新能源汽车技术原理与维修（5）——电动汽车动力电池系统（1）

文：岳昇

新能源汽车技术原理与维修（5）
——电动汽车动力电池系统（1）

文：岳昇

锂离子动力电池是近些年来在电动汽车上越来越广泛使用的电池，然而也随之出现了人们对锂电池的续驶里程、安全性、可靠性和使用寿命等问题的关注。要弄清这些问题，首先应该对锂离子电池及其性能有一个基本了解。这关系到能否正确使用、检测、维护和修理动力电池系统，有效地发挥动力电池的作用，保障人身安全和车辆安全使用。

一、锂离子电芯种类及其特性

动力电池是纯电动汽车驱动能量的唯一来源，直接关系到电动汽车的动力性能、续航能力和安全性。从纯电动汽车成本构成看，电池系统占据了新能源汽车成本的30%～50%。动力电池技术一直影响着电动汽车的实用化进程。

锂离子电池是目前电动车上最常用的电池种类之一，从1970年诞生至今时间并不算长，但相对于铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池，凭借其能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速在电动汽车上被广泛应用。目前在电动汽车上配备的锂电池主要有锰酸锂电池、钛酸锂电池、磷酸铁锂电池及三元锂电池（图1）。

1.锂离子电池电芯种类

由于锂元素化学性质非常活泼，很容易分解成xLi+ 和xe- 。锂元素可与许多金属形成晶状结构化合物，例如钴酸锂、锰酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂。在这些晶状结构化合物中，锂元素活性要小了许多，而且在这些晶状结构的物质中，锂元素能以离子形式嵌入和脱出，即锂离子的这种状态可逆。锂元素以这些晶状结构的材料为载体就安全多了，这是锂离子电池应用的重要基础。

图1 打开上盖的三元锂聚合物电池包（北汽EV200）

目前常用石墨及钴酸锂、锰酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂和三元材料等来储存锂原子。这些材料的分子形成了纳米等级的细小晶体格子结构，可用来储存锂原子。即使是电池外壳破裂，接触氧气，也会因氧分子太大，进不了这些细小的晶体格子内，使得锂原子不会与氧气接触而剧烈反应导致爆炸。锂离子电池的这种结构，使得在获得高容量密度的同时，也达到安全的目的。

2.锂离子电池的形状及结构

锂离子电池的形状主要有圆柱形锂电池和方型锂电池两种，此外还有钮扣式锂离子电池。方型和圆柱形锂离子电池一样，盖子上也有一种特殊加工的破裂阀，以防止电池内压过高而可能出现的安全问题。这种阀一旦打开，电池即失效。同样，锂离子电池的极片也是卷绕起来的，它完全不同于方形MH—Ni或Cd-Ni电池的叠片结构。方型与圆柱形电池不同，方形电池的正极柱是一种金属—陶瓷或金属—玻璃绝缘子，它实现了正极与壳体之间的绝缘。

锂离子电池充电时，正极的锂原子会丧失电子，在外部有连接电路的情况下，就会形成电流，此时锂原子氧化为锂离子并经由电解液游到负极去，进入负极的储存晶格，并获得一个电子，还原为锂原子。放电时，整个程序倒过来（图2）。为了防止电池的正负极直接碰触而短路，电池内加上一层带有众多细孔的隔膜纸，来防止短路。隔膜只允许锂离子往复通过，不允许电子通过。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时， 自动关闭细孔，让锂离子无法穿越，防止危险发生。

图3 锂离子电池的内部结构

无论是方形电池还是圆柱形锂离子电池基本都由正极、负极、电解液及隔膜组成，另外加上正负极引线、安全阀、PTC（正温度控制端子）和电池壳等（图3）。

正极：采用锂化合物LiXCoO2（钴酸锂）、LiXNiO2（镍酸锂）、LiFePO4（磷酸铁锂）和LiXMnO2（锰酸锂）以及三元材料镍、钴、锰酸锂。

负极：采用锂-碳层间化合物LiXC6。

电解质：一般采用溶解有锂盐的有机制剂，根据所用电解质的状态可分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池、全固态锂离子电池。

隔膜只允许锂离子Li+往返通过，阻止电子e-通过，在正负极之间起到绝缘作用。

三元锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂Li（NiCoMn）O2的锂电池，是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。由此可以看出我们是以锂离子电池的正极对其进行更细的分类与命名。

3.锂离子电池工作原理

锂离子电池种类繁多，但工作原理大致相同。

（1）充电过程（图4）

充电池时，晶状结构正极材料上的锂分成锂离子和电子，电子通过外部电路跑到负极上，正锂离子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”到达晶状体结构负极，与外部跑过来的电子结合在一起，导致负极处于富锂状态。

（2）放电过程（图5）

电池放电时，电子和Li+同时行动的电子从负极经过外电路导体跑到正极，锂离子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。

（3）摇椅现象

从电池内电路来看，充电时锂离子插入负极，放电时锂离子又嵌入正极，锂离子像坐摇椅一样，在正极和负极之间来回移动，锂电池的正负极像摇椅，所以锂离子电池又称为“摇椅电池”

（4）充放电过程中，电池容量的变化

在充电过程中，电池在外部充电器电压的作用下，随着锂离子从正极向负极移动，电池贮存的电量越来越多，正负极之间的电压越来越高，直到充满。

放电过程中，锂离子从负极向正极移动，电池贮存的电量越来越少，电池的正负极电压越来越低，直到放电终了。

电池正负极材料的晶体结构，在锂离子迁移过程中会出现变化，如果过充严重时会导致负极晶格堵塞，过放会导致负极晶格塌落，因此锂电芯不能单独使用，必须与充放电控制电路组合使用。

图4 锂离子电池的充电过程

图5 锂离子的放电过程

二、锂离子电池的性能

1.锂离子电池出厂时的充电过程

锂离子电池从生产线下来，需要进行“化成”，通过充电把它变化成可以使用的电池。这第一次充电非常重要，如图6所示，一开始只允许涓流（0.1C）充电，先充到3.0 V，然后以较大电流恒流充电，但注意电池不能过分发热（超过材料的充电接受能力）。充电电流越大，接受比率就越低，对电池的伤害就越大（这是第一次充电，出厂后锂离子电池使用放电终了电压一般都设置高于2.6 V）。

当电压充到某个数值以后，切换成恒压充电，因为此时锂离子已经快转移完毕，极板的充电接受能力下降，充电电流会逐渐减小。当充电电流降低到某个数值以后（0.1C），停止充电。

2.使用过程中锂离子电池充放电性能

图6 锂离子电池的第一次充电曲线

（1）磷酸铁锂电池1.0C充放电曲线磷酸铁锂电池1.0C充放电曲线（图7）可以看出，在恒流充电开始时，随着电池充入的电量增加，电池正负极从2.6 V快速上升到3.2 V，然后电压随充入的电量增多而缓慢上升；到电池正负极电压上升到3.4 V左右，这是电池充入的电量接近90%；充电进入恒压充电阶段，电池正负极电压缓慢上升，充电电流逐渐下降，表明充入的电量减少。随着后期继续恒压充电，电池正负极电压上升到4.1 V，充电电流下降到0.1C，充电结束。

放电过程开始时，电池正负极电压从4.1 V到3.4 V下降较快，继续放电，从3.4 V到3.0 V过程是一个较长的过程，虽然电池的容量逐渐减少，但电池的电压曲线有一个很小的斜率，处于一个平台区域，通常称为放电平台。一般取中间值3.2 V标为电池的额定工作电压。动力电池的功率值根据这个额定电压与容量（Ah），计算出能量（Wh）。不同材料的锂离子电池，由于正负极材料的电极电位不同，实际测量出放电工作平台值不同，额定工作电压也不相同。

（2）磷酸铁锂电池与三元锂电池的充放电曲线

由于正极材料的电极电位高低不同，磷酸铁锂电池与三元锂电池的充放电曲线所处的电压高低位置也不同，三元锂电池的充电最高截止电压、放电最低截止电压及额定电压比磷酸铁锂电池高。同样容量下，三元锂电池的能量比磷酸铁锂电池大，能量密度高。磷酸铁锂电池充电截止电压3.8 V，三元电池充电截止电压4.2 V。如图8所示，同样0.5C充电条件，磷酸铁锂电池与三元锂电池最高充电截止电压不同。

图7 磷酸铁锂电池1.0C充放电曲线

图8 磷酸铁锂电芯与三元锂电芯0.5C充电曲线图对比

图9 磷酸铁锂电芯放电与三元锂电芯放电曲线图对比

图10 25℃时不同倍率充电曲线

（3）3个放电倍率级别下磷酸铁锂电池与三元锂电池电池特性比较

相同放电倍率级别，磷酸铁锂电池与三元锂电池放电曲线比较，放电倍率较大时，磷酸铁锂电池电压下降较快（图9）。磷酸铁锂电池工作平台电压3.2 V，放电截止电压2.65 V; 三元电池工作平台电压3.7 V，放电截止电压3.0 V。

（4）相同温度不同倍率的充电特性与放电特性

从图10所示的曲线图可以看出，在25℃环境中，充电倍率越大，电池正负极电压上升越快；但是充入的电量在减少，电池快充难以充满电量，一般1C倍率半小时充到80%就很好了。

从图11所示的曲线图可以看出，在25℃环境中，放电倍率越大，电池正负极电压下降越快，能够放出的电量在减少。以放电终止电压2.6 V为界，1C倍率放电能放出接近75%的容量，5C放电能放出接近65%的容量。放电倍率越大电池发热越严重。

图11 25℃时不同倍率放电曲线

图12 在不同温度条件下1倍率放电曲线

图13 锂电池放电曲线

在电池大倍率放电时，电池的电压下降很快，如果停止放电，电池的电压会有一些上升。

（5）相同倍率不同温度的放电曲线

从相同倍率不同温度的放电曲线（图12）可以看出，在温度25～55℃，放电曲线基本相同，0～10℃放电还可以使用，零下10℃以下电池放电严重受到影响，必须采取加热保温措施。

通过上述对锂离子电池的工作原理与性能的简单分析，我们可以知道，锂离子电池能量密度高，使用中必须采取有效的措施，避免内部和外部的原因导致短路，损坏电池，引发事故。对锂离子电池尽量在较低的倍率状态下进行充放电。在低的充放电倍率状态使用，可以使电池充电量更多一些，放电量也可以更多一些。例如优选慢充电，少用快充电；行车时少用急加速，减少大功率放电等。锂离子电池在温度0～50℃之间使用，充放电性能表现是比较好的。如果外界温度低于10℃，停车后借助车辆余温，尽快对车辆充电。冬季电动汽车应选择较暖的地方停放。纯电动汽车用锂动力电池，必须按照整车厂充放电规定使用，一方面要避免充到厂家规定的截止电压后，还要再多充一会儿，会导致电极堵塞；另一方面在仪表提示电量不足时应尽快充电，不要放电到仪表电量显示为“零”时，还强行行驶，这会导致电池电极塌落，成为不可修复的损坏。

（6）荷电量与电压的关系曲线

图13 是锂电池的放电曲线，曲线在整个工作区间有一个恒定的5 mV/%（soc）的斜率。充电时也有类似的曲线，但是曲线是上升变化的。简单的充放电控制电路就是根据电压的变化值，判断电池的荷电状态是快充满了或是快放光了，进而控制电池充、放电是否停止。我们可以通过测量电压判断电池的荷电状态SOC。

（待续）

岳昇，北京汇智慧众汽车技术研究院技术总监，高级工程师，高级培训师，清华大学精密仪器系机械制造专业毕业。北京市汽车工业高级技工学校（原北京油泵油嘴厂技校）专业课教师，1988年赴联邦德国进修，回国后长期陪同协调德国专家开展汽车维修检测技术推广支持工作，参与负责德国柏林机械与制造技术高级培训中心和戴姆勒-克莱斯勒柏林厂培训中心与北汽集团的合作项目工作。1995年再赴新加坡南洋理工学院进修学习，回国后长期从事汽车专业技术课的教学与培训工作。