三元锂电池在新能源汽车上的设计与应用

呼升

安徽省汽车工业学校 安徽省合肥市 231131

当前我国已经为新能源汽车产业提供了战略支持，作为新能源汽车的三电系统核心部件，三元锂电池的应用性能、质量直接影响整体车辆的性能，甚至会对行业发展产生影响，因此必须要合理进行设计和应用，确保新能源汽车行业的良好发展进步。

1 三元锂电池在新能源汽车中应用的价值

1.1 三元锂电池分析

锂元素在自然领域中属于重量最低、原子质量最小的金属，能量比较高，性质非常活泼，很容易失去电子被氧化成为Li，其中的标准电极电位极为-3.045V，电化学当量是0.26g/Ah。对于三元锂电池而言其中的正极是由锰、钴、镍所组合而成，这三种过渡金属氧化物的比例有所不同，镍占有80%，具有影响电池设备存储电量容量的作用，锰占有10%，直接影响着电池的稳定性，钴占有10%，有着影响电池倍率高低的作用。并且三元锂电池中的正极材料还涉及到磷酸铁锂成分、钴酸锂成分、钛酸锂成分、锰酸锂成分等等，和普通的正极材料相比可以将各类材料的优势全面整合，提升正极部分的稳定性、可靠性，并且各类纳米材料的薄层周期性交替生长，能够形成具有一定秩序、规则的多层结构，也就是超晶格结构。目前我国所生产的三元锂电池在应用的过程中性能良好、安全性较高，具备一定稳定性，能量密度也很高，可以起到高倍率放电的支持作用，成本较为适中，有着很大的市场发展前景和潜力。

1.2 在新能源汽车中的应用价值

新能源汽车中应用三元锂电池具有一定的优势，是增强新能源汽车运行效果和电池组应用性能的基础保障。主要优势表现为以下几点：

1）电池在应用的过程中所占用的面积很小。当前我国生产的三元锂电池单体能量密度为每千克250Wh 左右，包体能量密度为每千克200Wh 左右，而对于磷酸铁锂电池的单体能量密度为每千克150Wh 左右，包体能量密度在每千克100Wh 左右，由此可见相同容量之下三元锂电池的占用空间面积很小，适合应用在空间有限的新能源汽车中。

2）三元锂电池本身具有很高的能量密度，在相同体积状态下重量很轻、占用的空间小，并且相同体积的电池应用过程中续航里程更高，能够支持新能源汽车快速行驶，也可以为长途高速驾驶提供一定的支持。目前在新能源客车中使用磷酸铁锂电池，续航的时间长度和距离长度较低，需要在一定的距离范围之内设置充电桩进行充电，这也是磷酸铁锂电池局限应用在城市大巴中的重要原因。而三元锂电池就能够凭借续航里程高的优势应用在新能源汽车中提供一定的续航支持。

3）据调查在零下20 摄氏度的环境中三元锂电池还可以释放75% 左右的容量，甚至在零下30 摄氏度的环境也可以正常运行，而传统的磷酸钛锂电池在应用期间极限温度为零下20 摄氏度，所释放出的容量只有55% 左右，由此可见三元锂电池在低温的环境中也可以保证放电水平，耐低温的性能很高。

4）目前在三元锂电池充电的过程中主要使用限流与限压的方式处理，首先可以进行恒流充电操作之后恒压充电，前者主要就是在电流不变的情况下保持最高的充电电流，提升整体的充电效率，后者是在保持电压稳定的状态下减小电流，降低析气量。在20c 放电的情况下三元锂电池恒流比能够达到53% 左右，而磷酸铁锂电池只能达到10%左右，两者之间的差异性很高，可见三元锂电池在应用期间能够确保充电的可靠性和安全性，预防出现充电方面的问题或是不足。

从整体层面而言三元锂电池具备耐低温的性能，循环效果良好，存储的性能高，体积比能量大，成本处于适中的状态，性能非常稳定，是目前新能源汽车生产过程中的首选电池材料。

1.3 在新能源汽车中应用的不足

新能源汽车中使用三元锂电池虽然能够增强耐低温性能和应用的可靠度，但是受到诸多因素的影响还有所不足，主要问题为：①当前我国所使用的磷酸钛锂电池材料在出现短路现象的情况下也不会燃烧，耐高温性能较好，适合应用在客运大巴方面，能够提升电池应用的安全性与稳定性，而在新能源汽车中使用三元锂电池经常会出现起火事故，车辆静止的情况下自燃，对周围人们的安全和车辆安全造成危害，出现自燃现象的原因主要就是汽车有极端碰撞事故或是电池设备出现故障问题之后起火，再加上汽车中三元锂电池单体数量多、结构非常复杂、缺乏一定的稳定性，导致电池应用的安全水平降低。②磷酸铁锂电池在应用期间，循环寿命的周期长度高，而三元锂电池在上千次循环性充电和放电之后，电池容量衰减量较高，甚至衰减到标定额的60% 左右，例如：某新能源轿车中使用的三元锂电池进行3000次循环充电放电之后容量衰减到69%，而磷酸铁锂电池经过3000 次循环充电放电之后容量衰减到81%，由此可见三元锂电池的应用寿命周期很短。因此在新能源汽车中设计和应用三元锂电池应重点关注优缺点的分析，遵循扬长避短的原则，发挥三元锂电池应用的优势和长处，避开短板所在，制定提升安全性能与应用寿命的设计方案，通过有效的措施提升整体电池设备的应用效果。

2 三元锂电池在新能源汽车上的设计

2.1 合理设计续航里程

续航里程主要就是在新能源汽车动力电池组充满电之后能够持续性行驶的里程指标，根据有关的测量工况划分可以将其分成等速类型与循环工况类型，等速类型的续航里程主要是按照每小时40 千米或者每小时60 千米的巡航为标准，循环工况类型的续航里程是结合车辆应用环境设定，目前在欧洲设定为15 个工况，我国客车设定为6 个工况，而循环工况续航里程能够当做对电动汽车三电系统运行效率与整体车辆使用性的综合评价标准；按照虚续航里程具体的放电深度进行划分，可以将其分成理论类型、有效类型、经济类型三种，第一种理论类型就是按照电池组的能量存储理论内容与单位里程能量消耗理论数据值内容的计算，明确续航里程，此情况下电池充电深度、放电深度都是100%。第二种有效类型的续航里程就是应该确保电池组应用的实用性，能够尽可能减少应用成本，确保在稳定状态之下的续航里程，此情况下电池组的放电深度在75%左右。第三种经济类型的续航里程能够最高程度上确保电池具备较长的应用寿命，能够有效控制成本，确保电池组在良好的工作状态，此情况下的充电深度在90% 左右，放电深度在70%以内。而经济类型的续航里程，能够确保电池组的运行较为可靠、较为稳定，延长使用寿命，充电效率和放电效率很高，因此在新能源汽车中设计三元锂电池，应采用经济续航里程的设计方式，满足在电池组方面的应用需求。

2.2 合理设计单位里程能耗与比能耗指标

首先，对于单位里程能耗而言主要是在单位里程范围之内的电量消耗指标，可以将其分成电网交流、电池组直流两种类型的能耗指标，在设计此类指标的过程中无需考虑到充电机所带来的影响，只需将电池组的能量状态当做参考标准即可，直接将新能源汽车的经济性能展现出来。其次，由于新能源汽车的车型不同，电池的容量、车身的重量存在一定的差异性，不能直接进行经济性能的对比，因此在设计的工作中可以采用直流比能耗的概念对比各类车型的能耗情况，也就是分析单位里程范围之内的单位重量能耗，此类参数的应用可以将各类车型的传动系统匹配优化性、能源的利用率等直接反映出来，并且将直流比能耗当做是对新能源汽车的能耗经济评价指标，可以准确评价各类车型的能耗情况，具备一定的可比性。同时还需注意，如果在设计的过程中电压等级相同，可采用和比能耗相似的评价指标，也就是比容耗指标，确保各类指标对比的合理性，为设计工作提供准确依据。

2.3 电池与车辆匹配的设计

设计工作中要想更好将三元锂电池和新能源汽车之间相互匹配，可以采用功率匹配方式或是能量匹配方式，前者能够满足车辆在动力性能方面的高标准，后者可以满足线驶里程方面的高要求。在此期间可以采用车辆行驶动力学功率平衡方程计算分析，便于准确进行电池和车辆的匹配设计，如公式（1）。

公式中的代表的是新能源汽车的形式功率，单位是kW。m 代表的是整个车辆的重量，单位是kg。g 代表的是重力加速度，代表的是滚动阻力系数，代表的是坡道角，C代表的是空气阻力系数，A 代表的是迎风面积，计算单位是平方米，代表的是旋转质量换算系数，代表的是传动效率，单位是%，v 代表的是车速，单位是每小时千米，t 代表的是时间，单位是秒钟。

并且在设计工作中为确保三元锂电池设计过程中可以符合车辆爬坡性能方面、高车速匀速行驶方面的需求，应根据公式（3）与公式（4）计算分析。

2.4 混合动力汽车三元锂电池组匹配设计

新能源汽车的混合动力车辆中有两套能源系统，主要就是发动机设备和电池组设备，在设计的过程中混合比的设定和汽车应用性能存在直接联系，因此在设计过程中必须要注意可能会出现的问题，确保设计的效果。首先，设计续航里程延长类型的电池组。在车辆上设计功率很小的APU 部件，用来进行电池组电量的补充，这样不仅能够起到能量消耗的减缓作用，还能降低电量衰减问题的发生率。其次，合理设计连续行驶的模式。对于APU 部件而言能够持续性的运行，而电池组属于功率均衡性的设备，会输出峰值功率并且接收再生制动方面的能量。最后，设计间断行驶的模式，在汽车行驶受到限制的区域可以利用纯电动的方式正常驾驶，其中的APU 部件应该为电池组持续性的充电，电池组的容量也能够符合纯电动驾驶过程中对里程的要求。

3 三元锂电池在新能源汽车中的应用

3.1 具体应用

三元锂电池在新能源汽车中的应用，为确保符合具体的需求，应开展高寒方面、高热方面的耐久性试验活动，将高寒试验期间电池的工作温度控制在零下40 摄氏度，高温试验期间电池温度控制为零上60 摄氏度，确保所设计的电池可以在100 摄氏度温差范围之内正常运行。并且在应用的过程中能够为家用插座提供充电的操作，标准为220V/16A，从完全放空到充满电的时间长度为5 个小时。同时在三元锂电池应用的过程中还需设置SOC 方面的管理程序，以此为基础设定不同的使用模式。为避免出现电池正极结构、负极结构损伤的问题，应将电池的使用容量控制为10%到90%之间，避免出现深度充电或是深度放电的现象，以免发生不可逆转的破坏性问题。

3.2 未来的应用趋势

在新能源汽车中应用三元锂电池，未来发展的进程中为增强电池使用效果，应明确分析具体的趋势，①提升电压平台的应用趋势。通常在新能源汽车电池容量、重量、体积相同的情况下，随着三元锂电池电压平台的提高，续航的时间就会不断增加，使得相关的参数更为优化。因此在应用三元锂电池的过程中需要重点提高电压平台，利用增强电子供给性能的方式、改善锂离子扩散性能的方式处理。但是要想确保二者之间处于平衡状态，目前所使用的材料无法满足要求，还需进一步研究石墨烯材料的应用，确保从根本层面达到提升电压平台的目的。②提高电动性能的应用趋势。电动性能属于新能源汽车上应用三元锂电池过程中非常主要的评价指标，很容易受到电解液材质因素、隔膜厚度因素、活性材料种类因素的影响，和电池整体结构设计密度存在直接联系，为增强电动性能，在实际应用期间可以利用改性的方式、颗粒包覆的方式处理，确保电动性能与标准相符。③提升持续性安全水平的应用趋势。目前我国虽然在新能源汽车上应用三元锂电池能够取得良好的成效，但是很容易出现安全方面的风险隐患，并且安全问题已经成为对三元锂电池大规模组培、集成化应用最大的影响因素。按照当前测试结果可以发现，容量很高的三元锂电池过针刺测试、过充测试的概率很低，此情况下就需要通过使用锰元素的方式解决问题，甚至于还可以将锰酸锂元素相互混合应用，不断增强三元锂电池应用的安全性。并且在未来发展的阶段还需结合新能源汽车的特点、情况等，完善三元锂电池应用机制模式，提出能够提升安全性能、减少自燃问题发生率的措施，制定可以延长电池使用寿命的方案，确保可以为新能源汽车提供高质量、高安全性、应用寿命周期长的电池产品。

4 结语

综上所述，三元锂电池在新能源汽车上的应用具有重要意义，能够延长里程、增强行驶的稳定性。因此在新时期环境下应重点关注新能源汽车中三元锂电池的设计，合理设计续航里程、单位里程能耗与比能耗指标、电池与车辆匹配模式等，同时在应用的过程中不仅需要科学设定各类应用指标，还需提升电动性能、安全性能与电压平台水平，增强应用效果。