知识点03 电动汽车锂离子电池的基本认知
【行业资讯】 实用商品化的纯电动汽车一般都采用锂离子电池，就目前来判断，未来很长一段时间仍将采用锂离子电池。
一、锂离子电池类型
锂离子电池主要由电极、隔膜、电解质和外壳组成。正极主要为含锂的化合物，常见的正极材料包括钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、三元材料（NCM）、磷酸铁锂（LFP）等。负极大多采用石墨。隔膜是一层具有电绝缘特性的物质，它可以把正负极分隔开，具有使电解质中离子通过的能力。常用的电解液通常为有机物。外壳有钢壳、铝塑膜，其中铝塑膜大多由耐磨层、铝层、防腐蚀层、粘结层几部分组成，其中耐磨层是电池的外表面，可以防止汽车长期运行中电池位置错动引起的磨损，铝层可以起到防止水分进入的作用。
二、三元锂离子电池的特点
目前市场上的锂离子电池正极材料主要是氧化钴锂（LiCoO2），另外还有少数采取氧化锰锂（LiMn2O4）和氧化镍锂（LiNiO2）以及三元材料（LiNiCoO2）作为正极材料的锂离子电池，不同正极材料锂离子电池放电曲线如图1-5所示。
图1-5 不同正极材料锂离子电池放电曲线对比
常见的三元锂离子电池有NCM523、NCM622和NCM811三种类型。NCM811电池指的是三元锂电池的正极材料镍、钴、锰三种金属比例为8:1:1的电池，与常见的NCM523和NCM622电池相比，提高了镍的含量，同时降低了钴和锰的含量。镍的比例增高，能够增加能量密度，但也带来了更加激烈的电化学反应，影响电池的安全性能。不过，由于减少了钴的用量，NCM811电池价格也将大幅降低，对于车企来说，这样的电池极具吸引力。
比亚迪汉DM插电式混合动力汽车的动力蓄电池就是三元锂离子电池，即镍钴锰酸锂电池。
三元锂离子电池具有以下特点。
1）普通单体电池工作电压高达3.7V，是镍氢电池的3倍，是铅酸电池的近2倍。
2）重量轻，比能量大，高达150W·h/kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍，因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一。
3）体积能量密度大，高达400W·h/L，是铅酸电池的二分之一到三分之一。
4）循环寿命长，循环次数可达1000次。以容量保持60%计，电池组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达5年以上，寿命约为铅酸电池的两到三倍。
5）自放电率低，每月不到5%。
6）允许工作温度范围宽，低温性能好，可在-20～55℃之间工作。
7）无记忆效应，每次充电前不必像镍镉电池、镍氢电池一样需要放电，可以随时随地进行充电。
8）电池充放电深度对电池的寿命影响不大，可以全充全放。
9）无污染，电池中不存在有毒物质，因此被称为“绿色电池”。
图1-6所示为乘用车采用的锂离子电池组。
图1-6 奥迪Q5混合动力汽车锂离子电池组
三、磷酸铁锂电池
磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料、碳作为负极材料的锂离子电池，单体标称电压为3.2V，充电截止电压为3.6～3.65V，放电截止电压为2.5V，最大持续放电倍率为3C。
图1-7所示为汽车磷酸铁锂电池组。
图1-7 汽车磷酸铁锂电池组
磷酸铁锂电池具有以下优点。
（1）高效率输出 标准放电为2C～5C，连续大电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C。
（2）高温时性能良好 外部温度65℃时内部温度高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃，电池的结构安全、完好。
（3）安全性好 即使电池内部或外部受到伤害，电池也不燃烧、不爆炸。
（4）循环容量大 经500次循环，其放电容量仍大于95%。
四、锂离子电池工作原理
无论是高压（3.7V）锂离子电池还是低压（3.2V）锂离子电池其基本原理是相同的。各种锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成，正负极及电解质材料不同工艺上的差异使电池有不同的性能，尤其是正极材料对电池的性能影响最大。
下面以磷酸铁锂（LiFePO4）电池为例说明其工作原理。磷酸铁锂（LiFePO4）电池的结构与工作原理如图1-8所示，磷酸铁锂（LiFePO4）作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。磷酸铁锂（LiFePO4）电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移。在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而得名的。
图1-8 磷酸铁锂（LiFePO4）结构与工作原理示意图
技术指导 锂离子电池正极由含有锂离子的金属氧化物组成，负极一般是石墨构成的晶格，充电时锂离子由正极向负极一端移动，最终嵌入由石墨构成的稳定晶格中。可以容纳锂离子的晶格越多，可以移动的锂离子越多，电池容量越大。
五、锂离子电池的标称参数
圆柱形电池由英文字母、数字叠加表示，分别代表电池的类别及外部尺寸。如圆柱形电池18650B（图1-9）：18代表电池的直径、65代表电池的高度、0代表圆柱形电池、B代表B品电池。常见的圆柱形电池有18650、21700、26650、32650、38650、46800。
图1-9 18650B电池
方形铝壳电池由英文字母、数字叠加表示，分别代表电池的材料类型及电池外部尺寸。比如：国轩高科电池IF P27175200A-105Ah（图1-10），其中IF代表电池的正极材料为磷酸铁锂，P代表方形电池，271代表电池的厚度为271mm，75代表电池的宽度为75mm，200代表电池的高度为200mm，105代表电池的容量。
图1-10 IF P27175200A-105Ah电池
六、动力蓄电池的成组
单体锂电池的电压并不足以支持整车的高压部件工作，因此有必要将多个单体串联，组成一个高电压的电池。而车辆有一定的续驶要求，电池也要达到一定的容量才能满足需求，因此需要对单体电池进行并联扩容。
动力蓄电池成组有3种方式：串联、先串联后并联或先并联后串联（图1-11）。
图1-11 动力蓄电池的结构类型
2020款比亚迪秦EV通过112个三元锂电池串联而成电池包，此电池包是由12个电池模组串联组成的，成组方式是1P112S，即“1并112串”。
比亚迪K8电动公交大巴（直流版）将165个磷酸铁锂电池串联组成1个电池包后，再由2个电池包并联组成动力蓄电池，简称为165S2P。