C 、2C 、0.2C 是指电池的放电速率，是放电快慢的一种 量度。所有的容量 1h 放电完毕，称为 1C 放电；5h 放电完毕，则称为（ 1/5 ）C = 0.2C 放电；对于 24A ·h 电池来说， 2C 放电电流为 48A，0.5C 放电电流为 12A。 8 放电深度（DOD） 在电池的使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很大的关系。二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，这 会导致电池的使用寿命变短，因此在使用时应尽量避免深度放电。 五.动力蓄电池成组技术 1 术语解释 根据 GB/T 19596—2017 的定义，动力蓄电池系统（动力蓄电池包）是指一个或一个以上 蓄电池包及相应附件（蓄电池管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成）构成的为电动汽车整车的行驶提供电能的能量存储装置。 （ 1 ）单体蓄电池 单体蓄电池是将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括 电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电的，也称作电芯。单体蓄电池在物理结 构上是构成动力蓄电池包或动力蓄电池系统的最小单元，可作为一个单元替换。 （2 ）蓄电池电芯组 一组并联连接的单体蓄电池，可能包含监测电路与保护装置（如熔断器等）。 注意： 蓄电池电芯组没有固定的封装外壳、电子控制装置，且没有确定的极柱布置，不能 直接应用到车辆上。 （3 ）蓄电池模块 将一个以上的单体蓄电池按照串联、并联或串并联的方式组合起来，并 作为电源使用的组合体，也称作蓄电池组。 （4 ）蓄电池管理系统 监视蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态等）， 可以为蓄电池提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备间通信接口的系统。 （5 ）动力蓄电池箱 用于盛装蓄电池组、蓄电池管理系统以及相应的辅助元器件，并包含 机械连接、电气连接、防护等功能的总成，简称蓄电池箱。 （6）蓄电池包 通常包括蓄电池组、蓄电池管理系统、蓄电池箱及相应附件（冷却部件、连 接电缆等），具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元。蓄电池包的生产流程如图3-10 所示。 图 3- 10 蓄电池包的生产流程 2 动力蓄电池成组技术要点 在纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车中，单体蓄电池难以满足电压需求，需要将若干 个蓄电池单体和模块通过串并联的方式组合成蓄电池包，蓄电池成组技术如图 3-11 所示。串联 可以增加电压，但是容量不变；并联可以增加容量，但是电压不变。 图 3- 11 蓄电池成组技术 蓄电池的连接方式通常用 ××P ××S 表示。例如：3P91S 表示由 3 个单体电池并联成一组，共有 91 组串联在一起；1P100S，表示由 100 个单体电池串联而成。 北汽EV160 纯电动汽车的电芯组成方式是 1P100S，即将 100 个磷酸铁锂单体电池串联在一起，组成了车辆的动力蓄电池 组；而北汽EV200 纯电动汽车的电芯组成方式是 3P91S，即该电池包是由 3 个三元锂电池单体 并联组成一个模块，再用 91 个这样的模块串联成一个整体，构成了动力蓄电池总成。 （ 1 ）电池均衡 组合的电池数量越多，电池组的可靠性越差。在进行电池组合时，应采用 同一系列、同一规格的电池，这就是常说的电池均衡问题。动力蓄电池的一致性差是指一组电 池内，单体电池之间出现的剩余容量差异过大、电压差异过大等情况，从而导致新能源汽车的 续航能力下降。造成动力蓄电池组内单体电池一致性差的主要原因有以下几点： 1 ）生产工艺差异。 由于电池材料、存放时间、生产工艺等原因，导致各单体电池之间不 可避免地存在差异。改善电池的生产制造工艺，从生产上尽可能保证电池的一致性，使用同 一批次的电池进行配组，这种方法有一定效果，但无法完全解决一致性差的问题。电池组使 用一段时间后， 仍会出现一致性差的问题， 如果不能及时处理， 则问题会愈加严重， 甚至会 发生危险。 2 ）温度差异。 在新能源汽车上，蓄电池的安装位置不同，热环境也存在一定的差异；即 使是在同一位置的电池，由于通风条件的不同，也会导致单体电池之间的温差，造成电池包温 度不均匀，还有可能出现局部高温的情况。 3 ）放电倍率差异。 同一种电池具有相同的放电倍率，随着电池的使用容量会产生变化， 导致最佳放电电流不同。 4 ）放电深度差异。 放电深度是表示蓄电池放电状态的参数，等于实际放电容量与可用容 量的百分比。新能源汽车的续驶里程主要是由动力蓄电池的容量决定的， 电池放电深度的不同 会导致一致性变差。 5 ）可用容量差异。 在充电过程中，容量偏小的电池将提前充满电，为使电池组中其他电 池也能够充满电， 小容量电池必将出现过充电现象。如果为了避免小容量电池发生过充电而提 前结束整个蓄电池系统的充电， 则会导致其他容量偏大的电池处于欠充电状态。这种情况不仅 会影响电池组的充电过程，还会影响电池的使用寿命，甚至会带来安全隐患。动力蓄电池组一 致性差的成因及其传递过程如图 3-12 所示。 图 3- 12 动力蓄电池组一致性差的成因及其传递过程 （2 ）电池安全 单体电池通过并联、串联或串并联方式成组后，作为一个整体对外工作时的安全问题是新能源汽车的核心问题， 也是整个社会都极度关注的问题。电池安全是电池技术 实现革命性突破的第一重点， 也是促进纯电动汽车性能提升的关键。关于动力蓄电池系统的安 全问题，概括起来有 8 个方面。 1 ）电芯安全。 通过电芯、电池模块标准化来改善电芯安全。在设计方面，把电芯的设计 问题集中暴露出来并集中处理，生产设备的标准化程度也会相应高一些。通过标准化，可以把 优秀的设备配套商和零配件配套商的经验向行业推广，这样可以整体提高电池行业的安全技术 水平。电芯标准化可以减少低层次劳动的重复，对电芯的安全性能有很大的提升，更多厂商做 同一个标准的电芯，电芯成本会下降，安全性会提高。 2 ）成组安全。 相对于单体电池来讲，锂电池成组应用是新能源汽车的关键。新能源汽车 的动力蓄电池需要由多只单体电池串并联组成，此时成组应用一致性差的问题就会凸显出来。即使是在电池出厂时一致性偏好的情况下， 只要在新能源汽车特有工况环境（电池在电动汽车 上的摆放位置不同、温度场不同等） 下应用一段时间， 因电池组串并联引起的电化学特性的改 变就会显现出来， 从而导致电池组中某一单体电池由于过充电或过放电等原因率先失效， 影响 电池组的安全性和循环寿命。动力蓄电池系统热管理功能的设计， 对保证电池成组后的安全性 非常重要。温度对电池电压的影响很大，热管理功能设计得好，热量均衡， BMS 便可对每个电 芯做精确的检测、管控和预警。 3 ）电池管理。 动力蓄电池管理系统（BMS）是对新能源汽车动力蓄电池组进行安全监控 及有效管理的装置。它能够提高新能源汽车电池的使用效率、增加续驶里程、延长使用寿命、 降低运行成本、提高电池组可靠性，进而有效提升新能源汽车整车品质。BMS 主要由控制模 块、均衡电源模块和检测模块三部分构成。 4 ）设计安全。 目前，将镍钴锰三元电池作为乘用车动力蓄电池的主流技术路线，在我国新 能源汽车产业中已得以确立，原本二分天下的磷酸铁锂电池已逐步“黯然退出”。 采用磷酸铁锂 动力蓄电池的新能源乘用车在2017 年之后的市场上已经很少见到；而在对动力蓄电池安全性要 求非常高的公共交通领域， 磷酸铁锂电池依然占重要地位， 虽然其单体成组效率高、工作温度 范围宽泛、在 400℃以上依然不会出现大面积热失控，但依然无法与强大的产业政策相抗衡。 2017 年，在我国新能源汽车动力蓄电池行业，镍钴锰三元电池普遍采用的是配方比例为1 ∶1 ∶1 的镍钴锰三元正极材料，动力蓄电池的单体能量密度约为 170W ·h/kg ； 到 2018 年， 全行业的镍钴锰三元配方比例变成了 5 ∶ 2 ∶ 3，动力蓄电池的单体能量密度约为 210W ·h/kg ；而在 2018年即将结束的时候，国内某动力蓄电池龙头生产企业迫不及待地宣布将大规模投产配 方比例为 8∶1 ∶1 的镍钴锰三元电池，动力蓄电池的单体能量密度将超过 300W ·h/kg。 高镍三元电池的良品率、内阻一致性、焊接工艺、散热系统效能以及 BMS 等中的任何 一项有问题， 都会导致极其严重的后果。各种电池材料、电池结构均有优缺点， 对安全性的 影响程度也不相同，只要设计科学、制造精密，在一定程度上都可以制造出安全性可以接受的动力蓄电池。 5 ）充电安全。 新能源汽车使用中的安全问题是事关用户生命财产安全和产业发展的底线， 而为车辆充电是用车过程中的重要环节。充电安全主要涉及信息安全、电气安全和消防安全三个方面。 ① 信息安全。充电场所中的扫码充电存在信息安全隐患。目前，通过扫描二维码来完成充 电设施的启停和充电的支付结算是很多充电运营企业的选择，如果运营企业仅是将一张打印好 的二维码张贴到充电桩上供用户使用，这样的方式是存在信息安全隐患的。 ② 电气安全。新能源汽车的公共充电设施需要面向近百家车企的数千个车型提供充电服 务，大多存在“高压带电、放置室外、无人值守”的现象。充电设备本体的安全风险逐渐得到 了人们的重视，可以通过充电设备硬件电路的设计来降低风险。例如，使用带有保护功能的电 气元件来降低风险，通过软件来监测是否超限、过充电等。在绝缘防护、漏电保护和充电过程 绝缘监测等方面加强风险管控，防止人身触电。 ③ 消防安全。消防安全始终贯穿整个充电过程以及充电场地的全生命周期。在 GB/T 51313— 2018 《电动汽车分散充电设施工程技术标准》中，就消防安全问题进行了较为详细的阐述和 规定。 6 ）使用安全。 通过使用防火材料，或在防火结构上做防火隔热处理等方式，延缓热失控 的扩散过程。增加烟雾检测、化学成分检测、温升检测等环节，通过检测发现早期单体热失 控，并给驾驶人和乘客发出警报，提醒人员逃生。 目前，电动客车国家标准正在推动增加灭火装置，在整车设计方面要增加安全逃生装置。新能源汽车和传统燃油汽车不一样， 动力蓄电池是车辆的唯一动力来源， 在车辆发生严重故障 的情况下，如果通过切断供电电路的方式进行控制，车门有可能会打不开。所以在整车设计 上，如果能增加可以快速、方便打开的逃生门或者其他逃生装置，将是一个可行的选择。 7 ）安全预警。 根据新能源汽车国家标准，可以通过互联网把整车控制器（VCU）收集到 的 BMS信息上传到云端进行大数据分析。监控平台不断收集新能源汽车的工况数据、报警数 据、诊断数据等并进行实时分析，向用户提供精准报警推送和智能预警分析结果。当新能源汽 车出现安全问题时，通过预警装置可以提醒驾驶人靠边停车，提高了安全预警的可靠性。 8 ）日常维护。 现在新能源汽车的一些问题源自没有日常维护标准或国家强制检测标准。传统燃油汽车都有强制检测，而新能源汽车作为新生事物，其安全性、可靠性还没有达到传 统燃油汽车的级别。究竟是每隔 3 个月、 6 个月，还是 1 年进行维护检测，应该检测哪些项目 （系统密封性、电气可靠性、连接可靠性等），都缺少相关的标准。 新能源汽车几乎不需要维护，但实际上这与安全意识背道而驰。因此，国家应该制定新能 源汽车的强制检测标准， 整车厂也应该有强制检测的项目要求， 制定新能源汽车的日常维护流 程及国家的相关法律规定是非常紧急和必要的。 ——以上内容节选自《新能源汽车维修入门彩色图解》 《新能源汽车维修入门彩色图解》内容分为三大部分：第壹部分主要讲解新能源汽车基本概念、高压安全防护、整车结构、安全操作等内容；第二部分主要讲解新能源汽车动力蓄电池、驱动电机以及整车控制系统三大技术核心的结构、原理与维修；第三部分主要讲解新能源汽车空调系统结构原理与维修、新能源汽车维护与PDI等内容。本书将新能源汽车理论知识与实际维修作业项目有机结合，侧重解决实际工作中遇到的问题。 《新能源汽车维修入门彩色图解》图文并茂、通俗易懂、层次分明、突出实用性，注重职业能力的培养与提升。 |
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