动力电池的基础知识

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动力电池的基础知识
新能源汽车三大(电池、电机、电控)核心技术，对主机厂工程师而言，动力电池知识是
必须要知道的。但是目前许多工程师对动力电池知识了解甚少，主要原因是，动力电池是电
化学领域的，而汽车学院的没有这个课程。下面做一些简要介绍，供大家参考。
一、电池是什么？其功能是什么？
先说水池吧。水杯、水桶、水缸、水池、这里的杯、桶、池、塘，有一个共同的特点，
其基本功能是装水的，不同是容积大小不一样。水是液体，有一个基本属性，水是能高处流
向低地处的。基本常识是，
人们可能没有思考，水池原来是空的，水池的水是人倒进去的，在水水池的低处钻一
个孔，一池子水最后会放干的。这个过程里有什么科学道理？
a)空水池，空的容积才能盛水；
b)水自己进不了水池里，是人倒进去的；
c)有水压的存在，水才会从高处往地处流动的。
同理，电池是盛“电”的容积，电池里面原来也是“空”的，是没有电的，电是人充进去的，
电池能放电，是因为电池里面有电压差。
水池是物理学原理，是装的液体，水是分子结构的；电池是电化学学原理，是装的带“电”
的，是比分子更小的离子。
二、干电池的基本常识
大家常见在体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等电池，归类为干电池。在干
电池里面的电解质是一种不能流动的糊状物，才叫做干电池(见图1)，这是相对于具有可流
动电解质的电池说的。

图1 干电池外形及内部结构
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其外壳是用锌做成的圆筒型容器，锌筒中央立着一根碳棒,碳棒顶端固定着一个铜帽。
碳棒和锌筒叫做干电池的电极。聚集正电荷的碳棒叫正极,(符号+， 表示电池的正极)，聚集
负电荷的锌筒叫负极(符号-，表示电池的负极)。
放电的基本原理：碳极周围填满了二氧化镁，锌电极组成了干电池的外壳，碳电极则
放在中心。电子是有电子化了的锌金属(氧化作用)所给出，流进外部的电路到达炭电极。靠
近碳电极的二氧化镁得到电子(还原作用)生成氢氧离子，并形成了新的化合物叫做氧化镁。
氧化反应把电池负极的电子推出去，而还原反应则在正极吸收它们。干电池对用户而言不具
再次充电特性，是一次性使用电池。
三、动力电池必须是可充电池
(1)干电池与目前的动力电池最大区别是：
a)干电池电解质是一种不能流动的糊状物，不具再次充电特性；
b)动力电池是电解质锂离子能在其中能流动的电解液，可以上千次充电；
(2)干电池与目前的动力电池的基本相同点：
a)有正极、有负极、有外壳、是电化学反应；
b)干电池与动力电池在单体上，物理特性基本相同，有圆柱、方形的。

图2 动力电池圆形和方形
四、动力电池包是什么意思？为什么要一节一节串联(并联)后做成电池包
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对主机厂家工程师而言，燃油汽车上是一个油箱，它是一个液体容积。但是看到电动
汽车上是一个又一个动力电池包，打开电池包里面，有许多数不清的一节一节的电池。能不
能把动力电池直接做成一个大的电池包呢？
手电筒里一般装了2节干电池，有的装3节，还有5节的。干电池规格有1号、2号、
5号的。动力电池开始把一节电池，叫做单体、把一组并联起来叫做模组，把模组串联起来，
叫电池包，把电池包串联起来叫做电池系统。
单体(或者叫单节)是电池产品的最小单位。能不能把电体电池做得很大。比如把3节干
电池，做成一节放到手电筒里。实际上做不到，这是电化学电池原理的不足。干电池一节只
能做1.5V，人们要3V的电源，必须是2节干电池串联。单节的容量也不能做很到，人们
要容量很大的电源，必须要将单个电池并联起来。

图3 动力电池包内部结构
车载动力电源一般在300V、200A以上，目前的基本方法是单体电池并联起来成模组，
模组电池串联起来成电池包，电池包串联起来成电源系统。
五、电池管理系统(BMS)是什么，其功能是什么？
12米电动公交车一般要6-8个电池包，每一个电池包里通过并联(串联)有上成白上千
单体。可以想象，众多的、有一定差异的单体电池组织的电池系统，如何协调有序开展工作？
很简单，有组织，必然有管理，与产生电池管理系统。
单体电池是物，当然管理电池工作的一定也“物”，而不是人。这个物自然是计算机管理
系统。归结起来，电池管理系统(BMS)是运用计算机技术的智能管理系统。
锂离子动力电池工作过程：
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在充放电的过程中，锂离子通过电解液穿过隔膜不停的在正负两极之间来回搬家。锂
离子回搬家的数量，多了少了都不行，必须要进行控制，控制的好，就可以反复充电下去而
不减少容量，否则就会让电池容量产生永久性的下降，甚至爆炸。

图4电池管理系统(BMS)管理对象及内容
电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，电池进行管理的系统，通常具
有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现等。其基本
功能：
通过传感器对电池的电压、电流、温度进行实时检测，同时还进行漏电检测、热管理、
电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量(SOC)、放电功率，报告电池劣化程度(SOH)和剩
余容量(SOC)状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶
里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、
电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。
六、电池管理系统重要的三个子系统基本功能
(1)SOC估计功能
精确估算SOC数值变是非常重要的，其算法是相关企业的核心竞争力之一。SOC的
估算精度高，对于相同量的电池，可以有更高的续航里程。所以，高精度的SOC估算可以
有效地降低所需要的电池成本。SOC是依据监测的外部特性信息计算出来的传输信息。SOC
告知车主当前电量的同时，也让汽车了解自身电量，防止过充过放，提高均衡一致性，提高
输出功率减少额外冗余。系统底层内部都是经过复杂的算法计算，保证汽车安全持续稳定运
行，提高安全性。
(2)热管理功能
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热管理主要包括确定电池最优工作温度范围、电池热场计算及温度预测、传热介质选
择、热管理系统散热结构设计和风机预测稳点的选择。确保电池工作在适当的温度范围内和
降低各个电池模块之间的温度差异。
(3)均衡控制功能
均衡控制分为主动均衡与被动均衡。
主动均衡是对电池组在充电、放电或者放置过程中，电池单体之间产生的容量或电压
差异性进行均衡，来消除电池内部产生的各种不一致性。
均衡方式主要以被动均衡为主，采用单体电池并联分流能耗电阻的方式，且只能在充
电过程中做均衡工作。其工作原理是通过对电压的采集，发现串联单体电池之间的差异，以
设定好的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限
阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对电池组内单体电压最高的那只电池，通过
并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达
“上限阈值电压”为一个平衡周期。