新能源汽車高電壓組件結構淺析（二）

無錫汽車工程高等職業(yè)技術學校 吳書龍

4 動力電池組

4.1 動力電池的性能指標

電動汽車的動力電池組相當于內(nèi)燃機驅(qū)動車輛的燃油箱，是電驅(qū)動裝置的蓄能器。動力電池是電動汽車的核心部件，動力電池技術是電動汽車發(fā)展的關鍵。動力電池組主要有以下4個技術參數(shù)。

（1）比能量。比能量又稱質(zhì)量比能量，是指單位質(zhì)量電池所能輸出的電能，單位是Wh/kg。比能量反映電池質(zhì)量水平，影響電動汽車的整車質(zhì)量和續(xù)航里程，是評價電動汽車的動力電池是否滿足預定續(xù)駛里程的重要指標。

（2）比功率。比功率又稱質(zhì)量比功率，是指單位質(zhì)量電池所能輸出的功率，單位是W/kg。比功率用來判斷電動汽車的加速性能和最高車速，直接影響電動汽車的動力性能。比功率越大，電動汽車加速和爬坡性能越好，最高車速越高。

（3）循環(huán)壽命。電池經(jīng)歷一次充電和放電的過程稱為一個循環(huán)，電池所能經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)壽命。循環(huán)壽命是衡量動力電池壽命的重要指標。循環(huán)次數(shù)越多，動力電池的使用時間越長。

（4）成本。電池的成本與新技術、原材料、制作工藝和生產(chǎn)規(guī)模等因素有關。通常新開發(fā)的高比功率電池成本相對較高。

4.2 動力電池的類型

新能源汽車電池種類較多，目前市場上主流動力電池為鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池?，F(xiàn)通常采用以電池正極材料來命名的規(guī)則。

（1）鎳氫電池。鎳氫（NiMH）電池的正極材料是氫氧化鎳（NiOH），負極材料是金屬氫化物，電解液是30%的氫氧化鉀水溶液。單體鎳氫電池的額定電壓為1.2 V，其比能量約為70 Wh/kg～100 Wh/kg。鎳氫電池基本上無記憶效應，可循環(huán)使用500 次～1 000 次。鎳氫電池對過度充電、深度放電、過熱、極性接錯等情況反應敏感。目前多數(shù)非插電式混合動力汽車使用的是鎳氫電池組，如非插電的豐田普銳斯混合動力汽車。

（2）鋰離子電池。插電式混合動力汽車和純電動汽車一般使用鋰離子電池，其能量密度高于鎳氫電池組。鋰離子電池種類繁多，如今在售新能源汽車配備的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，這兩種電池在自身特點上存在差異。

1）磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池正極材料為磷酸鐵鋰，負極材料是石墨，電解質(zhì)是由有機溶劑和鋰鹽組成。單體磷酸鐵鋰電池標稱電壓為3.2 V，現(xiàn)已達到3.7 V，其比能量為100 Wh/kg～110 Wh/kg。磷酸鐵鋰電池無記憶效應，循環(huán)壽命達到2 000 次以上。鎳氫電池熱穩(wěn)定性較好，當電池溫度處于500 ℃～600 ℃時，其內(nèi)部化學成分才開始分解。比亞迪e5車、e6車均使用了磷酸鐵鋰電池。

2）三元鋰電池。三元鋰電池使用鎳鈷錳等3種正極材料按一定比例混合，負極材料是石墨，電解質(zhì)是有機溶劑和鋰鹽組成。單體三元鋰電池標稱電壓為3.6 V～3.7 V，比能量為150 Wh/kg～180 Wh/kg，特斯拉MODEL S車上比能量已經(jīng)達200 Wh/kg。三元鋰電池無記憶效應，但在安全性能、耐高溫性能、使用壽命性能方面比磷酸鐵鋰電池差。特斯拉MODEL S、吉利帝豪EV300、北汽EV200等車均使用了三元鋰電池。

（3）燃料電池。燃料電池是通過化學反應將化學能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置，能量的來源主要是依靠不斷供給燃料及氧化劑產(chǎn)生，主要是氫和氧。其因能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、壽命長、運行平穩(wěn)等特點被業(yè)界公認為未來汽車的最佳能源。世界首款量產(chǎn)燃料電池汽車是日本豐田Mirai車。

4.3 動力電池組的外部特征

（1）機械接口。動力電池組的殼體通過螺栓以機械方式與車輛底盤連接在一起，這種方式可使車身重力及車輛行駛期間產(chǎn)生的加速力作用在車身上。固定螺栓可直接從下方接觸到，不必事先拆卸底部飾板。

（2）電氣接口。動力電池組電氣接口包括高壓電接口和低壓電接口。以寶馬i3車為例，其動力電池組的高壓電接口和低壓電接口的位置如圖14所示。

1）高壓電接口。在動力電池組上有1個 2 芯高壓電接口（圖15）。動力電池組通過該接口與高壓電車載網(wǎng)絡連接。高壓電接口可防止接觸導電部件，實際觸點帶有塑料外殼，無法直接接觸，只有連接導線時才壓開塑料外殼并進行接觸。塑料滑塊用于機械鎖止插頭，也是安全功能的組成部分。未連接高壓電導線時，滑塊蓋住高壓電互鎖監(jiān)控電橋的接口（圖15b），只有按規(guī)定連接了高壓電導線且插頭已鎖止時，才能接觸到這個接口并插上電橋（圖15a）。這樣可以確保只有連接了所有高壓電導線時高壓電互鎖監(jiān)控電路才閉合，高壓電系統(tǒng)才會啟用，可以防止接觸可能帶電的接觸面。圍繞高壓電導線的兩個電氣觸點還各有一個屏蔽觸點，這樣可使高壓電導線屏蔽層（每根導線各有一個屏蔽層）一直持續(xù)到動力電池組殼體內(nèi)，從而有助于確保電磁兼容性（EMV）。

圖14 寶馬i3車動力電池組的高壓電和低壓電接口位置

圖15 寶馬i3車動力電池組高壓電接口

2）低壓電接口。動力電池組除了1個2芯的高壓電接口之外，還有1個12 V低壓接口（圖14），其可以為電池管理單元提供總電壓、總線信號、電流信號和溫度信號等。

（3）提示牌。動力電池組上一般裝有3個提示牌，即1個型號銘牌和2個警告提示牌。型號銘牌提供邏輯信息（如零件編號）和重要的技術數(shù)據(jù)（如額定電壓）。2個警告提示牌標明動力電池組采用的電池類型，并提醒可能存在的高壓危險。圖16所示為寶馬i3車動力電池組殼體端蓋上的3個提示牌。

圖16 寶馬i3車動力電池組殼體上的提示牌

4.4 動力電池組的車載充電接口

插電式混合動力汽車和純電動汽車需要補充充電，主要包括交流慢充和直流快充2種充電方式。在給動力電池組充電時，需將充電槍插入車載充電接口。對應交流慢充和直流快充2種充電方式，車載充電接口分為交流充電口和直流充電口，圖17所示為比亞迪e5車交直流充電口。具備交流慢充充電方式的車裝有車載充電器，其可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。在有直流快充功能的汽車上，將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的裝置安裝在充電樁內(nèi)，稱為非車載充電器。與交流慢充相比，有直流快充功能的汽車通常具備獨立的快充電路和充電連接器。

車載充電口均由2個高壓充電端子和多個低壓信號端子組成。低壓信號端子同時向車輛和充電機傳輸充電槍是否正確插入信號，并提供充電機能提供的最大充電電流及動力電池組可接收的最大充電電流等信號。

為了達到動力電池組充電時整車防水密封性要求，充電口通過另一個端蓋（圖18）防止充電接口受潮。另外，車載充電接口要能夠承受瞬時大電流的充電過程。

圖17 比亞迪e5車的充電口

4.5 動力電池組的廢棄處理

電動汽車制造商和電池供應商都會使用回收和再利用動力電池組。部分動力電池組制造商還會將舊動力電池組的某些部件重新應用到所更換的電池組上。用于替換的動力電池組通常放在特殊的裝運箱中（圖19）被運送到汽車維修點。技術人員從裝運箱中取出替換電池組后，把故障電池組安全牢固地裝入這個裝運箱內(nèi)并寄回發(fā)貨處。裝運箱內(nèi)通常帶有包裝說明和安全防護須知。

圖18 充電口防潮保護裝置

圖19 運輸動力電池組的裝運箱