文末附报告链接
动力电池的基本构成
⚫ 电池管理系统（BMS）：主体和温度、电压、电流传感器等
⚫ 电池箱：支撑、固定、包围电池组的箱体，包含上盖和下托盘，辅助元器件如连接件、护板、螺栓等
⚫ 辅助元器件：包括如熔断器、继电器、分流器、接插件、紧急开关、烟雾传感器、维修开关、密封条、绝缘材料等
⚫ 电池系统：单体电池串、并联组成的多级单元
⚫ 主/被动散热系统（氟冷/水冷/风冷）
动力电池基本理论
动力电池作为电能直接来源，主要应用于插电式混合动力汽车(PHEV)、纯电动汽车(BEV）和燃料电池汽车（FCEV)等新能源汽车。要求比能量高、比功率大、寿命长、成本低。
基本分类
根据电池的基本原理，动力电池可分为化学电池、物理电池、生物电池三类。1)化学电池：利用物质的化学反应储存和（或）释放能量，如铅酸电池、离子电池、燃料电池等；2)物理电池：利用光、热、物理吸附等物理能量储存和（或）释放能量，如超级电容、飞轮电池、太阳能电池等；3)生物电池：利用生物化学反应产生电能，如生物太阳能电池、酶电池、微生物电池。
正极化合物有LiCoO2，LiNiO2，LiMnO4，LiFeO2，LiFePO4等，
负极化合物有LixC6，TiS2，WO3，NbS2，V2O5等。
超级电容器：利用多孔电极和电解质组成双层电容结构，外加电压时，正负极板分别吸引电解液中的带电离子，建立两个电荷储层，从而实现电能存储。
车用动力电池种类及特性
电动汽车用电池经过多年的发展，已取得了突破性的进展。第一代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前大批量生产和广泛应用的电动汽车用电池，主要用于低端车辆上。
第二代是碱性电池，主要有镍镐（Ni-cd）、镍氢（Ni-MH）、钠硫（Na/S） 、锂离子（Li-ion）和锌空气（Zn/Air）等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。目前已经大批量生产和普遍应用。
第三代是燃料电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转化效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制和小批量试用阶段，一些关键技术还有待突破。
车用动力电池分类
（1）铅酸电池
铅酸电池采用金属铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸作为电解液。现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电池(VRLA)。
分类：①普通铅酸电池：电解液是硫酸水溶液。电压稳定、价格低，比能量低、使用寿命短，维护频繁，多用于车辆辅助电源。②干式铅酸电池：使用时加入电解液，储电能力强。③免维护蓄电池：目前在车用动力电池中使用较多，其中阀控铅酸蓄电池(VRLA)具有电流大、寿命长等特点。
主要优点：大电流放电性能好；价格低廉；无记忆效应；易于识别荷电状态；
主要缺点：比能量低；寿命短，使用成本高；原料含铅，有污染；充电时间长。
（2）镍氢电池
镍氢蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍（NiOH），负极活性物质为贮氢合金（MH） ，电解液为30％的氢氧化钾溶液，电池充电时，正极的氢进入负极贮氢合金中，放电时过程正好相反。在此过程中，正、负极的活性物质都伴随着结构、 成分、体积的变化，电解液也发生变化。
镍氢电池具有不明显的“记忆效应”。记忆效应大大缩小了电池的储存电容量，直接影响电池的使用。即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，而过度充电或放电，都可能加剧电池的容量损耗。因此对于厂商来说，镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电，如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内，以降低容量衰减速度。
镍氢电池主要特点：比功率高；无污染；耐过充过放；无记忆效应；温度范围宽；自放电率高；高温性能差；过充过放会排出气体。
（3）锂离子电池
锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。
分类：锂离子电池根据正极材料的不同，种类很多，其中较为广泛应用的主要有磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元锂电池。
三元锂电又分NCM/NCA两种材料
NCM：（LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2）正极材料由镍钴锰三种材料按比例组合而成；
NCA（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2），正极材料是由镍钴铝构成。
两种三元材料的前两者是一样的，都是镍和钴，只有最后一个不同，前者为锰，后者为铝。NCA生产过程中比NCM的生产工艺要求更为严格。
NCM中镍：钴：锰的摩尔比常见为5：2：3或1：1：1，而NCA中镍：钴：铝常见的摩尔比为8：1.5：0.5，由于NCA中铝的含量过少，因此也常称为二元材料。
而NCA中以Al（过渡金属）代替锰，实际是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性，离子掺杂可以增强材料的稳定性，提高材料的循环性能。
制作过程中由于Al为两性金属，不易沉淀，因此NCA材料制作工艺上难度大。由于NCA的技术更高端，生产难度更大。
NCM的生产厂家众多，包括LG和中国的主要动力电池厂家。
锂离子电池规格
GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》。
锂离子电池分类及特点
1）磷酸铁锂电池 — 大量应用，优点：寿命长、充放电倍率大、安全性好、高温性好、元素无害、成本低。缺点：能量密度低、振实密度低(体积密度)。
2）钴酸锂电池，优点：电池结构稳定、容量比高、综合性能突出；缺点：安全性差、成本非常高。主要用于中小型号电芯，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中3C产品。
3）锰酸锂电池，优点：振实密度高、成本低。缺点：耐高温性差，锰酸锂长时间使用后温度急剧升高，电池寿命衰减严重(如日产电动车LEAF)。
4）三元锂电池 — 应用日益广泛，优点：能量密度高、振实密度高。缺点：安全性差、耐高温性差、寿命差、大功率放电差、元素有毒。
锂离子电池构造工艺
锂离子电池构造 – 隔膜：使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。有厚度均匀性、力学性能（包括拉伸强度和抗穿刺强度）、透气性能、理化性能（包括润湿性、化学稳定性、热稳定性、安全性）等四大指标。隔膜构造--聚烯烃隔膜的结构及特点：
动力电池特性
1）电压/额定电压：公称电压、工作时标准电压。工作电压：电池实际放电电压范围。充电电压：外电路直流电压对电池充电的电压。
2）内阻（mΩ），蓄电池的内阻包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等；动力电池内阻是电池发热的主要原因之一，同时影响电池的充放电效率，因此控制电池内阻至关重要；电池的内阻在放电过程中会逐渐增加，而在充电过程中则逐渐减小。故端电压在放电时低于电池的电动势，充电时又高于电池的电动势。
3）比能量（Wh/kg）：单位质量的电极材料放出电能的大小，它标志着纯电动模式下电动汽车的续航能力。
4）比功率密度（Wh/L）：燃料电池所能输出的最大功率除以整个燃料电池的重量或体积，用来描述电池在瞬间能放出较大能量的能力。
5）比功率（W/kg）：单位质量的电池所能提供的功率，用来判断电动汽车的加速性能和最高车速，直接影响电动汽车的动力性能。
6）循环寿命（次）：电池充电一放电循环一周的次数，是衡量动力电池寿命的重要指标。循环次数越多，动力电池的使用时间越长。
7）自放电率（%/月）：单位时间自放电量与容量比值。
8）充电特性：充电过程中电压与容量关系。
9）放电特性：放电过程中电压与容量关系。
10）电池安全：电池漏电、热稳定性、电力稳定性
11）热失控：单体电池放热连锁反应引起电池自温升速率急剧变化，不可逆，引起过热、起火、爆炸现象。
锂离子动力电池热失控的机理：热失控发生时，各种材料相继发生热化学反应，放出大量的热量，形成链式反应效应，使得电池体系内部温度不可逆快速升高。链式反应过程中，电解液气化及副反应产气造成电池体系内压力升高，电池喷阀破裂后，可燃气体被点燃发生燃烧反应。单体电池的热失控特性表现为其组成材料反应热特性的叠加。
热失控一般是从负极与电解液界面上开始的，但是随着温度的快速升高，这一过程的整体产热量是由正极与电解液的反应主宰的。因此，稳定的正极材料对锂离子电池的热安全性至关重要。
枝晶效应：在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，穿越隔膜，跳进电解液后，在充电器给予的外电场作用下向负极运动，依次进入石墨组成的负极，在负极表面形成碳锂化合物。当充电速度过快时，锂离子还来不及钻进负极的小洞穴，就在负极附近的电解液中聚集起来，一些靠近碳负极的锂离子就会与电子结合，从而变成金属锂。时间一长，金属锂就会在负极堆积起来、形成像树枝一样的晶体，这种树枝状晶体为“枝晶”。枝晶大到一定程度会刺穿正负极之间的隔膜，一旦刺穿，电池会立即短路，轻者电池报废，重者发生爆炸。
车用动力电池成组技术：满足车辆需求的电池参数设计：HEV（功率型）/EV（能量型）/PHEV（能量功率兼顾型）；从整车需求出发进行设计；单体电池电气连接设计：混连方式/便于制造组装。可靠性：机械连接、固定工艺；防水、防尘、防撞、电磁兼容。电池单体一致性控制与选配。
成组技术发展方向：建立车用动力电池性能指标体系；综合电池多方面性能的参数标准化；电池分选标准化；基于热管理、能量管理的混联配组技术。
热管理技术：目的--电池组温度较高时进行散热；温度较低时进行适当加热，保证低温环境下充放电安全和效率；减小电池单体工作环境差异，保证电池组一致性。
温度控制策略：电池温度分区采集、分级管理。针对不同区域温度变化采取不同级别的措施。
发展方向：传热介质和传热路径优化；低温电池加热技术；热量的产生/传导/耗散规律研究；电/热/化多能量耦合热管理系统设计。
能量管理技术--电池管理系统（BMS）：参数检测、状态估计、在线诊断、安全控制与报警
电池状态检测与估计：对象--单体电池、电池组
估计阶段不同，方法、运算量、精度有所不同：①行驶时：状态估计器；②静置时：均衡、利用VOC校正SOC；③充电时：均衡、更新初始SOC；④车检时：以试验数据更新SOH估计。
发展方向：电池不一致性的低成本、高精度状态估计技术；面向不同用户特征（充电频率、平均形成）、不同工况（动力型、寿命型、续航型）进行不同能量管理策略；结合车联网、大数据等技术。
动力电池与热管理：动力电池的最关键性能指标是能量密度(Wh/Kg)，不断提升中，车辆实际续航能力受热管理（Thermal Management）能力影响极大——充/放电过程发热大、温度高，工作环境相对封闭，原则上应控制在0℃~+55℃。
电池热管理定义：通过温度检测、开关充电回路、启停加热/散热等措施使电芯温度范围稳定在合理范围内。
解决方案：保障电池安全之热管理技术：①第一层面：单体电池电芯层面， 选择合适电芯（镍氢电池、磷酸铁/三元锂离子/锰酸铁锂电池）、内部隔膜材料。②第二层面：电池模组热量控制，主动 /被动+导热材料，加强电池的加温和散热能力，保证每个电池单体工作在合 适的温度范围内和保持电池箱内合理的温度分布，避免单体级别的热失控扩展到整个电池系统的热失控级别
安全保障技术
碰撞安全：分区构造车体，多重机构保护。
强电安全：避免直接接触：布局、绝缘。避免间接接触：等电位。
电流保护：智能开关、保险丝。
热安全：热安全性能预测，动力系统整体隔热。
发展方向：电池安全性全面检验及认证方法；基于量产型传感器的实时监测与诊断技术；非解体、无损健康诊断技术；基于物联网技术的整车嵌入式安全管理系统。
导热材料（胶、垫片）分类应用
导热材料的四种作用：①为动力电池提供防护效果；②实现安全可靠的轻量化设计；③热管理辅助；④帮助电池应对更复杂的使用环境。
导热灌封胶：通过对模组的整体灌封，将热量从电池模组传导到散热壳体上，借助灌封胶的高介电强度的优点，能在模组设计中减少间隙的大小；耐受热冲击，固化时收缩率极低，可靠保护电子元件
导热-结构胶粘剂（胶或导热垫片）：提升设计灵活度，不受机械夹具的约束，能够粘合各种基底材料，令设计更加从容，降低对紧固件的需求，从而简化电池模组设计，优化冷却系统。
导热间隙填充材料（胶或导热垫片）：填充电芯、壳体之间的间隙，缓解由温度差异和弯曲变形引发的应力，缓冲运行振动，可挥发的硅氧烷含量可以控制在ppm级别。
电池灌封用胶分类
聚氨酯灌封胶：毒性较大，容易使人产生过敏症状，生产制作需要十分注意。
环氧灌封胶：粘接强度高，防盗版；固化放热大，易有应力，抗冷热变化能力较弱，受冷热冲击时胶体可能开裂，水分、湿气可能渗入到电子元器件内，造成隐患或故障。
有机硅型灌封胶：
动力电池研究新动向
石墨烯-锂离子电池，石墨烯 - 碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，①概念：以石墨烯为电池负极的基本单元材料。②特点：石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道，利于锂离子电池功率性能提高。③优势：石墨烯具有极大的比表面积和良好的电学性能，利于实现高能量密度、高功率密度，成本低廉、安全可靠。④挑战：大功率充电。
避免电解液的高温分解；电池正极采用单晶三元材料，提高材料的热稳定性；采用石墨烯可实现锂离子电池与环境间的高效散热。
纳米线电池，①概念：以纳米线（硅纳米线、金纳米线等）复合材料取代传统的石墨阳极。②特点：纳米线可避免金属锂与材料反应，解决了电极充电膨胀问题。③优势：循环寿命长，容量损失小。④挑战：材料制备、生产技术尚不成熟，工艺需要提高。
锂硫电池，①概念：锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。②特点：理论比容量高，环境友好。③优势：原料丰富，成本低廉。④挑战：单质硫容易流失，电极反应活性低。
空气电池，①概念：以金属为阴极，以多孔活性炭作为阳极介质，氧化剂取自空气中的氧气。主要包括锌空气电池、锂空气电池、铝空气电池。②特点：能量密度高，如锂空气电池能量密度可达到普通锂离子电池的10倍。③优势：免维护，耐恶劣环境。④挑战：循环寿命较短，功率密度小。
锌空气电池，①阴极：起催化作用的碳从空气中吸收氧。②阳极：锌粉和电解液的混合物，呈糊状。③电解液：高浓度的氢氧化钾水溶液。④隔离层：用于隔离两极间固体粉粒的移动。绝缘和密封衬垫 - 尼龙材料。电池外表面 - 镍金属外壳，具有良好的防腐性的导体。
锌空气电池具有安全、零污染、高能量、大功率、低成本及材料可再生等优点，其缺点：①使用成本相对高，充电过程相对复杂。机械充电要将锌电极取出在专用充电槽中充电，操作复杂。②实际使用寿命短，电池密封困难，易漏液；锌空气电极必须制成多孔电极吸附氧气，也吸附部分二氧化碳，使电解液碳酸盐化，效率大大下降。③批量生产加工工艺不够成熟。
固态锂电池，聚合物锂盐固态电池、氧化物玻璃体系固态电池、硫化物玻璃体系固态电池、Nasicon体系氧化物玻璃陶瓷固态电池、LI2S-P2S5基质固态电池体系、陶瓷固体电解质体系（Nasicon/钙钛/Thio_x0002_lisicon/garnet类型）。
①概念：电解质为固态的锂离子电池。②特点：功率密度、能量密度大。③优势：封存简单降低成本，安全性提高，易于电子控制。
④挑战：单质硫容易流失，电极反应活性低。
链接: https://pan.baidu.com/s/1taCD-98J2E3RnEk_cTXbjw 提取码: brix
全部评论 （0）