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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 型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 度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，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 形电池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，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
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 
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