新能源汽车动力电池关键技术综述

新能源汽车的核心技术主要是指电池、电机和电控，即人们常说的“三电”系统。电池，即新能源汽车的动力电池，它主要影响新能源汽车的续驶里程和充电速度。

1、新能源汽车动力电池概述

动力电池是电动汽车的动力源，是能量的储存装置，也是目前制约电动汽车发展的关键因素。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键是开发比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的动力电池。

（1）电动汽车动力电池常用词及常用性能指标

荷电状态（State Of Charge,SOC)：电池剩余容量与总容量百分比。

性能状态（State Of Health,SOH)：提供电池健康状态信息。

电池管理系统（Battery Management System,BMS)：实时监控动力电池运行参数、故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警、充放电模式选择等，从而保证电动汽车高效、可靠、安全运行。

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。

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。

循环寿命：电池充电一放电循环1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。池放电的速率，即放电快慢的一种量。

电池放电C（倍）率：表示电池放电的速率，即放电快慢的一种量度。电池全部容量1h放电完毕，称为1C放电。

放电深度（DOD)：指蓄电池放出的容量占电池额定容量的比值。

（2）电动汽车的动力电池性能要求

电动汽车电池作为汽车的储能装置，既要求有足够的能量来满足一定的驾驶周期和行驶里程，又要提供能达到车辆指定的加速性能所需要的最大功率。即要求动力电池要具备良好的充放电性能，高的比功率和比能量，价格低廉，使用维护方便。

动力电池性能要求

（3）电动汽车的动力电池类型

电动汽车上普遍采用的动力电池有以下3种：

化学电池：利用化学能转变电能的装置，从结构上分主要有蓄电池和燃料电池两大类。

物理电池：依靠物理变化来提供、储存电能的装置，如超级电容、飞轮电池和太阳能电池等。

生物电池：利用生物化学反应发电的装置，如微生物电池是利用电池的阳极来代替氧或硝酸盐等天然的电子受体，通过电子的不断转移来产生电能。

动力电池分类

2、蓄电池

蓄电池是一种化学电池，其工作特点是电池放电后，能够用充电的方式使内部活性物质再生，即把电能储存为化学能，需要放电时再将化学能转换为电能。

蓄电池根据正负极材料不同可以分为铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。

（1）铅酸蓄电池

铅酸蓄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，放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅。充电时的反应过程正好相反。

铅酸蓄电池按照电解液和电池槽结构可以分为传统免维护铅酸蓄电池和阀控式密封铅酸蓄电池。

铅酸蓄电池结构

（2）镍氢电池

镍氢电池采用储氢合金为负极，镍氧化物作为正极，氢氧化钾水溶液作为电解液，电池充电时，正极的氢进入负极储氢合金中，放电时的反应过程正好相反。

镍氢电池因具有比能量高、功率大、高倍率放电、快速充电能力和无明显记忆效应等特点，成为电动汽车使用的又一重要能源。

密封镍氢电池的主要组件包括正极板、负极板、隔膜纸（隔板）、绝缘圈、密封圈、极耳、盖帽和钢壳等。

镍氢电池结构

（3）锂离子电池

锂离子电池是在1990年由日本索尼公司宣布开发研制成功的，并在一年内推向市场。锂离子电池正极采用锂化合物，负极采用锂﹣碳层间化合物，电解液为有机溶液，在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。

锂离子电池拥有高电压、高比能量等卓越性能，主要由正负极、电解质、隔膜以及外壳等组成。

锂离子电池结构

3、动力电池关键技术

我国新能源汽车所使用的动力电池主要包括磷酸铁锂电池和三元锂电池两种。2018年起，我国新能源乘用车基本上开始使用能量密度更高的三元锂电池，电动汽车的续驶里程从300公里步入如今的500公里时代。新能源电动汽车四大关键技术包括电池及管理技术、电机及其控制技术、整车控制技术、整车轻量化技术。

动力电池是电动汽车的动力源，储电能以供电动驱动系统使用，电池选择将直接关系到整车的性能。电动汽车动力电池的主要性能指标是能量密度、功率密度和循环寿命等。

汽车动力电池的关键技术包括电池化学技术，如锂离子和固态电池；电池管理系统（BMS）的先进应用；快速充电和无线充电技术；能量密度提升及可持续材料的研；提高循环寿命和安全性，同时降低制造成本，促进电动车的性能和可持续性发展。

（1）电池电化学技术

电池的电化学技术涉及到电池内部的化学反应和电子流动，包括能量密度、充电速度、寿命、安全性和成本等因素，这些技术对于电池的性能和特性至关重要。

（2）电池管理系统（BMS）

BMS是管理电池的关键组件，它监测电池状态、均衡电池单体之间的电荷和温度，并确保电池在安全范围内运行。先进的BMS技术可以提高电池性能、延长寿命和提高安全性。

电池管理系统架构

（3）充电技术

快速充电技术：如快速直流充电（DC fast charging），可以在短时间内为电池充电，提高了电动车的可用性。

无线充电技术：通过无线电磁感应或共振，实现电动车的无线充电，提高了充电的便捷性。

（4）能量密度提升

提高电池的能量密度可以增加电动车的续航里程，这通常通过改进电池材料和结构来实现。

（5）循环寿命和安全性

提高电池的循环寿命，延长电池的使用寿命，减少电池更换的成本。加强电池的安全性，防止过充、过放和短路等问题。

新能源汽车动力电池关键技术研究的意义在于推动可持续交通革命，降低温室气体排放，减缓气候变化，改善空气质量，减少对有限化石燃料的依赖。这项研究可以提高电池的能量密度、充电速度和寿命，降低制造成本，增加电动车的续航里程和可用性，从而促进清洁能源交通的大规模采用，实现环境可持续性和能源安全。