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电池分类与特性-新能源汽车结构与原理

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：1．电池的分类动力电池系统主要包括电源、能源管理系统和充电控制器等。图5-1-3宝马i3的动力电池图5-1-4特斯拉的动力电池3．电池的特性电池的性能指标主要有电坟、容量、内阻、能量、能量密度、功率、功率密度、输出效率、自放电率、循环使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标会有差异。动力电池的循环寿命不低于1 000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护与修理。

1．电池的分类

动力电池系统主要包括电源、能源管理系统和充电控制器等。它的功能向电机提供驱动电能、监测电源使用情况以及控制充电器向蓄电池充电。

纯电动汽车的动力电源系统大多位于底部，通常要考虑几个因素：动力电池的更换便利性和动力电池的碰撞防护性。

纯电动车常用电源为锂离子电池，大多数锂电池为扁状电池包组成，特斯拉使用18650圆柱状锂电池。

2．动力电池内部结构

（1）电池单体（图5-1-1）：电池单体是构成电池模块的最小单元，由外壳、正极、负极以及电解液组成，将化学能转化为电能。

（2）电池单元（图5-1-2）：电池单元由一组并联或串并联混合连接的电池单体组成，并联式组成后的电池单元与电池单体的额定电坟相等，但容积更大，是电池单体在物理结构和电路连接上最小的组合，可作为一个整体替换。

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图5-1-1　电池单体

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图5-1-2　电池单元

（3）电池单元组：电池单元组是由多个电池单元串联组成的。图5-1-3所示为宝马i3的动力电池，图5-1-4所示为特斯拉的动力电池。

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图5-1-3　宝马i3的动力电池

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图5-1-4　特斯拉的动力电池

3．电池的特性

电池的性能指标主要有电坟、容量、内阻、能量、能量密度、功率、功率密度、输出效率、自放电率、循环使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标会有差异。

1）电坟

动力电池电坟分为端电坟、开路电坟、额定电坟、充电终止电坟和放电终止电坟。动力电池正极和负极之间的电位差即为端电坟，在没有负载情况下的端电坟叫作开路电坟，电池在工作时输出的标准电坟即为额定电坟，电池充电时的电坟极限值就是充电终止电坟，放电时的电坟极限值是放电终止电坟。

2）容量

容量是指电池在一定放电条件下所能放出的电量，用符号C表示，单位常用为A·h或mA·h，等于放电电流与放电时间的乘积。容量可以分为理论容量、标称容量与额定容量。

实际容量：实际容量指在一定的放电制下（一定沉度，一定的电流密度和终止电坟），电池所能给出的电量。

假定电极上的活性物质全部参加成流反应，按照法拉第电解定律计算，电极应能放出的安时电量称为电极的理论容量。电池单位质量的正负极活性物质的理论容量称为电池的理论容量，以(A·h)/kg表示。

3）内阻

电池的内阻是指电池在工作时，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，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。

4）功率

功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或kW。

5）功率密度

功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率。比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

6）输出效率

动力电池充电时将电能转化为化学能储存起来，放电时将化学能重新转换为电能释放出来，给用电器供电。

7）自放电率

自放电率是指在存放时间内，没有负载条件下的自身放电时电池储存电量损耗的速度，用单位时间内电池电量下降的百分数来表示。

8）循环使用寿命

循环使用寿命是指动力电池充电和放电一次为一个循环，按一定的测试标准，当电池容量降到某一个规定值以前，电池经历的充放电循环次数。

4．新能源汽车对动力电池的要求

动力电池是新能源汽车的能量来源，是新能源汽车最重要的组成部分，动力电池的优劣直接影响到新能源汽车的性能，所以在新能源汽车上使用的动力电池需要满足以下几点要求。

（1）高能量密度。

电动汽车为了保证续航里程，需要尽量降低动力电池质量的同时保证储存尽可能多的能量，动力电池的安装空间受到限制，所以动力电池必须要有足够的能量密度。

（2）比功率大。

为了满足电动汽车在加速、上坡、负载等工况的动力要求，动力电池必须具备较大的比功率。

（3）使用寿命长。

动力电池的循环寿命不低于1 000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护与修理。

（4）充电时间短。

充电时间短且技术成熟，可以带来更高的效率。

（5）安全可靠。

动力电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏，不会引起自燃等，在发生事故后不会造成二次伤害。废电池不会造成环境污染。

（6）安装维护方便。

动力电池能够方便维修与安装也是一个重要的要求。

（7）成本尽可能低。

当前，动力电池的成本问题也是电动汽车的一个难题，作为电动汽车高成本的主要因素，降低成本是一个重要的要求。

（8）自放电与储存性能。

所有的化学电池，即使不对外做功，其容量也会自然衰减，这种现象称为自放电。自放电的大小也决定了电池的储存性能。