模塊4　電池與電源管理系統

項目1　電池構造與原理

4.1.1　電池的特性與分類

電池為蓄電池的簡稱，本書中的高壓電池一般指可充電的、為高壓部件提供電源的大容量蓄電池。

蓄電池是電動車的心臟。高壓蓄電池通過電源插頭等進行外部充電。它向動力電子單元直接供電。

動力電子單元將直流電壓轉化為交流電壓并通過三條線路（U、V和W）向電動機/發電機供應三相交流電。在電動機驅動下電動車開始運行。

高壓蓄電池是專門用來向電動機/發電機供電的可充電蓄電池。高壓蓄電池典型電子數據（如標稱電壓、效率和能量密度）取決于用于能量存儲媒介內部配置的化學物質的種類。

如果將鋅棒和銅棒分別置于不同容器適當的電解溶液中，則兩種金屬會以不同速度向電解質中釋放離子，電子將留在金屬棒上。在一個容器中，溶液中有很多帶正電的鋅離子，鋅棒上則留有許多電子。在另一個容器中，溶液中僅有少量正極銅離子，銅棒上也只有少量電子。如果現在將兩個容器用離子橋相互連接起來，則會因不同的離子濃度而發生電荷交換。由于鋅棒上聚集了過量電子，因此它將作為正極，而銅棒將作為負極。由于電子濃度不同，因此兩者之間的電壓可測。

如果使用導線連接兩個電極，則電子會從正極流向負極。該構造通常被稱作原電池，是蓄電池最簡單的形式。如果能量從蓄電池中釋放，則正極轉為負極。在可充電蓄電池中，相同的電極可作為正極或負極交替工作，取決于蓄電池正在充電還是正在放電。蓄電池工作原理如圖4-1所示。

可充電蓄電池通過電極和電解質使用的材料進行分類。最常見的可充電蓄電池為鉛酸、鎳鎘、鎳氫和鋰離子蓄電池等。我們將在表4-1簡要介紹這些蓄電池及其主要特征。

4.1.2　鋰離子電池

4.1.2.1　磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由于其性能特別適于作動力方面的應用，故多稱為磷酸鐵鋰動力電池，也有把它稱為“鋰鐵（LiFe）動力電池”的。磷酸鐵鋰動力電池是用磷酸鐵鋰（LiFePO₄）材料作電池正極的鋰離子電池，它是鋰離子電池家族的新成員。目前用作鋰離子電池的正極材料主要有LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiNiO₂及LiFePO₄。這些組成電池正極材料的金屬元素中，鈷（Co）最貴，并且存儲量不多，鎳（Ni）、錳（Mn）較便宜，而鐵（Fe）最便宜。

LiFePO₄電池的內部結構如圖4-2所示。左邊是橄欖石結構的LiFePO₄作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li⁺可以通過，而電子e^-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。LiFePO₄電池在充電時，正極中的鋰離子Li⁺通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li⁺通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

以比亞迪F3DM電動汽車為例，該車型動力電池包共有10個模組，每個模組10個單體，電壓采樣線101條，溫度采樣線110條，正負極母線各1條，托盤1個，壓條若干。內部結構見圖4-3。

電池包參數：每個單體3.3V，電池包標稱電壓330V，容量45A·h，一次充電15kW·h。

動力電池系統是電動汽車主要動力能源之一，它為整車驅動和其他用電器提供電能。

比亞迪秦的動力電池系統由10個動力電池模組、10個動力電池信息采集器、動力電池串聯線、動力電池支架、動力電池包密封罩、動力電池采樣線等組成，相比2014款，動力電池包把模組內部的繼電器保險外掛，繼電器由4個減少為1個，保險1個。10個動力電池模組中各有14～18節數量不等的電池單體，總共160節串聯而成。額定總電壓為528V，總電量為13kW·h。動力電池包安裝位置如圖4-4所示。

電池模組連接方式如圖4-5所示。

2014款比亞迪秦電池包（152節、501.6V、26A·h）單體連接與成組分布見圖4-6。

2015款比亞迪秦電池包（160節、528V、26A·h）下層的每個模組都是18節單體，上層的每個模組都是14節單體。電池模組分布方式見圖4-7。

比亞迪DM二代的每一個高壓回路均有保險作為過流保護。電池包內部增加了一定數量的保險盒接觸器進行保護，動力電池的每根采樣線也有單獨的保險保護。電池包熔絲位置見圖4-8。

即使發生碰撞短路，也可保證電池包等高壓器件及線束不會短路損壞或起火。

維修開關（Service Switch）位于動力電池包總成上方的左上角，見圖4-9，連接了動力電池的一個正極和一個負極；它的主要作用是在車輛維修時直接斷開高壓回路，從而保證操作人員的安全。維修開關正常狀態時，手柄處于水平位置；需要拔出時，應先將手柄旋轉至豎直狀態，再向上拔出；需要插上時，應先沿豎直方向用力向下插入，再將手柄旋轉至水平狀態。

比亞迪E6動力電池包采用分布式管理器，每個單體3.3V，共93個單體，電池包標稱電壓306.9V、容量200A·h，一次充電61kW·h左右，動力電池包安裝位置與部件分布如圖4-10、圖4-11所示。

新電池包已取消E組模組、C1/B1增加1節電池，取消E/C1/B1保險，在維修開關位置增加1個保險。新電池包模組組成見圖4-12。

4.1.2.2　三元鋰電池

三元鋰電池又稱三元聚合物鋰電池，指的是以鎳鈷錳三元材料作為正極材料，以石墨作為負極材料的電池，其以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，里面鎳鈷錳的比例可以根據實際需要調整，這是日韓等電池企業主攻技術方向。三元鋰電池最大優勢在于電池儲能密度高，其儲能密度通常在200WH/kg以上，相對于磷酸鐵鋰的90～120WH/kg，更適合乘用車市場對續航里程的需求，但是三元鋰電池材料分解溫度在200℃左右，它會釋放氧分子，在高溫作用下電解液會迅速燃燒，引發電池自燃和易爆風險，因此它對電池管理要求很高，需要做好過充保護（OVP）、過放保護（UVP）、過溫保護（OTP）和過流保護（OCP）等。

寶馬i3電動汽車高電壓蓄電池內使用的電池屬于鋰離子電池類型（電池類型為NMC/LMO混合）。鋰離子電池的陰極材料基本上是鋰金屬氧化物。“NMC/LMO混合”這一名稱說明了這種電池類型使用的金屬一方面是鎳、錳和鈷的混合物，另一方面是鋰錳氧化物。通過所選陰極材料優化了電動車所用高電壓蓄電池的特性（能量密度較高、使用壽命較長）。像往常一樣使用石墨作為陰極材料，放電時鋰離子沉積在石墨內。根據所使用的材料，電池額定電壓為3.75V。i3高壓電池模組安裝位置如圖4-13所示。

高電壓蓄電池單元由以下主要組件構成：帶有實際電池的電池模塊；電池監控電子裝置；安全盒；蓄能器管理電子裝置SME控制單元；帶散熱器或選裝配置加熱裝置的熱交換器；導線束；接口（電氣、制冷劑、排氣）；殼體和固定部件。其電池模塊外圍部件分布如圖4-14所示。

除了高壓接口外，高壓蓄電池單元還有一個至12V車載網絡的接口。借此為集成式蓄能器電子管理系統（SME）提供電壓、總線信號和傳感器信號。

在無需拆卸高壓蓄電池單元的情況下，可以斷開導線（高壓接口和至12V車載網絡的接口）以及制冷劑管路。高壓蓄電池單元位于車廂內部之外。如果單格電池因故障嚴重而產生過壓，則相應氣體無需通過放氣管向外排出。高壓蓄電池單元殼體上的放氣單元已足夠進行壓力補償。

高壓蓄電池單元用于吸收、存儲和準備電動驅動裝置和高壓車載網絡的電能。高壓蓄電池由多個電池單元模塊組成，而電池單元模塊則帶有相應的多個單格電池。電池單元模塊串聯連接，結構如圖4-15所示。

為了實現可追溯性，出廠時會記錄高壓蓄電池單元的組成：在存儲器電子管理系統（SME）內存儲有最重要部件的系列號。如果高壓蓄電池單元在保養時進行修理，則將新裝不可見的系列號存儲在SME內，并通過ISTA記錄。

將記錄下列部件的系列號：8個電池單元模塊；8個附屬的電池監控電子設備。電池模塊位置如圖4-16所示。

從圖4-17中可以看出，除匯集在8個電池模塊內的電池本身外，I01的高電壓蓄電池單元還包括以下電氣/電子部件：蓄能器管理電子裝置SME控制單元；8個電池監控電子裝置（電池監控電路CSC）；帶接觸器、傳感器和過電流熔絲的安全盒；電氣加熱裝置控制裝置（選裝）。

除電氣組件外，高電壓蓄電池單元還包括制冷劑管路、冷卻通道以及電池模塊的機械固定元件。

奧迪A3 Sportback e-tron混合動力電池組緊固在車輛下方并由以下部件組成在一起：電池控制單元；高壓電池的控制箱；8個電池模塊，每個模塊有12個電池單元和控制器（見圖4-18）；電池單元的冷卻系統；高壓電纜連接；12V電氣系統的連接；冷卻液連接。動力電池包組成如圖4-19所示。

混合動力蓄電池單元的外殼由鑄鋁外殼和塑料（上部殼體）制成。上殼與下殼通過螺栓和密封件結合在一起。混合動力電池單元的頂部用一個壓力補償元件和泄壓閥連接，溫度變化引起的外殼壓力變化由壓力補償元件進行補償調節。如果混合動力電池單元中的壓力變得太大，則會打開卸壓閥。混合動力蓄電池單元通過電位均衡線連接到車身上。

2個電池模塊在底部都安裝有冷卻元件，4個散熱元件在混合電池中用并聯方式連接。進口和出口溫度的編碼器集成在冷卻液的連接處。

① 表示充電/放電電流從+50℃降低。

② 表示充電狀態保持在25%～85%之間。

奧迪Q7 e-tron quattro的鋰離子電池總容量為17.3kW·h，在純電動模式下最大續航里程為56km，滿電續航里程為1410km。純電模式下0～60km/h加速僅需6.1s；在混動模式下0～100km/h需6s，極速可達225km/h，綜合油耗低至1.7L/100km。電池模塊結構如圖4-20所示，高壓電池包內部管路連接如圖4-21所示。

廣汽傳祺GA3S動力電池系統布置在后排座椅底盤，由8個M12的固定螺栓固定，手動維護開關安裝于右后排座下，需要拆下右后排座椅才能夠進行拆裝操作。

動力電池系統冷卻方式為液冷，重量小于等于138kg，由88個三元電池單體電芯組裝而成8個模組，標稱電壓為321V，正常電壓范圍為250～369V，瞬時最大放電功率為110kW。GA3S電池包組成形式如圖4-22所示。

4.1.2.3　錳酸鋰電池

錳酸鋰是較有前景的鋰離子正極材料之一，相比鈷酸鋰等傳統正極材料，錳酸鋰具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優點，是理想的動力電池正極材料，但其較差的循環性能及電化學穩定性卻大大限制了其產業化。錳酸鋰主要包括尖晶石型錳酸鋰和層狀結構錳酸鋰，其中尖晶石型錳酸鋰結構穩定，易于實現工業化生產，如今市場產品均為此種結構。

如今市場上主要的錳酸鋰有A、B兩類，A類是指動力電池用的材料，其特點主要是考慮安全性及循環性；B類是指手機電池類的替代品，其特點主要是高容量。

錳酸鋰的生產主要以EMD和碳酸鋰為原料，配合相應的添加物，經過混料、燒成、后期處理等步驟而生產的。從原材料及生產工藝的特點來考慮，生產本身無毒害，對環境友好，不產生廢水廢氣，生產中的粉末可以回收利用，因此對環境沒有影響。

AESC、東芝、LEJ、日立與LG等日韓電池企業將錳酸鋰電池廣泛應用于日、韓、歐美等多主流品牌的新能源汽車上。尤其日產leaf截至2016年年底累計銷售35萬輛。日本電池廠的錳酸鋰電池以大的摻雜單晶顆粒為主：克容量稍低，設計面密度很低，高溫及循環性能好；多與三元或二元材料摻混使用。相關應用材料及車型如圖4-23所示。

日本日產leaf與三菱i-MiEV電動汽車上就應用了錳酸鋰電池，其高壓電池組安裝位置如圖4-24所示。高壓鋰電池包組成如圖4-25所示。

4.1.3　鎳氫電池

鎳氫（NiMH）蓄電池的單電池的源電壓是由電極上過量的帶電氫粒子產生的。鎳氧氫化合物（氫氧化鎳）用作正電極。負電極由能對氫進行可逆存儲的金屬合金組成。鎳氫電池內部結構如圖4-26所示。

充電過程中，氫粒子從負電極遷移至正電極，并吸附在電極材料上。放電過程相同，但順序相反。

鎳氫（NiMH）蓄電池的單電池采用了兩個安全機制。PTC電阻器可限制高溫時的電流，安全閥可以受控方式釋放蓄電池的單電池中產生的過高壓力。

鎳氫蓄電池已代替了以前的普通鎳鎘蓄電池。在蓄電池系統的三種基本單電池設計（扁平單電池、圓形/圓柱形單電池和棱柱形單電池）中，保時捷采用了圓柱形單電池設計，因為它具有極穩定的機械屬性和高能量密度，并且制造成本低。此外，各單電池間的空間使圓柱形單電池更易冷卻。鎳氫蓄電池的能量密度通常為80Wh/kg。近期不會有更高的能量密度。

豐田（包括雷克薩斯）和本田HEV車型使用的是鎳氫電池，鎳氫電池能量密度雖然沒有鋰電池高，卻更加安全可靠，有著更好的充放電循環壽命。

鎳氫電池電解液為不可燃的水溶液，比熱容、電解液蒸發熱相對較高，而能量密度相對較低，即使發生短路、刺穿等極端異常情況，電池溫升小，也不會燃燒。

在低溫地區，如日本北海道、加拿大，室外溫度在0℃以下，鎳氫電池也能正常的充放電，不會存在安全隱患。此外，鎳氫電池的產品質量控制難度也相對比較低，因制造過程導致缺陷的可能性很小。

所以對電池電量要求不高的普通混動車型，大多都選擇使用鎳氫電池。除了豐田旗下的卡羅拉-雷凌雙擎、凱美瑞雙擎、普銳斯，雷克薩斯CT200H、ES300H，本田思域HEV、INSIGHT英賽特、CR-Z等混動車型，其他使用鎳氫電池的混合動力車輛包括福特汽車的Ford Escape、雪佛蘭的Chevrolet Malibu。

4.1.3.1　豐田HEV車用鎳氫電池

第一代豐田普銳斯（Prius，代號NHW10/NHW11）（1997—2003年）作為全球第一款量產的混動車型，搭載型號1NZ-FXE的1.5L直列四缸自然吸氣發動機和一臺288V永磁交流電動機，其中汽油發動機最大功率58馬力，最大扭矩102N·m，電動機最大功率29kW（約合40馬力），最大扭矩305N·m，配備ECVT（電控無級變速箱）變速箱，鎳金屬氫化物（鎳氫）電池組作為電力源（安裝位置見圖4-27），豐田將這套油電混合動力系統稱之為“THS”，即Toyota Hybrid System（豐田混合動力系統）。截至2003年，第一代普銳斯在全球20多個國家共售出12.3萬輛。

第二代豐田普銳斯（代號NHW20）（2003—2011年）由三廂車變為五門掀背造型，繼續沿用型號1NZ-FXE的1.5L四缸自然吸氣發動機，此發動機具有VVT-i可變正時氣門技術，最大功率77馬力，最大扭矩115N·m，500V電動機最大功率50kW（約合68馬力），最大扭矩400N·m，混合動力凈功率112馬力，配備ECVT無級變速箱。第二代Prius配備了全電動空調壓縮機，此外還使用了電動轉向系統。如圖4-28所示，配備了尺寸更小且重量更輕的鎳氫電池組，豐田在北美市場給這套電池組提供10萬英里（約合16.1萬千米）內或8年保修期。2005年12月，一汽豐田長春工廠開始投產第二代Prius，國產后的Prius采用音譯名稱普銳斯。截至2011年停產，第二代Prius在全球40多個國家共售出119.2萬輛。

第三代豐田普銳斯（代號ZVW30）（2009年—）沿用了上一代車型的造型設計，車頂配備了豐田和京瓷共同研發的太陽能板，用以在夏天收集足夠的電能來啟動空調等電子設備。后輪的鼓式剎車已升級為盤式剎車系統。型號2ZR-FXE的1.8L VVT-i四缸汽油發動機取代了原先那臺1.5L發動機，最大功率99馬力，最大扭矩142N·m，650V電動機最大功率60kW（約合81馬力），最大扭矩207N·m，混合動力最高輸出功率100kW（約合135馬力），傳動系統依然配備了一臺ECVT電控無級變速箱。采用電子水泵，這也讓它成為第一款全車無需皮帶傳動的量產車型。豐田在2011年將代號ZVW35的Prius PHV插電式混動車型推向市場，該車百公里油耗進一步降至2.2L，CO₂的排放降至49g/km。2012年2月，國產第三代普銳斯正式上市，從2009年誕生以來，第三代Prius全球銷量已達168.8萬輛。

第四代豐田普銳斯（代號ZVW50）基于豐田全新的TNGA平臺打造（豐田在2016年12月正式發布了全新TNGA全球架構平臺之后，第四代普銳斯則成了該平臺下的首款車型），曾經占用一部分后備廂空間的電池組被移到了后座下方，仍沿用那臺代號2ZR-FXE的1.8L自然吸氣四缸發動機，提供2WD及E-Four四輪驅動兩種車型可選，可輔助引擎或前馬達輸出動力，并讓新款普銳斯具備電動四驅的能力。第四代普銳斯提高了電池的輸出功率，輔助行駛時，能提供更強的動力，充電時也能承受更大的電流。新車根據車型等級使用不同的電池，見圖4-29。E、A、A Premium配備的是鋰離子電池，S和4輪驅動車型都配備的是鎳氫電池。鋰離子電池組的重量為24.5kg，而鎳氫電池的電池組為40.3kg。

4.1.3.2　通用HEV車用鎳氫電池

驅動電動機/發電機電池也稱混合動力電池。以凱迪拉克凱雷德HEV車型為例，驅動電動機/發電機電池包括40個單獨的電池模塊。每個電池模塊的額定電壓是7.2V直流電，所有模塊串聯在一起。所有模塊的合并輸出電壓是約288V直流，電池組內部結構如圖4-30所示。直流高壓通過高壓直流電線經車輛底部連接到驅動電動機/發電機電源逆變器模塊（PIM）。高壓電池正極和負極電線總成（300V）顏色是橙色，表示有潛在高壓。PIM將直流電壓轉換成交流電壓，啟用動力總成混合動力功能的電氣部分。驅動電動機/發電機電池有很少的移動零件。移動零件有兩個高壓接觸器繼電器、高壓電流限制繼電器、電池通風風扇繼電器和一個電池通風風扇。通風風扇用于幫助冷卻電池。電池能量控制模塊（BECM）控制著這些裝置，利用混合動力電池總成內的幾個傳感器監控電流、電壓和溫度。BECM將根據這些輸入設置診斷故障碼。

混合動力驅動電動機/發電機電池位于中間一排座椅底下（運動型車型）或后排座椅底下（皮卡車型），見圖4-31。BECM、通風風扇、通風風扇繼電器、電流限制繼電器和高壓接觸器繼電器位于混合動力電池總成內。

4.1.4　燃料電池

氫/氧燃料電池是原電池的一種特殊形式，主要部件為兩個電極（1）如鍍鉑的碳纖維納米管用作催化劑（2）以及一層特殊薄膜（3）。多種化合物均可用作電極。特殊薄膜具有氣密性，對電子不導電，對質子（不帶電子的氫核）具有滲透性。氧氣（O₂）來自環境空氣，無需專門填充。燃料電池構造如圖4-32所示。

氫氣（H₂）和氧氣（O₂）分別分配至兩個電極：氫氣至正極（A），氧氣至負極（C）。氫氣在催化劑的作用下釋放兩個電子并分裂成兩個帶正電的氫核（質子）。氫核可以滲入并穿過薄膜，因為薄膜另一側（負極）電解質的質子數較正極少（擴散）。氧氣在其電極側通過催化作用吸收電子，然后立即與自由的氫質子反應生成水（H₂O）。

如果電子連接正極和負極，則該反應（4）會產生電流。隨著氫氣轉化為水，燃料電池中直接產生電能。燃料電池工作原理示意圖如圖4-33所示。

氫氣在特別灌注泵中裝滿。加氫燃料的過程與天然氣燃料加注的過程一致。氫氣在700bar的壓力下泵入車輛下方的增壓箱中。根據氫的物理屬性，80L氫氣大約重6.44kg。氫氣通過減壓器進入燃料電池。在工作壓力為3bar時，燃料電池可提供250～450V直流電壓。

燃料電池本質是水電解的“逆”裝置，主要由3部分組成，即陽極、陰極、電解質。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發生的電化學反應。兩極之間是電解質。

以質子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，其工作原理如下：① 氫氣通過管道或導氣板到達陽極；② 在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質子，并釋放出2個電子，陽極反應為H₂→2H⁺+2e。③ 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發生反應生成水，陰極反應為1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O。總的化學反應為H₂+1/2O₂＝H₂O。電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續地輸出電能。

A7 Sportback h-tron quattro概念車搭載氫燃料電池動力系統，這套系統的最大功率為230馬力，最大扭矩為540N·m。其0～100km/h加速僅為7.9s，極速可以達到180km。這套系統可以使用氫氣當燃料行駛或在純電動模式下行駛，使用氫氣作燃料時，每千克氫氣可是行駛100km。純電動模式時則可行駛50km。其總續航里程可以達到500km。燃料電池構成如圖4-34所示。