電池組占電池電動(dòng)汽車(chē) （BEV） 成本的 35% 至 50% 1，同樣是尺寸和重量的重要貢獻(xiàn)者，以及其續(xù)航里程的 100%。因此，電動(dòng)汽車(chē)制造商和電池制造商對(duì)電池價(jià)格和技術(shù)的密切關(guān)注應(yīng)該不足為奇。

考慮一下：彭博新能源財(cái)經(jīng)（BNEF）的2021年電池價(jià)格調(diào)查預(yù)測(cè)，到2024年，平均電池價(jià)格可能低于100美元/千瓦時(shí)。這是汽車(chē)制造商可以以與同類(lèi)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相同的價(jià)格和利潤(rùn)率制造和銷(xiāo)售大眾市場(chǎng)電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格點(diǎn)，而無(wú)需補(bǔ)貼。阿拉伯?dāng)?shù)字

Wolfspeed的“引擎蓋下是什么”系列的這一章揭示了BEV的動(dòng)力源 - 電池組 - 揭示了電池特性，電池化學(xué)成分和架構(gòu)，以及危險(xiǎn)，保護(hù)和控制。

電池作為電化學(xué)工廠

可充電或“二次”電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。電池是模塊和電池組中最小的單個(gè)電化學(xué)單元。

電池化學(xué)的行業(yè)名稱(chēng)通常是指電極材料。例如，在鋰離子電池中，陰極通常包括鋰金屬氧化物顆粒和陽(yáng)極石墨顆粒。兩者都由膜物理隔開(kāi)以防止內(nèi)部短路，但滲透有電解質(zhì)以幫助Li+離子的運(yùn)動(dòng)。在放電過(guò)程中，電子通過(guò)負(fù)載從負(fù)極傳播到電池外部的正極，而Li+離子在電池內(nèi)部以相反的方向傳播。在充電過(guò)程中，電子和離子流動(dòng)的方向是相反的。

主要電池規(guī)格

每個(gè)電池都有許多參數(shù)，這些參數(shù)在很大程度上取決于電池化學(xué)成分和包裝。它們能夠比較各種電池組，包括：

標(biāo)稱(chēng)電壓 （V）：電池的參考電壓或“正?！彪妷骸?/p>

標(biāo)稱(chēng)容量（Ah @ 指定的 C 率）：它是當(dāng)充滿電的電池以一定的放電電流（由 C 速率指定）放電時(shí)以安培小時(shí)為單位測(cè)量的庫(kù)侖容量。

C-率：這測(cè)量電池相對(duì)于其最大容量的放電速率。1C倍率意味著放電電流將在一小時(shí)內(nèi)將整個(gè)電池放電。更高電壓的電池組允許更低的C速率電池和更快的充電和放電，因?yàn)樾枰偷碾娏鳌?/p>

比能量（瓦時(shí)/千克）：這是每單位質(zhì)量的標(biāo)稱(chēng)電池能量或重量能量密度，反映在行駛里程上。

比功率（瓦/千克）：每單位質(zhì)量的最大可用功率證明了按需提供影響車(chē)輛加速的高電流的能力。

能量密度（瓦時(shí)/升）：每單位體積或體積能量密度的標(biāo)稱(chēng)電池能量。它決定了在給定能耗下達(dá)到給定范圍所需的電池尺寸。

性能：通常，能量或功率與循環(huán)壽命的關(guān)系，性能反映了電池的狀況，尤其是在極端溫度條件下駕駛電動(dòng)汽車(chē)時(shí)。

壽命：這是以充放電循環(huán)計(jì)數(shù)來(lái)衡量的。鋰離子電動(dòng)汽車(chē)電池組的壽命通常預(yù)計(jì)為 10-12 年。

成本是用于判斷電池技術(shù)可行性的另一個(gè)參數(shù)。它不僅包括技術(shù)、材料和制造成本，還包括輔助系統(tǒng)的成本，例如用于安全和電池監(jiān)控和管理的系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車(chē)電池化學(xué)成分

如上所述，電池化學(xué)性質(zhì)驅(qū)動(dòng)著對(duì)電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用至關(guān)重要的參數(shù)。早期電動(dòng)汽車(chē)使用的鎳鎘（Ni-Cd）電池已經(jīng)讓位于更新的電池化學(xué)成分中。雖然Ni-Cd在很寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但受到許多問(wèn)題的困擾，包括1.2 V的低標(biāo)稱(chēng)電壓，低能量密度以及稱(chēng)為“記憶效應(yīng)”的電壓抑制問(wèn)題，當(dāng)電池未完成充放電循環(huán)時(shí)，導(dǎo)致容量降低。

在更主流的技術(shù)中，鋰離子化學(xué)如下所述，并在圖3中進(jìn)行了比較。

LCO：鈷酸鋰 （LiCoO2） 具有高重量能量密度和 3.6V 標(biāo)稱(chēng)電壓，但具有低 C 速率、短壽命、溫度穩(wěn)定性問(wèn)題以及鈷使用成本高等問(wèn)題。

鎳基化學(xué)品：盡管鎳和鈷都顯著增加了電池成本，但鋰鎳錳鈷氧化物 （NMC） 和鋰鎳鈷鋁氧化物 （NCA） 因其高比能量和 3.6 V 的良好標(biāo)稱(chēng)電壓而被大量用于電動(dòng)汽車(chē)牽引和存儲(chǔ)應(yīng)用。 NMC 占據(jù)了最大份額，占銷(xiāo)售額的 71%， 其余大部分由NCA占據(jù)。1 然而，除了鈷的高成本之外，該行業(yè)越來(lái)越關(guān)注鈷——其供應(yīng)鏈經(jīng)常受到難以追蹤和非法采礦行為的質(zhì)疑。

改性活生物體：鋰錳氧化物提供高C速率和高標(biāo)稱(chēng)電壓（3.7 V），并已用于較舊的電動(dòng)汽車(chē)。但是，性能低于其他化學(xué)品。

LFP：磷酸鐵鋰（LiFePO4）在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定，因此更安全。它具有更長(zhǎng)的使用壽命和高 C 速率，但容量相對(duì)較低，標(biāo)稱(chēng)電壓較低，為 3.2 V.LFP 電池在 30 年也比 NMC 電池便宜近 2021%。3由于LFP陰極成分接近用作食品添加劑的磷酸鹽，具有相似的純度水平要求，因此可以利用完善的制造環(huán)境實(shí)踐和控制。此外，LFP不存在與鈷相關(guān)的供應(yīng)鏈問(wèn)題。因此，電動(dòng)汽車(chē)制造商越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向LFP電池技術(shù)，特別是對(duì)于更經(jīng)濟(jì)的車(chē)型。

LTO：在這些電池中，負(fù)極是尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（Li4Ti5O12）而不是石墨。正極可以是 LMO 或 NMC。LTO電池更安全，使用壽命更長(zhǎng)，性能更好，成本更低。但是，它們的比能量很低。LTO電池用于本田的Fit EV和三菱i-MiEV的一些日本專(zhuān)用版本。

細(xì)胞形狀因素和包裝解剖結(jié)構(gòu)

電池包裝為圓柱形、袋形和棱柱形類(lèi)型。圓柱形電池包括夾在圓柱形罐中的片狀電極和隔板。18650（18 × 650 mm）是特斯拉使用的一種流行格式，其他常見(jiàn)尺寸包括 21700 和 46800。它們非常適合在模塊和電池組之間的空間中運(yùn)行熱交換器。

軟包電池的電極和隔板緊密堆疊在密封的柔性箔容器內(nèi)。它們需要支撐結(jié)構(gòu)，并面臨熱管理和細(xì)胞膨脹問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)棱柱形形式，電極片和隔板被夾在中間，堆疊或卷起，并壓入金屬或硬塑料外殼中。它們提供高功率和高電流，是電動(dòng)汽車(chē)中最常用的。

為了形成電池，電池根據(jù)電壓和電流要求并聯(lián)（P）和串聯(lián)（S）排列。例如，2P4S 配置有兩個(gè)電池并聯(lián)，電流是兩倍，四個(gè)串聯(lián)電池可提供 4 倍電壓。母線用于連接電池模塊以形成整個(gè)車(chē)輛電池組。

電動(dòng)汽車(chē)電池組的范圍從混合動(dòng)力車(chē)的幾千瓦時(shí)到BEV的100千瓦時(shí)以上。400 V 系統(tǒng)通常有 96-108 節(jié)串聯(lián)電池，用于 355 至 400V 標(biāo)稱(chēng)電壓和 454V 充電，而 800 V 系統(tǒng)需要大約 198 節(jié)串聯(lián)電池才能達(dá)到 733V 標(biāo)稱(chēng)電壓和 832V 充電。

鋰離子電池的危害和擔(dān)憂

鋰離子電池的開(kāi)發(fā)是為了解決鋰金屬電池固有的不穩(wěn)定性。如果采取某些預(yù)防措施，鋰離子電池是安全的。但是，重要的是要了解可能出現(xiàn)的問(wèn)題：

樹(shù)枝狀生長(zhǎng)： 內(nèi)部短路的主要原因是由于過(guò)度充電、放電低于某個(gè)閾值或在低于推薦溫度下充電而導(dǎo)致鋰枝晶的形成。鋰枝晶由于負(fù)極上的電沉積（電鍍）而生長(zhǎng)，最終刺穿隔膜到達(dá)正極。這可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度發(fā)熱、燃燒甚至爆炸。

熱失控： 內(nèi)部自放電和內(nèi)部電阻的加熱效應(yīng)會(huì)驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步加熱電池。這種惡性循環(huán)一直持續(xù)到電池著火。單個(gè)電池中的熱失控會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電池組發(fā)生連鎖反應(yīng)?？焖俜烹?、過(guò)度充電和電流浪涌會(huì)導(dǎo)致熱失控事件。

腐蝕、晶體形成和鈍化： 腐蝕是鋰意外氧化的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部阻抗增加。電極上的顆粒可能會(huì)形成大晶體，從而減少鋰可以結(jié)合以進(jìn)行正常電化學(xué)反應(yīng)的表面積。電極表面可能會(huì)生長(zhǎng)一層薄的鈍化層，通常是氧化物或氫氧化氧。這些缺陷都會(huì)阻礙所需的電化學(xué)反應(yīng)，增加電池的內(nèi)阻并降低容量。

鋰離子的其他問(wèn)題包括細(xì)胞破裂和釋氣。與樹(shù)枝狀生長(zhǎng)一樣，這些問(wèn)題可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障，可能導(dǎo)致火災(zāi)或危險(xiǎn)的電解液溢出。

電池保護(hù)和控制

在最佳條件下操作，電化學(xué)電池可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行。例如，牛津電鐘由兩個(gè)銅鈴組成，每個(gè)銅鈴都位于干電池下方，自 2 年安裝以來(lái)，它一直以 1840 Hz 的頻率連續(xù)報(bào)時(shí)，已有 180 多年的歷史。

對(duì)于鋰離子電池，在監(jiān)測(cè)電池狀況時(shí)必須考慮獨(dú)特的電池特性，以確保使用壽命。其放電電壓與充電狀態(tài) （SOC） 在 20% 到 80% 的電荷之間幾乎持平，因此難以測(cè)量 SOC。 使這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜的是，鋰離子充放電周期在電壓與 SOC 曲線略有不同的電壓后表現(xiàn)出“遲滯”。

電池監(jiān)測(cè)對(duì)于電池保護(hù)至關(guān)重要。監(jiān)控以下情況，如果檢測(cè)到故障情況，將采取保護(hù)措施，例如脫離承包商以打開(kāi)電路。

電池平衡：雖然電池在制造過(guò)程中是匹配的，但容量和內(nèi)阻的變化是充放電循環(huán)的自然結(jié)果。當(dāng)多個(gè)電池串聯(lián)堆疊時(shí)，最弱的電池會(huì)限制從堆棧中汲取的電流。通過(guò)在充電和放電循環(huán)期間繞過(guò)強(qiáng)電池或弱電池來(lái)平衡電池。

過(guò)流：必須確定這種情況才能使接觸器跳閘并防止電池過(guò)熱。

電壓：過(guò)壓和欠壓條件在電池級(jí)和電池組級(jí)測(cè)量，以確保使用壽命。

電纜絕緣：電纜絕緣電阻是通過(guò)通過(guò)非常低的電流來(lái)測(cè)量的，以便可以檢測(cè)到絕緣斷裂。

單元控制方法通常通過(guò)有線CAN總線實(shí)現(xiàn)，使得每個(gè)模塊與中央微控制器單元通信，中央微控制器單元反過(guò)來(lái)處理監(jiān)控信息并啟動(dòng)保護(hù)措施，例如接合或斷開(kāi)接觸器。

結(jié)論

鑒于其對(duì)BEV市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要性，重要的研發(fā)重點(diǎn)是帶來(lái)新的電池技術(shù)。例如，Group14 Technologies的硅碳負(fù)極材料據(jù)稱(chēng)可將重量能量密度提高近25%，達(dá)到330 Wh / kg。6 對(duì)固態(tài)電池的其他研究可以消除火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

審核編輯：郭婷