为电动汽车提供动力的电池

电池组占电池电动汽车 （BEV） 成本的 35% 至 50% 1，同样是尺寸和重量的重要贡献者，以及其续航里程的 100%。因此，电动汽车制造商和电池制造商对电池价格和技术的密切关注应该不足为奇。

考虑一下：彭博新能源财经（BNEF）的2021年电池价格调查预测，到2024年，平均电池价格可能低于100美元/千瓦时。这是汽车制造商可以以与同类内燃机汽车相同的价格和利润率制造和销售大众市场电动汽车的价格点，而无需补贴。阿拉伯数字

Wolfspeed的“引擎盖下是什么”系列的这一章揭示了BEV的动力源 - 电池组 - 揭示了电池特性，电池化学成分和架构，以及危险，保护和控制。

电池作为电化学工厂

可充电或“二次”电池将化学能转换为电能，反之亦然。电池是模块和电池组中最小的单个电化学单元。

电池化学的行业名称通常是指电极材料。例如，在锂离子电池中，阴极通常包括锂金属氧化物颗粒和阳极石墨颗粒。两者都由膜物理隔开以防止内部短路，但渗透有电解质以帮助Li+离子的运动。在放电过程中，电子通过负载从负极传播到电池外部的正极，而Li+离子在电池内部以相反的方向传播。在充电过程中，电子和离子流动的方向是相反的。

主要电池规格

每个电池都有许多参数，这些参数在很大程度上取决于电池化学成分和包装。它们能够比较各种电池组，包括：

标称电压 （V）：电池的参考电压或“正常”电压。

标称容量（Ah @ 指定的 C 率）：它是当充满电的电池以一定的放电电流（由 C 速率指定）放电时以安培小时为单位测量的库仑容量。

C-率：这测量电池相对于其最大容量的放电速率。1C倍率意味着放电电流将在一小时内将整个电池放电。更高电压的电池组允许更低的C速率电池和更快的充电和放电，因为需要更低的电流。

比能量（瓦时/千克）：这是每单位质量的标称电池能量或重量能量密度，反映在行驶里程上。

比功率（瓦/千克）：每单位质量的最大可用功率证明了按需提供影响车辆加速的高电流的能力。

能量密度（瓦时/升）：每单位体积或体积能量密度的标称电池能量。它决定了在给定能耗下达到给定范围所需的电池尺寸。

性能：通常，能量或功率与循环寿命的关系，性能反映了电池的状况，尤其是在极端温度条件下驾驶电动汽车时。

寿命：这是以充放电循环计数来衡量的。锂离子电动汽车电池组的寿命通常预计为 10-12 年。

成本是用于判断电池技术可行性的另一个参数。它不仅包括技术、材料和制造成本，还包括辅助系统的成本，例如用于安全和电池监控和管理的系统。

电动汽车电池化学成分

如上所述，电池化学性质驱动着对电动汽车应用至关重要的参数。早期电动汽车使用的镍镉（Ni-Cd）电池已经让位于更新的电池化学成分中。虽然Ni-Cd在很宽的温度范围内保持稳定，但受到许多问题的困扰，包括1.2 V的低标称电压，低能量密度以及称为“记忆效应”的电压抑制问题，当电池未完成充放电循环时，导致容量降低。

在更主流的技术中，锂离子化学如下所述，并在图3中进行了比较。

LCO：钴酸锂 （LiCoO2） 具有高重量能量密度和 3.6V 标称电压，但具有低 C 速率、短寿命、温度稳定性问题以及钴使用成本高等问题。

镍基化学品：尽管镍和钴都显着增加了电池成本，但锂镍锰钴氧化物 （NMC） 和锂镍钴铝氧化物 （NCA） 因其高比能量和 3.6 V 的良好标称电压而被大量用于电动汽车牵引和存储应用。 NMC 占据了最大份额，占销售额的 71%， 其余大部分由NCA占据。1 然而，除了钴的高成本之外，该行业越来越关注钴——其供应链经常受到难以追踪和非法采矿行为的质疑。

改性活生物体：锂锰氧化物提供高C速率和高标称电压（3.7 V），并已用于较旧的电动汽车。但是，性能低于其他化学品。

LFP：磷酸铁锂（LiFePO4）在很宽的温度范围内稳定，因此更安全。它具有更长的使用寿命和高 C 速率，但容量相对较低，标称电压较低，为 3.2 V.LFP 电池在 30 年也比 NMC 电池便宜近 2021%。3由于LFP阴极成分接近用作食品添加剂的磷酸盐，具有相似的纯度水平要求，因此可以利用完善的制造环境实践和控制。此外，LFP不存在与钴相关的供应链问题。因此，电动汽车制造商越来越多地转向LFP电池技术，特别是对于更经济的车型。

LTO：在这些电池中，负极是尖晶石结构的钛酸锂（Li4Ti5O12）而不是石墨。正极可以是 LMO 或 NMC。LTO电池更安全，使用寿命更长，性能更好，成本更低。但是，它们的比能量很低。LTO电池用于本田的Fit EV和三菱i-MiEV的一些日本专用版本。

细胞形状因素和包装解剖结构

电池包装为圆柱形、袋形和棱柱形类型。圆柱形电池包括夹在圆柱形罐中的片状电极和隔板。18650（18 × 650 mm）是特斯拉使用的一种流行格式，其他常见尺寸包括 21700 和 46800。它们非常适合在模块和电池组之间的空间中运行热交换器。

软包电池的电极和隔板紧密堆叠在密封的柔性箔容器内。它们需要支撑结构，并面临热管理和细胞膨胀问题。

为了实现棱柱形形式，电极片和隔板被夹在中间，堆叠或卷起，并压入金属或硬塑料外壳中。它们提供高功率和高电流，是电动汽车中最常用的。

为了形成电池，电池根据电压和电流要求并联（P）和串联（S）排列。例如，2P4S 配置有两个电池并联，电流是两倍，四个串联电池可提供 4 倍电压。母线用于连接电池模块以形成整个车辆电池组。

电动汽车电池组的范围从混合动力车的几千瓦时到BEV的100千瓦时以上。400 V 系统通常有 96-108 节串联电池，用于 355 至 400V 标称电压和 454V 充电，而 800 V 系统需要大约 198 节串联电池才能达到 733V 标称电压和 832V 充电。

锂离子电池的危害和担忧

锂离子电池的开发是为了解决锂金属电池固有的不稳定性。如果采取某些预防措施，锂离子电池是安全的。但是，重要的是要了解可能出现的问题：

树枝状生长： 内部短路的主要原因是由于过度充电、放电低于某个阈值或在低于推荐温度下充电而导致锂枝晶的形成。锂枝晶由于负极上的电沉积（电镀）而生长，最终刺穿隔膜到达正极。这可能会导致过度发热、燃烧甚至爆炸。

热失控： 内部自放电和内部电阻的加热效应会驱动化学反应，进一步加热电池。这种恶性循环一直持续到电池着火。单个电池中的热失控会导致整个电池组发生连锁反应。快速放电、过度充电和电流浪涌会导致热失控事件。

腐蚀、晶体形成和钝化： 腐蚀是锂意外氧化的结果，会导致内部阻抗增加。电极上的颗粒可能会形成大晶体，从而减少锂可以结合以进行正常电化学反应的表面积。电极表面可能会生长一层薄的钝化层，通常是氧化物或氢氧化氧。这些缺陷都会阻碍所需的电化学反应，增加电池的内阻并降低容量。

锂离子的其他问题包括细胞破裂和释气。与树枝状生长一样，这些问题可能导致灾难性故障，可能导致火灾或危险的电解液溢出。

电池保护和控制

在最佳条件下操作，电化学电池可以长时间持续运行。例如，牛津电钟由两个铜铃组成，每个铜铃都位于干电池下方，自 2 年安装以来，它一直以 1840 Hz 的频率连续报时，已有 180 多年的历史。

对于锂离子电池，在监测电池状况时必须考虑独特的电池特性，以确保使用寿命。其放电电压与充电状态 （SOC） 在 20% 到 80% 的电荷之间几乎持平，因此难以测量 SOC。 使这个问题更加复杂的是，锂离子充放电周期在电压与 SOC 曲线略有不同的电压后表现出“迟滞”。

电池监测对于电池保护至关重要。监控以下情况，如果检测到故障情况，将采取保护措施，例如脱离承包商以打开电路。

电池平衡：虽然电池在制造过程中是匹配的，但容量和内阻的变化是充放电循环的自然结果。当多个电池串联堆叠时，最弱的电池会限制从堆栈中汲取的电流。通过在充电和放电循环期间绕过强电池或弱电池来平衡电池。

过流：必须确定这种情况才能使接触器跳闸并防止电池过热。

电压：过压和欠压条件在电池级和电池组级测量，以确保使用寿命。

电缆绝缘：电缆绝缘电阻是通过通过非常低的电流来测量的，以便可以检测到绝缘断裂。

单元控制方法通常通过有线CAN总线实现，使得每个模块与中央微控制器单元通信，中央微控制器单元反过来处理监控信息并启动保护措施，例如接合或断开接触器。

结论

鉴于其对BEV市场增长的重要性，重要的研发重点是带来新的电池技术。例如，Group14 Technologies的硅碳负极材料据称可将重量能量密度提高近25%，达到330 Wh / kg。6 对固态电池的其他研究可以消除火灾风险。

审核编辑：郭婷