新能源汽車技術(shù)原理與維修（5）
——電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)（1）

文：岳昇

新能源汽車技術(shù)原理與維修（5）
——電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)（1）

文：岳昇

鋰離子動(dòng)力電池是近些年來(lái)在電動(dòng)汽車上越來(lái)越廣泛使用的電池，然而也隨之出現(xiàn)了人們對(duì)鋰電池的續(xù)駛里程、安全性、可靠性和使用壽命等問(wèn)題的關(guān)注。要弄清這些問(wèn)題，首先應(yīng)該對(duì)鋰離子電池及其性能有一個(gè)基本了解。這關(guān)系到能否正確使用、檢測(cè)、維護(hù)和修理動(dòng)力電池系統(tǒng)，有效地發(fā)揮動(dòng)力電池的作用，保障人身安全和車輛安全使用。

一、鋰離子電芯種類及其特性

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)能量的唯一來(lái)源，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能、續(xù)航能力和安全性。從純電動(dòng)汽車成本構(gòu)成看，電池系統(tǒng)占據(jù)了新能源汽車成本的30%～50%。動(dòng)力電池技術(shù)一直影響著電動(dòng)汽車的實(shí)用化進(jìn)程。

鋰離子電池是目前電動(dòng)車上最常用的電池種類之一，從1970年誕生至今時(shí)間并不算長(zhǎng)，但相對(duì)于鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池，憑借其能量密度高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)迅速在電動(dòng)汽車上被廣泛應(yīng)用。目前在電動(dòng)汽車上配備的鋰電池主要有錳酸鋰電池、鈦酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池（圖1）。

1.鋰離子電池電芯種類

由于鋰元素化學(xué)性質(zhì)非?；顫姡苋菀追纸獬蓌Li+ 和xe- 。鋰元素可與許多金屬形成晶狀結(jié)構(gòu)化合物，例如鈷酸鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰。在這些晶狀結(jié)構(gòu)化合物中，鋰元素活性要小了許多，而且在這些晶狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)中，鋰元素能以離子形式嵌入和脫出，即鋰離子的這種狀態(tài)可逆。鋰元素以這些晶狀結(jié)構(gòu)的材料為載體就安全多了，這是鋰離子電池應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

圖1 打開(kāi)上蓋的三元鋰聚合物電池包（北汽EV200）

目前常用石墨及鈷酸鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。這些材料的分子形成了納米等級(jí)的細(xì)小晶體格子結(jié)構(gòu)，可用來(lái)儲(chǔ)存鋰原子。即使是電池外殼破裂，接觸氧氣，也會(huì)因氧分子太大，進(jìn)不了這些細(xì)小的晶體格子內(nèi)，使得鋰原子不會(huì)與氧氣接觸而劇烈反應(yīng)導(dǎo)致爆炸。鋰離子電池的這種結(jié)構(gòu)，使得在獲得高容量密度的同時(shí)，也達(dá)到安全的目的。

2.鋰離子電池的形狀及結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的形狀主要有圓柱形鋰電池和方型鋰電池兩種，此外還有鈕扣式鋰離子電池。方型和圓柱形鋰離子電池一樣，蓋子上也有一種特殊加工的破裂閥，以防止電池內(nèi)壓過(guò)高而可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題。這種閥一旦打開(kāi)，電池即失效。同樣，鋰離子電池的極片也是卷繞起來(lái)的，它完全不同于方形MH—Ni或Cd-Ni電池的疊片結(jié)構(gòu)。方型與圓柱形電池不同，方形電池的正極柱是一種金屬—陶瓷或金屬—玻璃絕緣子，它實(shí)現(xiàn)了正極與殼體之間的絕緣。

鋰離子電池充電時(shí)，正極的鋰原子會(huì)喪失電子，在外部有連接電路的情況下，就會(huì)形成電流，此時(shí)鋰原子氧化為鋰離子并經(jīng)由電解液游到負(fù)極去，進(jìn)入負(fù)極的儲(chǔ)存晶格，并獲得一個(gè)電子，還原為鋰原子。放電時(shí)，整個(gè)程序倒過(guò)來(lái)（圖2）。為了防止電池的正負(fù)極直接碰觸而短路，電池內(nèi)加上一層帶有眾多細(xì)孔的隔膜紙，來(lái)防止短路。隔膜只允許鋰離子往復(fù)通過(guò)，不允許電子通過(guò)。好的隔膜紙還可以在電池溫度過(guò)高時(shí)， 自動(dòng)關(guān)閉細(xì)孔，讓鋰離子無(wú)法穿越，防止危險(xiǎn)發(fā)生。

圖3 鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

無(wú)論是方形電池還是圓柱形鋰離子電池基本都由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，另外加上正負(fù)極引線、安全閥、PTC（正溫度控制端子）和電池殼等（圖3）。

正極：采用鋰化合物L(fēng)iXCoO2（鈷酸鋰）、LiXNiO2（鎳酸鋰）、LiFePO4（磷酸鐵鋰）和LiXMnO2（錳酸鋰）以及三元材料鎳、鈷、錳酸鋰。

負(fù)極：采用鋰-碳層間化合物L(fēng)iXC6。

電解質(zhì)：一般采用溶解有鋰鹽的有機(jī)制劑，根據(jù)所用電解質(zhì)的狀態(tài)可分為液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、全固態(tài)鋰離子電池。

隔膜只允許鋰離子Li+往返通過(guò)，阻止電子e-通過(guò)，在正負(fù)極之間起到絕緣作用。

三元鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰Li（NiCoMn）O2的鋰電池，是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。由此可以看出我們是以鋰離子電池的正極對(duì)其進(jìn)行更細(xì)的分類與命名。

3.鋰離子電池工作原理

鋰離子電池種類繁多，但工作原理大致相同。

（1）充電過(guò)程（圖4）

充電池時(shí)，晶狀結(jié)構(gòu)正極材料上的鋰分成鋰離子和電子，電子通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“脫嵌”進(jìn)入電解液里，“ 穿過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“嵌入”到達(dá)晶狀體結(jié)構(gòu)負(fù)極，與外部跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起，導(dǎo)致負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。

（2）放電過(guò)程（圖5）

電池放電時(shí)，電子和Li+同時(shí)行動(dòng)的電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)外電路導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從晶狀體結(jié)構(gòu)負(fù)極“脫插”進(jìn)入電解液里，“穿過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”嵌入正極晶體空隙，與外電路過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

（3）搖椅現(xiàn)象

從電池內(nèi)電路來(lái)看，充電時(shí)鋰離子插入負(fù)極，放電時(shí)鋰離子又嵌入正極，鋰離子像坐搖椅一樣，在正極和負(fù)極之間來(lái)回移動(dòng)，鋰電池的正負(fù)極像搖椅，所以鋰離子電池又稱為“搖椅電池”

（4）充放電過(guò)程中，電池容量的變化

在充電過(guò)程中，電池在外部充電器電壓的作用下，隨著鋰離子從正極向負(fù)極移動(dòng)，電池貯存的電量越來(lái)越多，正負(fù)極之間的電壓越來(lái)越高，直到充滿。

放電過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極向正極移動(dòng)，電池貯存的電量越來(lái)越少，電池的正負(fù)極電壓越來(lái)越低，直到放電終了。

電池正負(fù)極材料的晶體結(jié)構(gòu)，在鋰離子遷移過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)變化，如果過(guò)充嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致負(fù)極晶格堵塞，過(guò)放會(huì)導(dǎo)致負(fù)極晶格塌落，因此鋰電芯不能單獨(dú)使用，必須與充放電控制電路組合使用。

圖4 鋰離子電池的充電過(guò)程

圖5 鋰離子的放電過(guò)程

二、鋰離子電池的性能

1.鋰離子電池出廠時(shí)的充電過(guò)程

鋰離子電池從生產(chǎn)線下來(lái)，需要進(jìn)行“化成”，通過(guò)充電把它變化成可以使用的電池。這第一次充電非常重要，如圖6所示，一開(kāi)始只允許涓流（0.1C）充電，先充到3.0 V，然后以較大電流恒流充電，但注意電池不能過(guò)分發(fā)熱（超過(guò)材料的充電接受能力）。充電電流越大，接受比率就越低，對(duì)電池的傷害就越大（這是第一次充電，出廠后鋰離子電池使用放電終了電壓一般都設(shè)置高于2.6 V）。

當(dāng)電壓充到某個(gè)數(shù)值以后，切換成恒壓充電，因?yàn)榇藭r(shí)鋰離子已經(jīng)快轉(zhuǎn)移完畢，極板的充電接受能力下降，充電電流會(huì)逐漸減小。當(dāng)充電電流降低到某個(gè)數(shù)值以后（0.1C），停止充電。

2.使用過(guò)程中鋰離子電池充放電性能

圖6 鋰離子電池的第一次充電曲線

（1）磷酸鐵鋰電池1.0C充放電曲線磷酸鐵鋰電池1.0C充放電曲線（圖7）可以看出，在恒流充電開(kāi)始時(shí)，隨著電池充入的電量增加，電池正負(fù)極從2.6 V快速上升到3.2 V，然后電壓隨充入的電量增多而緩慢上升；到電池正負(fù)極電壓上升到3.4 V左右，這是電池充入的電量接近90%；充電進(jìn)入恒壓充電階段，電池正負(fù)極電壓緩慢上升，充電電流逐漸下降，表明充入的電量減少。隨著后期繼續(xù)恒壓充電，電池正負(fù)極電壓上升到4.1 V，充電電流下降到0.1C，充電結(jié)束。

放電過(guò)程開(kāi)始時(shí)，電池正負(fù)極電壓從4.1 V到3.4 V下降較快，繼續(xù)放電，從3.4 V到3.0 V過(guò)程是一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，雖然電池的容量逐漸減少，但電池的電壓曲線有一個(gè)很小的斜率，處于一個(gè)平臺(tái)區(qū)域，通常稱為放電平臺(tái)。一般取中間值3.2 V標(biāo)為電池的額定工作電壓。動(dòng)力電池的功率值根據(jù)這個(gè)額定電壓與容量（Ah），計(jì)算出能量（Wh）。不同材料的鋰離子電池，由于正負(fù)極材料的電極電位不同，實(shí)際測(cè)量出放電工作平臺(tái)值不同，額定工作電壓也不相同。

（2）磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的充放電曲線

由于正極材料的電極電位高低不同，磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的充放電曲線所處的電壓高低位置也不同，三元鋰電池的充電最高截止電壓、放電最低截止電壓及額定電壓比磷酸鐵鋰電池高。同樣容量下，三元鋰電池的能量比磷酸鐵鋰電池大，能量密度高。磷酸鐵鋰電池充電截止電壓3.8 V，三元電池充電截止電壓4.2 V。如圖8所示，同樣0.5C充電條件，磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池最高充電截止電壓不同。

圖7 磷酸鐵鋰電池1.0C充放電曲線

圖8 磷酸鐵鋰電芯與三元鋰電芯0.5C充電曲線圖對(duì)比

圖9 磷酸鐵鋰電芯放電與三元鋰電芯放電曲線圖對(duì)比

圖10 25℃時(shí)不同倍率充電曲線

（3）3個(gè)放電倍率級(jí)別下磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池電池特性比較

相同放電倍率級(jí)別，磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池放電曲線比較，放電倍率較大時(shí)，磷酸鐵鋰電池電壓下降較快（圖9）。磷酸鐵鋰電池工作平臺(tái)電壓3.2 V，放電截止電壓2.65 V; 三元電池工作平臺(tái)電壓3.7 V，放電截止電壓3.0 V。

（4）相同溫度不同倍率的充電特性與放電特性

從圖10所示的曲線圖可以看出，在25℃環(huán)境中，充電倍率越大，電池正負(fù)極電壓上升越快；但是充入的電量在減少，電池快充難以充滿電量，一般1C倍率半小時(shí)充到80%就很好了。

從圖11所示的曲線圖可以看出，在25℃環(huán)境中，放電倍率越大，電池正負(fù)極電壓下降越快，能夠放出的電量在減少。以放電終止電壓2.6 V為界，1C倍率放電能放出接近75%的容量，5C放電能放出接近65%的容量。放電倍率越大電池發(fā)熱越嚴(yán)重。

圖11 25℃時(shí)不同倍率放電曲線

圖12 在不同溫度條件下1倍率放電曲線

圖13 鋰電池放電曲線

在電池大倍率放電時(shí)，電池的電壓下降很快，如果停止放電，電池的電壓會(huì)有一些上升。

（5）相同倍率不同溫度的放電曲線

從相同倍率不同溫度的放電曲線（圖12）可以看出，在溫度25～55℃，放電曲線基本相同，0～10℃放電還可以使用，零下10℃以下電池放電嚴(yán)重受到影響，必須采取加熱保溫措施。

通過(guò)上述對(duì)鋰離子電池的工作原理與性能的簡(jiǎn)單分析，我們可以知道，鋰離子電池能量密度高，使用中必須采取有效的措施，避免內(nèi)部和外部的原因?qū)е露搪?，損壞電池，引發(fā)事故。對(duì)鋰離子電池盡量在較低的倍率狀態(tài)下進(jìn)行充放電。在低的充放電倍率狀態(tài)使用，可以使電池充電量更多一些，放電量也可以更多一些。例如優(yōu)選慢充電，少用快充電；行車時(shí)少用急加速，減少大功率放電等。鋰離子電池在溫度0～50℃之間使用，充放電性能表現(xiàn)是比較好的。如果外界溫度低于10℃，停車后借助車輛余溫，盡快對(duì)車輛充電。冬季電動(dòng)汽車應(yīng)選擇較暖的地方停放。純電動(dòng)汽車用鋰動(dòng)力電池，必須按照整車廠充放電規(guī)定使用，一方面要避免充到廠家規(guī)定的截止電壓后，還要再多充一會(huì)兒，會(huì)導(dǎo)致電極堵塞；另一方面在儀表提示電量不足時(shí)應(yīng)盡快充電，不要放電到儀表電量顯示為“零”時(shí)，還強(qiáng)行行駛，這會(huì)導(dǎo)致電池電極塌落，成為不可修復(fù)的損壞。

（6）荷電量與電壓的關(guān)系曲線

圖13 是鋰電池的放電曲線，曲線在整個(gè)工作區(qū)間有一個(gè)恒定的5 mV/%（soc）的斜率。充電時(shí)也有類似的曲線，但是曲線是上升變化的。簡(jiǎn)單的充放電控制電路就是根據(jù)電壓的變化值，判斷電池的荷電狀態(tài)是快充滿了或是快放光了，進(jìn)而控制電池充、放電是否停止。我們可以通過(guò)測(cè)量電壓判斷電池的荷電狀態(tài)SOC。

（待續(xù)）

岳昇，北京匯智慧眾汽車技術(shù)研究院技術(shù)總監(jiān)，高級(jí)工程師，高級(jí)培訓(xùn)師，清華大學(xué)精密儀器系機(jī)械制造專業(yè)畢業(yè)。北京市汽車工業(yè)高級(jí)技工學(xué)校（原北京油泵油嘴廠技校）專業(yè)課教師，1988年赴聯(lián)邦德國(guó)進(jìn)修，回國(guó)后長(zhǎng)期陪同協(xié)調(diào)德國(guó)專家開(kāi)展汽車維修檢測(cè)技術(shù)推廣支持工作，參與負(fù)責(zé)德國(guó)柏林機(jī)械與制造技術(shù)高級(jí)培訓(xùn)中心和戴姆勒-克萊斯勒柏林廠培訓(xùn)中心與北汽集團(tuán)的合作項(xiàng)目工作。1995年再赴新加坡南洋理工學(xué)院進(jìn)修學(xué)習(xí)，回國(guó)后長(zhǎng)期從事汽車專業(yè)技術(shù)課的教學(xué)與培訓(xùn)工作。