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了解汽車動力電池知識

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年04月27日  

4月25日消息,大眾開展了“電動汽車動力電池科普”線下活動,大眾汽車學院通過原電池實驗、現場教學、現場問答等方式,深入淺出地講解了汽車動力電池知識,并介紹了大眾混動車與純電動車電池的特點。


一、電池發展歷史及分類


開場前,大眾汽車學院講師陳慶貴讓在場觀眾做了一個原電池發電小實驗,利用鎂片和碳片在電解液中的反應,形成外部電流點亮小燈泡,這一趣味實驗讓大家對原電池的發電原理有了初步的直觀認識。


隨后,他詳細介紹了汽車動力電池的發展歷史、不同種類電池、不同外形電芯各自的優缺點以及大眾PHEV(插混汽車)和BEV(純電動汽車)所使用的電池特點。


1799年,伏特完成了世界首次電池實驗,并制成了世界上第一個電池“伏特電堆”。在那以后,堿性電池、鎳鎘電池、鉛酸電池、鎳氫電池、鋰金屬電池依次被研發出來。


諸多種類的電池大體上被分成化學電池、物理電池、生物電池三類。


其中,化學電池最常用,分為一次電池、二次電池、燃料電池。僅能使用一次,不能充電的電池被叫做一次電池,而汽車中使用的是二次電池,可多次充放電。


依據正極材料的不同,二次電池又分為:鎳鉻電池(NiCd),鎳氫電池(NiMH),鉛酸電池(Lead-acidbattery),鋰離子電池(Lithiumion Battery)。


陳慶貴對這四種電池分別做了講解:


1、鎳鎘電池


鎳鎘電池是一種非常理想的直流供電電池,可實現重復500次以上的充放電,經濟耐用。其內阻小,可快速充電,又可為負載提供大電流,并且放電時電壓變化很小。


它最大的缺點是有記憶效應,如果上一次用了80%電量,還剩20%電量時就充電,那么充滿后下次使用也只能放出80%電量。


2、鉛酸電池


鉛酸電池是一種經典的車載蓄電池,目前仍在廣泛使用。它以Pb為電池負極、PbO2為電池正極,電解液采用30%的H2SO4溶液。


放電時,電池正極得到電子,負極失去電子;充電時,電池正極失去電子,負極得到電子。其反應方程式為:


車載鉛酸電池電壓通常為12V,由6塊2V的鉛酸極板串聯組成。傳統的鉛酸電池為濕蓄電池,使用過程中會有水分蒸發導致電解液濃度變化,需要定期加水和電解液來維護。


后來出現了增強型富液式蓄電池(EFB)與玻璃纖維蓄電池(AGM),解決了鉛酸電池水分蒸發的問題,不再需要加液維護。


3、鎳氫電池


鎳氫電池比鎳鎘電池具有更高的能量密度,它以Ni(OH)2為正極材料,以金屬氫化物為負極材料(即儲氫合金或儲氫電極),電解液采用6mol/L的氫氧化鉀溶液。其反應方程式為:


鎳氫電池電池的優勢還在于不含有毒金屬,并且沒有記憶效應,其電解液以固體形式存在,電池更加安全。


4、鋰離子電池


鋰離子電池是新一代電池,也是目前最常見的電池,廣泛應用于充電寶、手機、電動汽車中。


它以碳材料(石墨、軟碳、硬碳等)作為負極材料,以鋰的金屬化合物作為正極材料,電解液采用鋰鹽溶劑。


鋰離子電池依據正極材料的不同,分為鈷酸鋰LCO、鎳酸鋰LNO、錳酸鋰LMO、磷酸鋰鐵LFP、鎳鈷鋁酸鋰NCA、鎳鈷錳酸鋰NCM等,依據三種元素的配比,又分為NCM611、NCM811等型號。


充電時,電池接入外部電源,電源正極加在陰極上,電源負極加在陽極上,鋰離子Li+從正極脫出,在負極中嵌入,負極處于富鋰狀態,儲存電勢能。


放電時,電池接入外部負載,鋰離子Li+從負極脫出,在正極中嵌入,釋放充電時儲存的電勢能。由于這一工作原理,鋰電池又被形象地稱作搖椅式電池。


鋰離子電池僅含有少量水分,且無記憶效應,能量密度超過鎳鎘電池的兩倍。


二、幾種主流電池類型優缺點對比


1、四種電池性能對比


電池的主要性能指標包括:電壓、容量、內阻、能量、能量密度、功率、使用壽命等。大眾汽車學院依據這些指標,對四種電池的性能做了對比:


發現,鋰電池具有電壓高、比能量高、循環壽命長、每月自放電率低、安全性高、充電速度快等優點,但缺點是使用成本非常高,幾乎是鉛酸電池的3倍。


2、三種鋰離子電芯外形對比


依據電芯外形,鋰離子電池可分為圓柱電池、軟包/聚合物電池、方殼電池。


它們的優缺點是:


1、圓柱:尺寸小、組成靈活、功率和能量密度高、適合大規模標準化生產且一致性好,缺點是成組后散熱性差、電池管理系統復雜。


2、軟包/聚合物:內阻小、尺寸靈活、重量輕、能量密度高、不會發生爆炸,缺點是強度低、封口工藝復雜、一致性差、無防爆裝置、易漏液。


3、方殼:散熱好、易組裝、可靠性好、含防爆閥,缺點是能量密度較低(外殼占了很大重量)、尺寸固定、成本高、型號多(各廠商型號不統一)。


陳慶貴介紹稱,大眾使用的是方殼電池,并參與了相關標準的制定,其方殼電池的組裝流程如下所示:


三、電池單體兩種連接方式


電動車的電池模組是由多個電池單體通過串聯/并聯的方式連接起來的。兩種連接方式的總輸出是相同的,但輸出的電壓電流大小不同。


并聯電池單體,輸出電壓較低(多個相同電源并聯不增加電壓),安全性更高,但輸出電流會比較高,需要更粗的電纜,難以在車上布置,并且更高的電流會帶來更大的電芯發熱量。


串聯電池單體,輸出電流較低,可以使用更細的電線,但輸出電壓更高,安全性較差,安全防護成本會大大增加。


多個電池模組(8/16/27個等)又通過串聯、并聯、混聯等方式構成了一塊大的電池包,即電動車底部的那一大塊動力電池,一般動力電池總電壓控制在300-400V左右。


那么,大眾汽車旗下新能源車的電池包采用了哪種形式呢?


1、大眾途觀GTE(PHEV)中的電池包


由12個電池單體(每個單體3.7V)串聯組成電池模組,每個模組電壓約為3.7×12=44.4V,


再由8個電池模組串聯組成電池包,總電壓約為44.4V×8=355.2V(鑒于電池內部還有其他損耗,這種算法僅做參考)


2、大眾BEV中的電池包


由12個電池單體(每個單體3.6V)混聯組成電池模組,分大小兩種。


大模組中,前三個單體與后三個單體采用并聯,中間六個單體采用串聯,模組總電壓僅為14.4V,輸出的電流更高。小模組的總電壓更低,為7.2V。


再由16或27個大小模組串聯組成電池包,整體上為“土”字型結構。


在公開課的最后,陳慶貴回答了為什么大眾PHEV采用液冷技術,而BEV采用風冷技術的問題。


他解釋到,PHEV為插混車,汽車底盤上有內燃機和排氣管,電池會受到更大的熱輻射,并且PHEV的電池包結構比較緊湊,散熱困難,因此采用液冷技術。


而對BEV(純電動汽車)來說,汽車底盤上沒有內燃機和排氣管的熱輻射,其電池包結構更寬松,散熱更好,因此采用風冷技術。


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