新能源汽車動力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化研究

摘 要：新能源汽車是當前我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展建設(shè)的重點所在，在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中電池是核心所在，做好電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，及時對電池包性能進行優(yōu)化，能夠更好推動我國新能源汽車事業(yè)的發(fā)展和進步。文章將深入探究分析新能源汽車動力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化的相關(guān)問題，希望能夠為新能源汽車動力電池技術(shù)的發(fā)展提供更多理論層面的支持，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展建設(shè)提供更多助力。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池包 結(jié)構(gòu)設(shè)計 性能優(yōu)化

電池是新能源汽車的核心所在，新能源汽車電池包設(shè)計越是科學合理，性能越卓越，新能源汽車的續(xù)航效果通常也就越理想。當前，新能源汽車動力電力技術(shù)發(fā)展迅速，但是從長遠發(fā)展的角度來看，還需要持續(xù)性對電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，保證其能夠更好適應(yīng)新時代發(fā)展需要。

1 新能源汽車動力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計進展分析

1.1 鋰離子電池技術(shù)

鋰離子電池是新能源汽車中常用電池之一，該電池的具體技術(shù)情況如下。

一是電極材料創(chuàng)新。在鋰離子電池設(shè)計過程中，應(yīng)用高鎳三元正極材料（如NCM811、NCA等），憑借相對比較高的電壓平臺與比容量，顯著提升電池能量密度，其中NCM811的比容量超過200mAh/g，遠超傳統(tǒng)NCM523（其比容量通常在150-180mAh/g）。當然，其熱穩(wěn)定性比較差，需要進行電池好管理主模式優(yōu)化和材料改性研究。硅基負極材料從理論層面上來說比容量高達4200mAh/g，選超石墨負極，但是其充放電時體積膨脹超過300%，電極結(jié)構(gòu)可能因此而被破壞，性能出現(xiàn)比較嚴重的破壞。在實際應(yīng)用過程中，如果要想有效發(fā)揮相關(guān)材料的作用價值，可以通過納米化、復合化等方式形成硅碳復合材料，這樣能夠有效緩解材料體積膨脹的問題，提高材料循環(huán)的穩(wěn)定性和可靠性。

二是電解質(zhì)改良。傳統(tǒng)電解質(zhì)添加氟代碳酸乙烯酯等特殊添加劑，能夠形成比較穩(wěn)定的SEI膜，借此提升電池循環(huán)壽命，保證電池的穩(wěn)定性與可靠性?，F(xiàn)如今，隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，高濃度電解質(zhì)體系研究也在深入推進，這種體系的特點在于可以提高離子傳導率以及電化學窗口，可以進一步增強電池性能，部分高濃度鋰鹽電解質(zhì)體系已經(jīng)顯現(xiàn)出了對高電壓正極材料的良好兼容性以及離子傳輸?shù)莫毺貎?yōu)勢。與此同時，固態(tài)電解質(zhì)在安全性方面優(yōu)勢顯著，而且在離子傳導率方面也有著顯著性的優(yōu)勢，固體電解質(zhì)與液態(tài)電解質(zhì)彼此結(jié)合，能夠形成準固態(tài)電解質(zhì)體系，這樣既可以保留液態(tài)電解質(zhì)優(yōu)良的傳導性，同時還能提升固態(tài)電解質(zhì)的安全性與可靠性。

三是結(jié)構(gòu)設(shè)計與封裝技術(shù)。借助3D結(jié)構(gòu)設(shè)計電池電極，比如說借助3D多孔電極結(jié)構(gòu)，能夠有效增加電極與電解質(zhì)之間的接觸面積，使得離子傳輸路徑大幅度縮短，能夠有效提升電池的充放電性能，提升電池的倍率性能。在電池封裝過程中，積極使用新材料和新工藝，比如說可以借助新型輕量化材料，對電池機械性能進行優(yōu)化，同時有效減輕電池組的重量，汽車的續(xù)航里程也能夠得到有效提升。在對電池進行封裝時，采用先進的封裝工藝還可以使得電池的集成化以及熱管理效果進一步優(yōu)化，電池的性能和安全性也能夠更好保證。

1.2 固態(tài)電池技術(shù)

固態(tài)電池技術(shù)也是新能源汽車動力電池的核心技術(shù)，要使得固態(tài)電池包設(shè)計更加科學合理，需要做好以下方面的工作：一是做好材料選擇與優(yōu)化。據(jù)相關(guān)研究表明，氧化物固態(tài)電解質(zhì)的機械強度以及化學穩(wěn)定性均比較高，但是其離子傳導率相對比較低。硫化物固態(tài)電解質(zhì)的離子傳導率相對比較高，但是其穩(wěn)定性并不是十分理想。聚合物固態(tài)電解質(zhì)的柔韌性以及可加工性均比較突出，但是在高溫高壓的環(huán)境下其性能也會受到影響和干擾?，F(xiàn)如今，借助多種措施，元素摻雜、復合等手段，比如說可以在硫化物固態(tài)電解質(zhì)中摻雜少量的氧化物，可以更好平衡該材料的化學穩(wěn)定性，離子傳導率也能夠進一步提升。與此同時，由于固態(tài)電池電極物固態(tài)電解質(zhì)界面與液態(tài)電池相比有著顯著性差異，比如說可以對電極表面進行修飾，應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)電極材料，這些都可以改善電池材料界面相容性，電池電荷傳輸效率能夠更好保證，提升固態(tài)電池的整體性能。二是積極創(chuàng)新突破制造工藝。電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，對制造工藝進行突破，優(yōu)化原材料合成處理、固態(tài)電解質(zhì)薄膜制備、電極涂覆成型以及電池組裝封裝等一系列工藝，可以更好提升電池的性能，保證電池的安全性與可靠性。以固態(tài)電解質(zhì)薄膜制備為例，借助先進的工藝技術(shù)，能夠制備出更加優(yōu)質(zhì)、厚度均勻的薄膜。此外，企業(yè)通過對生產(chǎn)設(shè)備進行優(yōu)化，持續(xù)性改進工藝參數(shù)，應(yīng)用全自動生產(chǎn)工藝等多種手段，可以持續(xù)性提升電池的性能，及時優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的各類問題與不足。三是積極拓展應(yīng)用場景。固定電池具有高能量密度、輕量化的特點，可以有效滿足低空飛行器的運行需求，其在新能源汽車中也有著顯著的優(yōu)勢。固態(tài)電池具有高安全性、高穩(wěn)定性的特點，在極端環(huán)境下也能夠有效運行，固態(tài)電池的應(yīng)用前景極為廣泛，在未來還需要進一步深入研究分析，以使得新能源電池包的可靠性和穩(wěn)定性更好保證。

2 新能源汽車動力電池性能優(yōu)化策略

當前，我國新能源汽車針對動力電池技術(shù)的研究不斷深化，動力電池包設(shè)計也朝著更加高質(zhì)量的方向發(fā)展，但是在設(shè)計中存在的短板和不足還比較多，因此在未來還需要持續(xù)性對新能源汽車動力電池性能進行優(yōu)化，其具體可以從以下層面著手。

2.1 對電池能量密度進行優(yōu)化

電池能量密度越高也就意味著電池的續(xù)航能力越強，在對電池能量密度進行優(yōu)化時，可以圍繞以下方面內(nèi)容展開。

一是做好電池材料創(chuàng)新。電池材料不佳，其能量密度也就越低，因此對電池材料進行創(chuàng)新就顯得極為有必要了。在電池材料創(chuàng)新時，要積極探索新型正極材料，比如說富鋰錳基材料，這一類材料的比容量以及電壓平臺均更加理想，能夠更好滿足動力電池的應(yīng)用需求，提高電池的應(yīng)用效果。與此同時，還需要強化固態(tài)電解質(zhì)材料的應(yīng)用。固態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)勢表現(xiàn)為不僅可以提高電池的安全性，而且許多固態(tài)電解質(zhì)的性能比較高，離子傳導率效果突出，在電池應(yīng)用時可以應(yīng)用更高電壓的正極材料以及更加具有潛力的負極材料，能夠進一步保證電力能量密度。

二是對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。動力電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是極有必要的，其能夠有效提升電池的穩(wěn)定性與可靠性，比如說，通過多層極片堆疊技術(shù)多層極片交替堆疊，合理設(shè)計間隔和連接方式，在有限的體積內(nèi)增加電極材料用量，提升能量存儲容量。比較說，通過精密的堆疊，合理設(shè)計極片的間隔和連接方式，可以在不增加電池體積和重量的基礎(chǔ)之上，使得電池的存儲容量進一步增加，保證電池的質(zhì)量與性能。

現(xiàn)如今，針對各種新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也在不斷探索，比如說，部分新能源汽車企業(yè)積極推進“無鈷電池”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中減少或者是直接消除鈷元素的應(yīng)用，不僅能夠有效降低電池的生產(chǎn)制作成本，與此同時還能夠優(yōu)化電池的能量密度。此外，在電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新優(yōu)化方面，還積極對電池包的外形進行優(yōu)化，如將電池設(shè)計成扁平條狀，不僅可以有效優(yōu)化電池的能量密度，與此同時還可以提高電池包的空間利用率，使得電池包的整體性能得到進一步優(yōu)化。

2.2 電池充放電效率的優(yōu)化

電池充放電效率低下，將會對電池的整體性能產(chǎn)生干擾和影響，縮短電池使用壽命。在電池充放電效率優(yōu)化方面，可以從以下方面著手。

一是對充電策略進行優(yōu)化?，F(xiàn)如今針對電池充電技術(shù)也在積極革新，比如說脈沖充電技術(shù)的應(yīng)用。脈沖充電是通過間歇式施加高電流脈沖充電的方法，在充電時，高電流脈沖可以快速將鋰離子嵌入到電極材料之中，在間歇期促使鋰離子在電極材料中快速地擴散，使其分布更加均勻，這樣能夠有效保證電池能量，同時縮短電池充電所需要的時間。在該技術(shù)應(yīng)用過程中合理控制脈沖的頻率、幅度以及占空比，不僅能夠有效保證充電速度，而且還能更好控制電池發(fā)熱問題，減輕充電對電池壽命所產(chǎn)生的各種負面影響。在充電時，還可以對恒流恒壓充電策略進行優(yōu)化和改進，傳統(tǒng)的恒流恒壓充電技術(shù)在應(yīng)用過程中存在諸多弊端，比如說充電進入到后期時，電池內(nèi)阻將會增加，充電電流可能會因為內(nèi)阻的影響而逐漸減小，充電速度因此大幅度下降。通過對恒流恒壓充電策略進行優(yōu)化，如采用分段式恒流恒壓充電的方式，這樣可以有效提高充電效率在充電初期可以采用比較高的恒流值，等到電池電壓達到一定閾值之后，再逐步降低恒流值切換到恒壓充電的狀態(tài)，這樣既可以保證電池的安全性，還可以加快充電速度，能夠更好滿足用戶的需求。

二是提升電池放電性能。在提升電池放電性能時，一方面可以對電極材料進行優(yōu)化，通過改善電極材料的晶體結(jié)構(gòu)以及微觀形態(tài)，可以有效提升鋰離子在電極材料中的擴散系數(shù)，使得電池在不同的負載條件下能夠更好放電，滿足車輛的電池應(yīng)用需求。比如說，在電極材料優(yōu)化時，可以在正極材料中進行納米結(jié)構(gòu)化處理，這樣鋰離子的擴散路徑得以有效縮短，電極與電解質(zhì)之間的接觸面積得以有效擴大，電池在放電火車中能夠釋放出更多電能，滿足汽車的電力需求。另外一方面，為進一步加強對電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化。在電池管理系統(tǒng)時要積極引入人工智能技術(shù)，借助相關(guān)技術(shù)可以動態(tài)化監(jiān)督管理電池的各項啟用情況，結(jié)合所反饋出來的情況，快速對電池的放電策略進行優(yōu)化控制調(diào)整。比如說，如果車輛運行期間正在爬坡或者是加速運行，此時對電池的放電要求就比較高，就可以借助智能化電池管理系統(tǒng)，對電池的電力釋放進行優(yōu)化，保證電池系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出，使得汽車在復雜狀況下也能夠穩(wěn)定可靠地運行。

2.3 做好電池壽命的優(yōu)化

如果電池壽命短，那么新能源汽車的使用性能就難以得到有效保證。因此，為了進一步優(yōu)化新能源汽車動力電池的性能，還需要提高對電池壽命的關(guān)注度，在優(yōu)化電池壽命時可以從以下方面著手。

一是對制造工藝進行優(yōu)化。電池制造工藝不佳，其使用壽命必然會縮短，因此，對制造工藝進行優(yōu)化就顯得極有必要了。具體優(yōu)化可以從以下兩個方面著手，一是積極應(yīng)用高精度制造工藝。采用高精度的電極涂覆、極片裁剪以及電池組裝工藝，可以有效保證電力材料厚度的一致性，避免厚度出現(xiàn)比較大的偏差，影響后期的使用質(zhì)量效果，而且對工藝進行優(yōu)化控制還可以提高電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性。比如說，高精度的電極涂敷工藝的應(yīng)用，可以將電極材料在極片上的均勻分布，有效規(guī)避局部電流密度過大的問題，同時有效控制電池性能快速下降的問題，延長電池的循環(huán)使用壽命。另外一方面是保證生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定性和可靠性。如果電池生產(chǎn)環(huán)境不佳，其性能也難以有效保障，因此在電池生產(chǎn)時還需要密切關(guān)注環(huán)境的變化情況，要加強環(huán)境管理，電池制造期間，注意控制生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度，避免外界因素污染電池材料或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導致電池在應(yīng)用期間出現(xiàn)不良反應(yīng)或者是其他問題。在環(huán)境管理時要建立嚴格的標準制度，定期對各類生產(chǎn)設(shè)備進行控制，這樣也能夠有效保證生產(chǎn)質(zhì)量，延長電池使用壽命。

二是推廣應(yīng)用電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)應(yīng)用的目的就是為了有效減少電池應(yīng)用環(huán)節(jié)的各類突發(fā)性故障，提高車輛運行的安全性與可靠性。在電池管理系統(tǒng)應(yīng)用過程中，一方面要做好狀態(tài)監(jiān)測和預警，借助管理系統(tǒng)動態(tài)化監(jiān)測電池的電壓、電流以及溫度等一系列參數(shù)變化情況，一旦相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)生異常，保證能夠第一時間予以響應(yīng)，快速解決相關(guān)問題，避免小問題轉(zhuǎn)化為大問題。另外一方面則需要實現(xiàn)均衡管理。由于電池單體的性能通常存在差異，在使用期間可能會出現(xiàn)過充或者是過放等不良現(xiàn)象，最終對整個電池組產(chǎn)生不良影響。針對這一類問題則需要加強管理，可以借助主動均衡技術(shù)對單體電池的電能進行平衡控制，保證電池更好運行。

總之，時代在不斷發(fā)展和進步，新能源汽車動力電池技術(shù)也在不斷創(chuàng)新發(fā)展，電池是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要驅(qū)動力，只有持續(xù)性對新能源汽車動力電池包技術(shù)進行創(chuàng)新和優(yōu)化，提升動力電池包的整體性能，才能更好助力相關(guān)行業(yè)發(fā)展和進步，提高大眾對于新能源汽車的認可度與滿意度。

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