為電動汽車提供動力的電池

電池組占電池電動汽車 （BEV） 成本的 35% 至 50% 1，同樣是尺寸和重量的重要貢獻者，以及其續(xù)航里程的 100%。因此，電動汽車制造商和電池制造商對電池價格和技術的密切關注應該不足為奇。

考慮一下：彭博新能源財經(jīng)（BNEF）的2021年電池價格調(diào)查預測，到2024年，平均電池價格可能低于100美元/千瓦時。這是汽車制造商可以以與同類內(nèi)燃機汽車相同的價格和利潤率制造和銷售大眾市場電動汽車的價格點，而無需補貼。阿拉伯數(shù)字

Wolfspeed的“引擎蓋下是什么”系列的這一章揭示了BEV的動力源 - 電池組 - 揭示了電池特性，電池化學成分和架構，以及危險，保護和控制。

電池作為電化學工廠

可充電或“二次”電池將化學能轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。電池是模塊和電池組中最小的單個電化學單元。

電池化學的行業(yè)名稱通常是指電極材料。例如，在鋰離子電池中，陰極通常包括鋰金屬氧化物顆粒和陽極石墨顆粒。兩者都由膜物理隔開以防止內(nèi)部短路，但滲透有電解質(zhì)以幫助Li+離子的運動。在放電過程中，電子通過負載從負極傳播到電池外部的正極，而Li+離子在電池內(nèi)部以相反的方向傳播。在充電過程中，電子和離子流動的方向是相反的。

主要電池規(guī)格

每個電池都有許多參數(shù)，這些參數(shù)在很大程度上取決于電池化學成分和包裝。它們能夠比較各種電池組，包括：

標稱電壓 （V）：電池的參考電壓或“正?！彪妷?。

標稱容量（Ah @ 指定的 C 率）：它是當充滿電的電池以一定的放電電流（由 C 速率指定）放電時以安培小時為單位測量的庫侖容量。

C-率：這測量電池相對于其最大容量的放電速率。1C倍率意味著放電電流將在一小時內(nèi)將整個電池放電。更高電壓的電池組允許更低的C速率電池和更快的充電和放電，因為需要更低的電流。

比能量（瓦時/千克）：這是每單位質(zhì)量的標稱電池能量或重量能量密度，反映在行駛里程上。

比功率（瓦/千克）：每單位質(zhì)量的最大可用功率證明了按需提供影響車輛加速的高電流的能力。

能量密度（瓦時/升）：每單位體積或體積能量密度的標稱電池能量。它決定了在給定能耗下達到給定范圍所需的電池尺寸。

性能：通常，能量或功率與循環(huán)壽命的關系，性能反映了電池的狀況，尤其是在極端溫度條件下駕駛電動汽車時。

壽命：這是以充放電循環(huán)計數(shù)來衡量的。鋰離子電動汽車電池組的壽命通常預計為 10-12 年。

成本是用于判斷電池技術可行性的另一個參數(shù)。它不僅包括技術、材料和制造成本，還包括輔助系統(tǒng)的成本，例如用于安全和電池監(jiān)控和管理的系統(tǒng)。

電動汽車電池化學成分

如上所述，電池化學性質(zhì)驅(qū)動著對電動汽車應用至關重要的參數(shù)。早期電動汽車使用的鎳鎘（Ni-Cd）電池已經(jīng)讓位于更新的電池化學成分中。雖然Ni-Cd在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但受到許多問題的困擾，包括1.2 V的低標稱電壓，低能量密度以及稱為“記憶效應”的電壓抑制問題，當電池未完成充放電循環(huán)時，導致容量降低。

在更主流的技術中，鋰離子化學如下所述，并在圖3中進行了比較。

LCO：鈷酸鋰 （LiCoO2） 具有高重量能量密度和 3.6V 標稱電壓，但具有低 C 速率、短壽命、溫度穩(wěn)定性問題以及鈷使用成本高等問題。

鎳基化學品：盡管鎳和鈷都顯著增加了電池成本，但鋰鎳錳鈷氧化物 （NMC） 和鋰鎳鈷鋁氧化物 （NCA） 因其高比能量和 3.6 V 的良好標稱電壓而被大量用于電動汽車牽引和存儲應用。 NMC 占據(jù)了最大份額，占銷售額的 71%， 其余大部分由NCA占據(jù)。1 然而，除了鈷的高成本之外，該行業(yè)越來越關注鈷——其供應鏈經(jīng)常受到難以追蹤和非法采礦行為的質(zhì)疑。

改性活生物體：鋰錳氧化物提供高C速率和高標稱電壓（3.7 V），并已用于較舊的電動汽車。但是，性能低于其他化學品。

LFP：磷酸鐵鋰（LiFePO4）在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，因此更安全。它具有更長的使用壽命和高 C 速率，但容量相對較低，標稱電壓較低，為 3.2 V.LFP 電池在 30 年也比 NMC 電池便宜近 2021%。3由于LFP陰極成分接近用作食品添加劑的磷酸鹽，具有相似的純度水平要求，因此可以利用完善的制造環(huán)境實踐和控制。此外，LFP不存在與鈷相關的供應鏈問題。因此，電動汽車制造商越來越多地轉(zhuǎn)向LFP電池技術，特別是對于更經(jīng)濟的車型。

LTO：在這些電池中，負極是尖晶石結(jié)構的鈦酸鋰（Li4Ti5O12）而不是石墨。正極可以是 LMO 或 NMC。LTO電池更安全，使用壽命更長，性能更好，成本更低。但是，它們的比能量很低。LTO電池用于本田的Fit EV和三菱i-MiEV的一些日本專用版本。

細胞形狀因素和包裝解剖結(jié)構

電池包裝為圓柱形、袋形和棱柱形類型。圓柱形電池包括夾在圓柱形罐中的片狀電極和隔板。18650（18 × 650 mm）是特斯拉使用的一種流行格式，其他常見尺寸包括 21700 和 46800。它們非常適合在模塊和電池組之間的空間中運行熱交換器。

軟包電池的電極和隔板緊密堆疊在密封的柔性箔容器內(nèi)。它們需要支撐結(jié)構，并面臨熱管理和細胞膨脹問題。

為了實現(xiàn)棱柱形形式，電極片和隔板被夾在中間，堆疊或卷起，并壓入金屬或硬塑料外殼中。它們提供高功率和高電流，是電動汽車中最常用的。

為了形成電池，電池根據(jù)電壓和電流要求并聯(lián)（P）和串聯(lián)（S）排列。例如，2P4S 配置有兩個電池并聯(lián)，電流是兩倍，四個串聯(lián)電池可提供 4 倍電壓。母線用于連接電池模塊以形成整個車輛電池組。

電動汽車電池組的范圍從混合動力車的幾千瓦時到BEV的100千瓦時以上。400 V 系統(tǒng)通常有 96-108 節(jié)串聯(lián)電池，用于 355 至 400V 標稱電壓和 454V 充電，而 800 V 系統(tǒng)需要大約 198 節(jié)串聯(lián)電池才能達到 733V 標稱電壓和 832V 充電。

鋰離子電池的危害和擔憂

鋰離子電池的開發(fā)是為了解決鋰金屬電池固有的不穩(wěn)定性。如果采取某些預防措施，鋰離子電池是安全的。但是，重要的是要了解可能出現(xiàn)的問題：

樹枝狀生長： 內(nèi)部短路的主要原因是由于過度充電、放電低于某個閾值或在低于推薦溫度下充電而導致鋰枝晶的形成。鋰枝晶由于負極上的電沉積（電鍍）而生長，最終刺穿隔膜到達正極。這可能會導致過度發(fā)熱、燃燒甚至爆炸。

熱失控： 內(nèi)部自放電和內(nèi)部電阻的加熱效應會驅(qū)動化學反應，進一步加熱電池。這種惡性循環(huán)一直持續(xù)到電池著火。單個電池中的熱失控會導致整個電池組發(fā)生連鎖反應?？焖俜烹姟⑦^度充電和電流浪涌會導致熱失控事件。

腐蝕、晶體形成和鈍化： 腐蝕是鋰意外氧化的結(jié)果，會導致內(nèi)部阻抗增加。電極上的顆?？赡軙纬纱缶w，從而減少鋰可以結(jié)合以進行正常電化學反應的表面積。電極表面可能會生長一層薄的鈍化層，通常是氧化物或氫氧化氧。這些缺陷都會阻礙所需的電化學反應，增加電池的內(nèi)阻并降低容量。

鋰離子的其他問題包括細胞破裂和釋氣。與樹枝狀生長一樣，這些問題可能導致災難性故障，可能導致火災或危險的電解液溢出。

電池保護和控制

在最佳條件下操作，電化學電池可以長時間持續(xù)運行。例如，牛津電鐘由兩個銅鈴組成，每個銅鈴都位于干電池下方，自 2 年安裝以來，它一直以 1840 Hz 的頻率連續(xù)報時，已有 180 多年的歷史。

對于鋰離子電池，在監(jiān)測電池狀況時必須考慮獨特的電池特性，以確保使用壽命。其放電電壓與充電狀態(tài) （SOC） 在 20% 到 80% 的電荷之間幾乎持平，因此難以測量 SOC。 使這個問題更加復雜的是，鋰離子充放電周期在電壓與 SOC 曲線略有不同的電壓后表現(xiàn)出“遲滯”。

電池監(jiān)測對于電池保護至關重要。監(jiān)控以下情況，如果檢測到故障情況，將采取保護措施，例如脫離承包商以打開電路。

電池平衡：雖然電池在制造過程中是匹配的，但容量和內(nèi)阻的變化是充放電循環(huán)的自然結(jié)果。當多個電池串聯(lián)堆疊時，最弱的電池會限制從堆棧中汲取的電流。通過在充電和放電循環(huán)期間繞過強電池或弱電池來平衡電池。

過流：必須確定這種情況才能使接觸器跳閘并防止電池過熱。

電壓：過壓和欠壓條件在電池級和電池組級測量，以確保使用壽命。

電纜絕緣：電纜絕緣電阻是通過通過非常低的電流來測量的，以便可以檢測到絕緣斷裂。

單元控制方法通常通過有線CAN總線實現(xiàn)，使得每個模塊與中央微控制器單元通信，中央微控制器單元反過來處理監(jiān)控信息并啟動保護措施，例如接合或斷開接觸器。

結(jié)論

鑒于其對BEV市場增長的重要性，重要的研發(fā)重點是帶來新的電池技術。例如，Group14 Technologies的硅碳負極材料據(jù)稱可將重量能量密度提高近25%，達到330 Wh / kg。6 對固態(tài)電池的其他研究可以消除火災風險。

審核編輯：郭婷