项目三 动力电池与管理系统
任务一 蓄电池基础知识
情景导入
某品牌动力电池制造商在给新入职的员工进行技术培训。
张同学：新能源汽车上装配的动力电池都一样吗？
王老师：新能源汽车的关键技术之一就是动力电池，动力电池的好坏一方面决定着电动汽车的制造成本，另一方面也决定着电动汽车的动力性和续驶里程。不同品牌、不同用途、不同价位的新能源汽车上所采用的动力电池也各不相同。
学习目标
1．了解蓄电池分类与原理。
2．了解蓄电池的型号及其含义。
3．熟悉新能源汽车动力电池的常用术语。
一、相关知识
蓄电池通常简称电池，是将化学能转化成电能的一种装置。电池内部的电化学特性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，也叫二次电池，新能源汽车上的动力电池均为二次电池。一次电池只能作为一次放电使用，例如日常生活中使用的干电池，内部结构简单且不支持这种变化。
1．镍氢电池
斯坦福·沃弗辛斯基是美国著名科学家、发明家，被誉为“太阳能光伏之父”，毕生拥有近400项专利，在他50年的工作生涯中，最著名的发明包括薄膜光电、太阳能电池板、光电制造器、镍氢电池和能够在汽车中安全储氢的固体氢燃料储存技术等。
在斯坦福所有的发明中，最优秀的是镍氢反应电池。这是一款可用来为混合动力汽车充电的便携电池，同时它也非常环保。镍氢电池现在主要应用于混合动力汽车，2011年在HEV市场占56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%，无绳电话占11%，其他市场为9%。镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。
镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪60年代末，人们就发现了一种新型功能材料——储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢，因此被人们形象地称为“吸氢海绵”。其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中，反复充放电并长期稳定存在，从而为我们提供了一种新型负极材料，并在此基础上发明了镍氢电池。镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。
储氢合金的主要来源是稀土，中国的稀土资源占世界总储量的70%以上，发展镍氢电池具有得天独厚的优势。因此中国镍氢电池的研制与开发，受到国家863计划的大力支持，被列为“重中之重”的项目。在863计划的支持下，科研人员攻克了储氢合金制备等关键技术，取得了一大批创新性成果。
（1）镍氢电池结构
镍氢电池由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，密度比镍镉电池小，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵很多，性能比锂电池要差一些。
镍氢电池中的金属部分实际上是金属氢化物，用在镍氢电池的制造上，它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类，A是稀土元素的混合物或者再加上钛Ti；B则是镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn），或者还有铝（Al）。另一类高容量电池含多种成分的电极主要由AB2构成，A则是钛（Ti）或钒（V），B则是锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和锰（Mn）。所有这些化合物扮演的都是相同的角色，可形成金属氢化物。镍氢电池结构如图3-1所示。
图3-1 镍氢电池结构
（2）镍氢电池工作原理
镍氢电池是一种碱性电池，负极采用由储氢材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用氢氧化镍即镍电极，电解质为氢氧化钾溶液。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，电池温度过低时不可快速充电，当电池温度低于10℃时，应转入涓流充电方式。当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
通常在电池体上看到的AAA、AA、C、D、N、F、SC等字母都是美规型号标识。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，针对二次锂电池的型号表示方法是采用五位数（圆柱形）或六位数（方形），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
平头电池的正极是平的，没有突起，主要适用于做电池组点焊使用的电池芯。一般同等型号尖头的电池（可以用作单体电池供电的），在高度上就多了0.5mm，以此类推。有的电池在很多时候并不是规规矩矩的AAA、AA、A、SC、C、D、N、F这些主型号，前面还时常有分数1/3、2/3、1/2、3/2、4/5、5/4、7/5，这些分数表示的是电池体与标准型号相对应的高度。例如2/3AA就是表示高度是一般AA电池的2/3；再如4/5A就是表示高度是一般A电池的4/5。
（4）IEC镍氢/镍镉电池标识
根据IEC（国际电工委员会）标准规定，镍镉和镍氢电池标志由5部分组成。
1）电池种类：
① KR——表示镍镉电池；
② HF——表示方形镍氢电池；
③ HR——表示圆形镍氢电池。
2）电池尺寸：圆形电池直径/高度，方形电池高度/宽度/厚度，数值之间用斜杠隔开，单位为mm。
3）放电特性符号：
① L——表示适宜放电电流倍率为0.5C以内；
② M——表示适宜放电电流倍率为0.5～3.5C；
③ H——表示适宜放电电流倍率为3.5～7.0C；
④ X——表示电池能在7～15C高倍率的放电电流下工作。
4）高温电池符号用T表示。
5）电池连接片表示：
① CF——代表无连接片；
② HH——表示电池带串联连接片；
③ HB——表示电池带并联连接片。
例如：HF18/07/49——表示方形镍氢电池、宽度为18mm、厚度为7mm、高度为49mm；KRMT33/62HH——表示镍镉电池、放电电流倍率为0.5～3.5C、高温系列单体电池、无连接片、直径为33mm、高度为62mm。
（5）BYD镍氢/镍铬电池标志
BYD镍氢/镍铬电池标志通常也由5部分组成。
1）电池类型：
① D——代表镍铬电池；
② H——代表镍氢电池。
2）电池型号分别为A、AA、AAA、AAAA、SC、C、D、N等多种型号。
3）电池标称容量。
4）电池特性：
① A——代表尖头电池；
② B——代表平头电池；
③ H——代表高温电池；
④ P——代表可用于大电流放电。
5）代表组合电池的单体个数。
例如：DAA800H×5；HSC2200P×3；DAA800B×3。
（6）镍氢电池应用特性
大功率镍氢电池广泛用于油电混合动力汽车，最具代表性的例子就是丰田Prius，该车使用了特别的充放电程序，使电池充放电寿命可足够车辆使用10年。虽然密度比锂离子电池低，但由于对安全保护、温度控制等要求更低，因此仍然有部分纯电动汽车使用镍氢电池。
就单体电池电压来看，镍氢与镍镉电池的标称电压都是1.2V，而锂电池标称电压为3.6V。镍氢电池应用特性见表3-2。
表3-2 镍氢电池应用特性
2．锂离子电池
（1）锂离子电池结构
锂离子电池主要由电芯和保护板两大模块组成。电芯相当于锂电池的心脏，管理系统相当于锂电池的大脑。电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳组成。保护板主要由保护芯片或管理芯片、MOS场效应管、电阻、电容和印制电路板等元件组成。
锂离子电池的封装形式主要有圆柱形、方形和软包。
圆柱形锂离子电池分为磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、钴锰混合、三元材料不同体系，外壳分为钢壳和聚合物两种，不同材料体系电池有不同的优点。目前，圆柱主要以钢壳圆柱磷酸铁锂电池和三元材料为主，常见型号有14650、17490、18650、21700、26650等。
圆柱形锂离子电池结构包括正极盖、安全阀、PTC元件、电流切断机构、垫圈、正极、负极、隔离膜、壳体，内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而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。
图3-2 圆柱形锂离子电池结构
方形锂离子电池通常是指铝壳或钢壳方形电池，内部主要通过叠片这种形式，即在一正极上放置隔膜然后是负极，以此类推，叠加而成。电池内部充有电解质溶液，另外还设有安全阀和PTC元件（正温度系数热敏电阻），以便电池在不正常状态或输出端短路时保护电池不受损坏，如图3-3所示。
图3-3 方形锂离子电池结构
软包锂离子电池（图3-4）是液态锂离子电池套上一层聚合物外壳，与其他电池最大的不同之处在于软包装材料（铝塑复合膜），这也是软包锂离子电池中最关键、技术难度最高的材料。软包装材料通常分为三层，即外阻层（一般为尼龙BOPA或PET构成的外层保护层）、阻透层（中间层铝箔）和内层（多功能高阻隔层）。三元软包锂离子电池容量比同等尺寸规格的钢壳锂电池高10%～15%、比铝壳电池高5%～10%，而质量却比同等容量规格的钢壳电池和铝壳电池更轻，因此补贴新政对三元软包锂离子电池更有利。
图3-4 软包锂离子电池结构
锂离子电池正极应用材料和制作工艺不同，其性能参数也存在一定的差异。锂离子电池性能参数对比见表3-3。其中，钴酸锂电池由于稳定性较差，价格较高，很少用作动力电池。
表3-3 锂离子电池性能参数对比
（2）锂离子电池工作原理
当锂离子电池充电时，在外加电场的影响下，正极材料分子里面的锂元素被氧化脱离出来，变成带正电荷的锂离子，在电场力的作用下从正极移动到负极，锂离子迁移并以原子形式嵌入电极材料碳中，与负极的碳原子发生化学反应。从正极出来的锂离子嵌入到负极的石墨层状结构当中，从正极出来转移到负极的锂离子越多，这个电池可以存储的能量就越多。
放电时刚好相反，内部电场转向，锂离子从负极脱离出来，顺着电场的方向又回到正极，重新变成钴酸锂分子。从负极出来转移到正极的锂离子越多，电池可以释放的能量就越多。
在每一次充放电循环过程中，锂离子充当电能的搬运载体，周而复始地从正极→负极→正极来回移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的，所以锂离子电池又称作摇椅电池。
（3）锂离子电池型号
不同的锂电池厂家有不同的命名规则，但通用型电池厂家都遵循统一的标准，根据电池名称就可以知道电池的尺寸等信息。根据国际电工委员会规定，圆柱形和方形电池的型号规则如下：
1）圆柱形电池用3个字母后跟5个数字表示。3个字母，第一个字母表示负极材料，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。5个数字中，前2个数字表示直径，后3个数字表示高度，单位都为mm。
2）方形电池用3个字母后跟6个数字表示。3个字母，前两个字母的意义和圆柱形一样，后一个字母为P表示为方形。6个数字中，前2个数字表示厚度，中间2个表示宽度，后面2个表示高度（长度），单位也为mm。
例如：ICR 18650电池就是直径为18mm，高度为65mm的圆柱形电池；ICP 053353电池就是厚度为5mm，宽度为33mm，高度（长度）为53mm的方形电池。锂离子电池实物如图3-5所示。
图3-5 锂离子电池实物
（4）锂离子电池应用特性
1）电压高。锂离子电池单体电压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。锂离子电池电压是镍镉、镍氢电池的3倍，约是铅酸电池的2倍，这也是锂离子动力电池比能量高的一个重要原因。
组成相同电压的动力电池组时，锂离子动力电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池。动力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，寿命就越不好控制。在实际使用过程中，电池组有故障，一般是其中一、两个单体电池出问题，然后导致整组电池出现问题。因此不难理解为什么48V的铅酸电池比36V的铅酸电池故障反馈要高，从这个角度来讲锂电池更适合于动力电池的使用。例如36V的锂电池组只需要10个单体电池即可；而36V铅酸电池则需要18个单体电池，即3个12V的电池组，而12V的铅酸电池又由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。因此质量是相同能量铅酸电池的1/3～1/4。从这个角度讲，锂电池消耗的资源就少，而且锰酸锂电池中所使用到的元素储量也比较多。体积小，能量密度高达400W·h/L，体积是相同能量铅酸电池的1/2～1/3。这就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，使用年限可达5～8年，寿命为铅酸电池2～3倍。随着技术的革新，电池寿命会越来越长，性价比会越来越高。
4）应用范围宽。低温性能好，锂离子动力电池可在-40～+55℃之间工作。而水溶液电池（比如铅酸电池、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寿命影响不大，可以全充全放。
6）无污染。锂离子动力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和镉，国家必然会加强监管和治理，相应企业的成本也会增加。虽然锂电池没有污染，但从节约资源的角度考虑，锂离子动力电池回收、回收中的安全性以及回收成本也都需要综合考虑。
7）安全隐患。由于锂离子动力电池能量高，材料稳定性较差，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，日本三洋、索尼等公司要求电池的爆喷率控制在4×10-8以下，国内公司能达到10-6级别就已经不错了。
8）价格高。相同电压和相同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、性能的提高，以及铅酸电池价格的提高，锂离子动力电池的性价比是有可能超过铅酸电池的。
3．动力电池技术参数
新能源汽车动力电池是确保车辆能够正常工作的基础，因此动力电池性能好坏显得尤其重要。国标针对电动汽车动力电池系统建立了一系列的相关标准，范围覆盖电芯、模组、动力电池包和动力电池管理系统。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，基本构成一个完整的体系。常用动力电池主要技术参数如图3-6所示。
（1）额定电压
动力电池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。动力电池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4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。
图3-6 常用动力电池主要技术参数
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，因此工作电压总是低于开路电压。
3）放电截至电压。放电截至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
电芯容量是指动力电池所能够储存的电量，是衡量电池性能的重要指标之一。动力电池电芯容量=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、质量以及活性物质的利用率。
容量用C表示，单位用A·h或mA·h表示。
公式：C=It，即电芯容量C（A·h）=放电电流I（A）×放电时间t（h）。
（3）额定能量
动力电池额定能量是衡量电池性能的重要指标之一，单位为kW·h。动力电池额定能量=动力电池额定电压×动力电池容量。
额定能量是汽车厂商公布的电池储备电量大小的度量单位。1kW·h的物理意义是功率为1kW的电器工作1h所消耗的电能。对于日常生活中来说，1kW·h即1度电。
（4）连接方式
3P91S：3并91串，表示由3个单体电池并联成一组，共有91组串联在一起。
1P100S：1并100串，表示由100个单体电池串联而成。
（5）能量密度
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
（6）电池内阻
电池内阻是指蓄电池在工作时，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。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，与电池的尺寸、结构和装配等因素有关。
电池内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化。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，不同类型的电池内阻不同。即便是相同类型的电池，由于内部化学特性不一致，内阻也不一样。电池内阻很小，一般用mΩ来衡量它。内阻是电池性能的重要技术指标之一，正常情况下，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。
（7）剩余电量
剩余电量是指动力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 State-Of-Charge值控制电池的工作状态。
（8）充放电倍率
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，表示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=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。
（9）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（DOD）。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很大的关系。当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，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。
（10）电池供应商
新能源汽车动力电池种类繁多，供应商也各不相同。以北汽新能源纯电动乘用车配套电池为例，其配套信息见表3-5。
表3-5 新能源汽车电池配套信息
从北汽新能源相关车型的变迁来看，在北汽新能源的纯电动乘用车中，只有2014年早期的两款车型采用磷酸铁锂电池，自2014年12月之后推出的其余8款车型均采用三元电池。在目前更看重纯电动乘用车续驶里程的情况下，磷酸铁锂电池因能量密度低，体积较大，已经在乘用车领域逐步被三元电池所取代。三元锂电池以其能量密度高，体积较小等优点成为北汽新能源纯电动乘用车的黄金搭档。同样在业界以搭载磷酸铁锂电池为代表的比亚迪，在电动乘用车方面近两年也在向三元锂电池体系靠拢。可见，在没有更好的电池技术出现之前，三元锂电池已成为当下多数车企在纯电动乘用车上的主要选项。
二、任务实施
1．实施准备
（1）实训物品准备
1）镍氢电池单体。
2）锂离子电池单体。
（2）安全注意事项
1）禁止随意分解各种蓄电池。
2）任务实施场地明亮整洁、通风良好。
3）禁止携带钥匙、手表、首饰等物品进行任务实施。
4）佩戴安全防护用品，避免电解液溅入眼内或接触皮肤。
2．实施内容
1）镍氢电池型号识别。
2）锂离子电池型号识别。
3）特斯拉动力电池参数比较，见表3-6。
表3-6 特斯拉动力电池参数比较
3．实施记录
任务实施记录单，见表3-7。
表3-7 任务实施记录单
三、任务检验
1．自检
参与实训练习的学员自我完成质量检验。
2．互检
由完成相同实操练习项目的学员相互进行质量检验。
3．终检
由专职质量管理人员（教师）进行专业检查。
四、教学评估
由教师依据教学目标对教学过程及结果进行价值判断。
