电池基础知识
1.电池的分类
蓄电池就是我们通常所说的电池，是一种将化学能转化为电能的装置，常见类型如图3-1所示。电池的电化学特性决定了电池能否充电，充电电池内部结构间化学反应是可逆的，又称为二次电池，新能源汽车上的动力电池都是二次电池，而一次电池只能放电一次，内部结构简单，不支持这种变化，比如日常生活中使用的干电池。
图3-1 电池分类
以日韩企业为首的电池技术企业，早已将电池封装分为圆柱型、方形、软包三大形态，直观上看它们之间只是外形上的区别，但在技术研发和应用上也有着显著差异。
圆柱电池
圆柱形电池内部结构为螺旋卷绕，正负极之间采用非常细密且透气性极好的聚乙烯、聚丙烯或者聚乙烯与聚丙烯复合膜隔离材料进行隔离，如图3-2所示。目前只有圆柱形电池在制造标准上具有一致性。例如我们熟知的圆柱形电池分为18650、21700等型号，型号中的数字代表圆柱形电池的尺寸标准。以18650型号为例，它是目前最为成熟的圆柱形电池尺寸标准，而21700型号正在不断进行技术进步，未来或将取代18650型号，成为新能源汽车首选的圆柱形电池产品。
图3-2 圆柱电池结构
方形电池
方形电池通常是指铝壳或钢壳的方形电池，其结构如图3-3所示。随着近年来汽车动力电池的兴起，续驶里程与电池容量的矛盾日益突出。国内动力电池厂家多采用电池能量密度更高的铝壳方形电池，因为方形电池结构更简单，不需要像圆柱电池那样采用高强度不锈钢外壳、防爆安全阀等配件，因此整体配件重量更轻，相对能量密度更高。
相较于圆柱形电池，方形电池的灵活性更高，可以根据所搭载产品的具体需求进行定制，从而产生不同的尺寸。目前，方形电池在制造工艺或应用标准方面，并没有圆柱形电池那样明确的标准划分。但正是因为灵活性高，方形电池的尺寸可以根据车型的需求进行定制，因此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
软包电池
软包电池只是液态锂离子电池外面套上聚合物外壳，采用铝塑封装膜，结构如图3-4所示。由于软包电池采用堆叠制造方式，追求体积更薄，在同等容量密度下，其重量最轻。软包电池还可以根据应用需求进行定制，从手机电池大小到新能源汽车大小。
软包电池被视为移动设备的首选，在汽车应用上也因体积可控而受到汽车品牌的重视，尤其是插电式混合动力汽车。在平衡整车布局和重量方面，软包电池的体积优势更为明显。
图3-4 软包电池结构
2. 镍氢电池
镍氢电池的结构
镍氢电池是由氢离子和金属镍组成的，比镍镉电池的电量储备高出30%，重量比镍镉电池轻，使用寿命长，而且环保，目前主要用于混合动力汽车。
镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池贵很多，性能比锂离子电池稍差，镍氢电池的金属部分是金属氢化物，主要分为AB5和AB2两大类。
最常见的是AB5，“A”代表稀土元素混合物或钛（Ti）；“B”代表镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）或铝（Al）。一些多成分的高容量电池，电极主要由AB2组成，“A”代表钛（Ti）或钒（V）；B代表锆（Zr）或镍（Ni），加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和锰（Mn）。镍氢电池的结构如图3-5所示。
图3-5 镍氢电池结构
2.镍氢电池的工作原理
镍氢电池的工作原理
镍氢电池是一种碱性电池，其负极采用含储氢材料的氢化物电极作为活性物质，正极采用氢氧化镍电极（简称镍电极），电解液为氢氧化钾水溶液。镍氢电池充电时，氢氧化钾电解液中的氢离子会释放出来，这些化合物会吸收这些氢离子，避免氢气的形成，从而维持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子又会通过逆过程回到原来的位置。
NiCd 和 NiMH 电池的充电过程非常相似，两者都需要恒流充电以防止电池过充。充电器在检测电池电压和其他参数的同时以恒定电流对电池进行充电。为避免损坏电池，当电池温度过低时不能启动快速充电。当电池温度低于 10°C 时，应切换为涓流充电。一旦电池温度达到规定值，必须立即停止充电。
3.镍氢电池型号说明
镍氢电池型号说明
通常电池身上的AAA、AA、C、D、N、F、SC等标示都是美国型号标示，在我国，除少数型号电池以“数字”命名外，其余仍沿用美国命名方式。
另外，二次锂电池的型号是用五位数字（圆柱型）或六位数字（方形）来表示的，如14500等，常见电池型号及尺寸对照见表3-1。
序列号
美国模式
在我国很常见的名字
尺寸（平头）
高级
高级
高度（41.5±0.5）毫米，
直径（8.1±0.2）毫米
AAA
7号
高度（43.6±0.5）毫米，
直径（10.1±0.2）毫米
AA
5号
高度（48.0±0.5）毫米，
直径（14.1±0.2）毫米
高度（49.0±0.5）毫米，
直径（16.8±0.2）毫米
南卡罗来纳州
南卡罗来纳州
高度（42.0±0.5）毫米，
直径（22.1±0.2）毫米
2号
高度（49.5±0.5）毫米，
直径（25.3±0.2）毫米
1号
高度（59.0±0.5）毫米，
直径（32.3±0.2）毫米
高度（28.5±0.5）毫米，
直径（11.7±0.2）毫米
高度（89.0±0.5）毫米，
直径（32.3±0.2）毫米
表3-1 常见电池型号及尺寸对照表
平头电池是指正极是平整的，没有突起物的电池，主要适用于电池组点焊用的电池芯。一般同型号的尖头电池（可做单电池电源使用）高度比平头电池高0.5mm。有的电池不是AAA、AA、A、SC、C、D、N、F等主要型号，而是有1/3、2/3、1/2、2/3、4/5、5/4、7/5等分数，这些分数代表电池体高度与标准型号电池高度的比例。如2/3AA表示电池高度是一般AA电池的2/3；4/5A表示电池高度是一般A电池的4/5。
根据国际电工委员会（IEC）标准，镍镉、镍氢电池标签由以下五部分组成。
（1）电池类型：KR代表镍镉电池；HF代表方形镍氢电池；HR代表圆柱形镍氢电池。
（2）电池尺寸：包括圆柱形电池的直径/高度、方形电池的宽度/厚度/高度，各个数值之间以斜线隔开，单位为mm。
（3）放电特性符号：L表示适宜的放电电流率在0.5C以内；M表示适宜的放电电流率在0.5～3.5C范围内；H表示适宜的放电电流率在3.5～7.0C范围内；X表示电池可在7～15C高倍率放电电流下工作。
（4）高温电池符号：用T表示。
（5）电池连接器的类型：CF表示无连接器；HH表示电池带有串联连接器；HB表示电池带有并联连接器。
例如HF18/07/49表示方形镍氢电池，宽18mm，厚7mm，高49mm；/62CF表示镍镉电池，放电倍率在0.5～3.5C之间，高温串联单节，无连接器，直径33mm，高62mm。
镍氢电池的应用特点
高功率镍氢电池在混合动力汽车上应用十分广泛，最具代表性的就是丰田普锐斯，它采用了特殊的充放电方案，电池的充放电寿命足够车辆使用十年。
虽然镍氢电池的质量比锂离子电池大，但是部分新能源汽车仍然采用镍氢电池，从每个单节电池的电压来看，镍氢、镍镉电池的标称电压都是1.2V。
镍氢电池主要应用特性如表3-2所示。
序列号
应用程序功能
功率重量比高，目前商用的镍氢动力电池可以达到1350W·h/kg
循环次数多。目前电动汽车使用的镍氢动力电池在80%放电深度（DOD）下循环寿命可达1000次以上，是铅酸电池的3倍以上。100%DOD下循环寿命达500次以上，在混合动力汽车中可使用5年以上。
无污染，不含铅、镉等对人体有害的金属，是21世纪绿色环保电源
耐过充过放，无记忆效应
使用温度范围广，正常工作温度范围为-30～55℃，存储温度范围为-40～70℃
安全可靠，在短路、挤压、穿刺、安全阀工作容量、跌落、加热、抗振动等安全可靠性试验中不发生爆炸、燃烧。
表3-2 镍氢电池主要应用特性
3.锂离子电池
性能参数
钴酸锂
三元锂
锂锰氧化物
磷酸铁锂
电压平台/V
3.7
3.7
3.8
3.2
最大电压/V
4.2
4.2
4.2
3.7
最小电压/V
2.6
3.0
2.5
2.65
循环寿命
>300
>800
>500
>2000
环保性能
含钴
含有钴和镍
无毒
无毒
安全性能
不同之处
更好的
好的
出色的
应用领域
小电池
小电池，
小型动力电池
动力电池
动力电池、
大容量电池
表3-3 锂离子电池性能参数对比
锂离子电池的工作原理
（1）放电过程
锂离子电池虽然种类繁多，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+同时移动。电子从负极通过外电路导体跑到正极，Li+则从负极的晶体结构中“脱离开”进入电解液，“穿过”隔膜上的绕线孔，“游”进正极晶体间隙，与从外电路来的电子结合，如图3-6所示。
图3-6 放电过程
（2）充电过程
充电时，结晶正极材料上的锂被分解成锂离子和电子，电子从外部带电，经电路运行到负极。Li+从正极“脱嵌”进入电解液，“穿过”隔膜上的绕线小孔，“嵌入”结晶负极，与电子结合。由于Li+从正极“脱嵌”通过电解液嵌入负极，所以负极处于富锂状态，如图3-7所示。
图3-7 充电流程
锂离子电池模型
不同的锂离子电池厂家命名规则不同，但大多数通用电池都遵循统一的标准。根据电池名称即可知道它的尺寸等信息。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
型号用三个字母加五个数字表示。三个字母中，第一个字母代表负极材料，I代表内置锂离子，L代表锂金属或锂合金电极；第二个字母代表正极材料，C代表钴、N代表镍、M代表锰、V代表钒；第三个字母为R，代表圆柱形。五个数字中，前两个数字代表直径，后三个数字代表高度，单位均为mm。
（2）方形电池
型号由三个字母加六位数字表示，前两位字母含义与圆柱形电池相同，最后一个字母为P，即方形。前两位数字表示厚度，中间两位表示宽度，后两位表示高度（长度），单位也是mm。
例如：ICR 18650表示直径为18mm，高度为65mm的圆柱形电池；ICP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 锂离子电池物理模型辨识
锂离子电池的应用特点
（1）高电压
锂离子电池电芯因采用的正极材料不同，额定电压也不同，最高达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，这也是锂离子动力电池比能量高的重要原因。
在组成相同电压的动力电池组时，锂离子动力电池串联使用的数量会比铅酸电池、镍氢电池少很多。动力电池中的单体电池越多，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命控制的难度也就越大。在实际使用中，当一个电池组发生故障时，一般都是一两个单体电池出现问题，进而导致整个电池组出现问题。因此也就不难理解为什么48V铅酸电池的故障率会高于36V铅酸电池。从这个角度来看，锂离子电池更适合用作动力电池。比如一个36V的锂离子电池组只需要10个单体电池；而一个36V的铅酸电池组则需要18个单体电池，也就是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）能量密度高
比能量大，可达150W·h/kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍。因此，锂离子电池的质量是同等能量的铅酸电池的1/4~1/3。从这个角度看，锂离子电池消耗资源较少，锰酸锂电池所用元素储量也较大。体积小，能量密度可达400W·h/L，体积是同等能量的铅酸电池的1/3~1/2，为结构更加合理、外观更加美观提供了设计条件和设计空间。
（3）寿命长
锂离子电池的循环次数可达1000~3000次。按容量维持70%计算，电池组100%充放电循环次数可达2000次以上，使用寿命可达5~8年，是铅酸电池的2~3倍。随着技术的革新，锂离子电池的寿命会越来越长，性价比也会越来越高。
（4）应用范围广泛
其低温性能好，可在-40~55℃之间工作，但水溶液电池（如铅酸电池、镍氢电池）由于电解液流动性差，在低温下性能会大大降低。
（5）无记忆
每次充电前无需放电，随时随地都可以充电，电池充放电深度对电池寿命影响不大，可完全充电、完全放电。
（6）无污染
锂离子动力电池不含有毒物质，被称为绿色电池，是国家重点扶持项目。但由于铅酸电池、镍镉电池中含有铅、镉等有害物质，国家必然会加强对其的监督管理，相应企业的成本也会相应增加。虽然锂离子电池不会造成污染，但从资源节约的角度考虑，锂离子动力电池的回收安全性、回收成本等问题需要综合考虑。
（7）安全隐患
由于锂离子动力电池能量高、材料稳定性差，容易出现安全问题。2013年，日本三洋、索尼等全球知名手机、笔记本电脑电池（正极材料为钴酸锂、三元材料）生产企业要求电池爆炸率控制在40ppb（十亿分之一）以下，国内企业基本都能达到ppm（百万分之一）水平。
（8）价格高
同等电压、容量的锂离子动力电池价格是铅酸电池的3~4倍，随着锂离子动力电池市场的扩大，成本的降低、性能的提升，以及铅酸电池价格的上涨，锂离子动力电池的性价比有可能超过铅酸电池。
4、动力电池技术参数
动力电池是保障新能源汽车正常运转的基础，因此动力电池的性能尤为重要。我国已建立了一系列新能源汽车动力电池系统相关标准，涵盖电池单体、模组、动力电池包、动力电池系统四个层次，涉及的产品类型包括混合动力汽车、插电式/增程式混合动力汽车、纯电动乘用车和商用车等，基本形成了完整的体系。常用动力电池主要技术参数如图3-9所示。
图3-9 常用动力电池主要技术参数
额定电压
动力电池的额定电压又叫标称电压。
额定电压=单体电池额定电压×串联单体电池数量。
动力电池的实际工作电压随使用条件不同而变化，其电压状态主要有以下几种：
（1）开路电压
开路电压是指没有外接电路或者负载时电池的电压，开路电压和电池的剩余电量有关，剩余电量显示就是利用这个原理。
（2）工作电压
工作电压是指电池处于工作状态时，也就是有电流流过电路时，电池正负极之间的电位差。在电池放电工作状态下，电流流过电池时必须克服内阻的阻力，因此工作电压始终低于开路电压。
（3）放电截止电压
放电截止电压是指电池完全充放电时达到的电压，如果此时电池继续放电，就是过放电，对电池的寿命和性能会有很大损害。
（4）充电限制电压
充电限制电压是指充电过程由恒流转为恒压的电压。
电池容量（A·h）
电池容量是指动力电池能够储存的电量大小，是衡量电池性能的重要指标之一。
动力电池单体容量=单体电池容量×并联单体电池数量。
电池单体的容量是由电池电极中的活性物质决定的，主要取决于活性物质的数量、质量和利用率。
电池容量用C表示，单位为A·h（安培·小时）或mA·h（毫安·小时），等于放电电流（A）×放电时间（h），即C=It。
额定能量（kW·h）
动力电池的额定能量是衡量其性能的重要指标之一，其单位为kW·h（千瓦时）。
动力电池额定能量=动力电池额定电压×动力电池电芯容量。
额定能量是汽车厂商公布的电池储备电量大小的量度，1kW·h的物理意义是功率为1kW的电器工作1小时所消耗的电能。
日常生活中，1kW·h即为1千瓦时的电。
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的能量，通常以体积能量密度（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 常见电池能量密度比较
电池类型
铅酸电池
镍镉电池
镍氢电池
锂电池
活力
密度
瓦·小时/公斤
30~50
50 ~ 60
60 ~ 70
130~180
宽·高/长
50~ 80
130~150
190~200
350~ 400
电池内阻
电池内阻是指电池工作时电流流过电池时遇到的阻力，包括欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部位接触电阻组成，与电池尺寸、结构、组装等因素有关。
电池的内阻并不是一个常数，而是在充放电过程中随时间变化的。这是因为电池的活性物质组成、电解液的浓度、温度等都在不断变化，不同类型的电池其内阻也不同。即使是同一类型的电池，由于内部化学性质不一致，其内阻也不尽相同。电池的内阻很小，一般以mΩ为单位定义。内阻是衡量电池性能的重要技术指标。一般情况下，内阻小的电池大电流放电能力强；内阻大的电池放电能力弱。
剩余容量（SOC）
剩余电量是指动力电池内部可用的电量与标称容量的比值，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值来控制电池的工作状态。
充放电倍率(C)
充放电倍率是用来表示电池充电与放电时电流的比例，也就是倍率。
充放电率=充放电电流/额定容量。
例如额定容量为100A·h的电池，以20A放电时，其放电率为0.2C。电池的1C、2C、0.2C放电率是指电池的放电率，是衡量放电快慢的一个指标。如果在1h内放完所有容量，就叫1C放电；如果在5h内放完，就叫(1/5)C=0.2C放电；对于24A·h的电池，2C放电电流为48A，0.5C放电电流为12A。
放电深度（DOD）
电池在使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。放电深度与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，其充电寿命越短，会缩短电池的使用寿命。因此，在使用过程中应尽量避免深度放电。
5.动力电池组技术
术语解释
按照GB/T 19596-2017的定义，动力电池系统（动力电池组）是指由一个或多个电池组和相应附件（电池管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备和机械组件）组成的为电动汽车驱动提供电能的储能装置。
（1）单块电池
单体电池是将化学能转化为电能的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解液、外壳和端子等，设计为可充电，又称电芯。单体电池是物理结构上构成动力电池组或动力电池系统的最小单元，可作为一个单元进行更换。
（2）电池组
一组并联的单体电池，其中可能包含监控电路和保护装置（如保险丝等）。
注：蓄电池单元包无固定的封装外壳、电子控制装置、无明确的极点排列，不能直接应用到车辆上。
（3）电池模块
由多个单体电池以串联、并联或串并联的方式组合而成作为电源的组合体，也称为电池组。
（4）电池管理系统
监控电池状态（温度、电压、充电状态等）的系统，为电池提供通信、安全、电池平衡和管理控制，并提供与应用设备的通信接口。
（5）动力电池箱
用于容纳电池包、电池管理系统及相应辅助零部件，并具有机械连接、电气连接、保护等功能的总成，简称电池箱。
（6）电池组
它通常包括电池组、电池管理系统、电池盒及相应的附件（冷却组件、连接线缆等），并具有从外界获取电能和能向外界输出电能的单元。一个电池组的生产流程如图3-10所示。
图3-10 电池组生产流程
动力电池组技术要点
电池、蓄电池