三 锂离子动力电池
1.锂离子动力电池组成
锂离子电池主要由电极、隔膜、电解质和外壳组成，如图1-6所示。正极主要为含锂的化合物，如钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）、三元锂（NCM）等。负极材料有石墨材料、无序碳材料、硅碳复合材料、钛酸锂等。隔膜为具有电绝缘特性的物质，将正负极隔开，只允许电解质中的离子通过，主要有单层PP（聚丙烯）、单层PE（聚乙烯）、双层PP/PE等。电解质通常为有机溶液、电解质锂盐和必要的添加剂等原料在一定条件下按比例配制而成。外壳采用钢壳或铝塑膜外壳，铝塑膜外壳由耐磨层、铝层、防腐蚀层和粘结层组成，其中耐磨层是电池的表面，防止电池可能受到的磨损，同时也起到密封作用，防止水分进入电池。
图1-6 锂离子动力电池组成
2.锂离子动力电池分类
（1）按锂离子电池的外形分 可分为圆柱形、方形和纽扣形锂离子电池，如图1-7所示。电动汽车用锂离子电池主要为圆柱形和方形。根据IEC61960标准，二次锂离子电池型号的命名规则如下：
图1-7 圆柱形、方形和纽扣形锂离子电池
圆柱形锂离子电池的命名用3个字母和5位数字来表示，方形锂离子电池用3个字母的6位数字表示。第一个字母表示锂离子电池的负极材料，I表示锂离子电池，L表示锂金属电极或锂合金电极；第二个字母表示电池的正极材料，C是基于钴的电极、N是基于镍的电极、M是基于锰的电极、V是基于钒的电极等；第三个字母表示电池的形状，R是圆柱形电池，P是方形电池。
圆柱形锂离子电池前两位数字表示以mm为单位的最大直径，后三位数字表示以0.1mm为单位的最大高度，如ICR18650即表示直径为18mm，高度65.0mm的圆柱形二次锂离子电池，如图1-8所示。
方形锂离子电池的前两位数字表示电池的厚度，单位mm；中间两位数字表示电池的宽度，单位mm；后两位数字表示电池的高度。如ICP083448表示一个方形的锂离子电池，正极材料是基于钴，厚度约8mm，宽度约34mm，高度约48mm，如图1-7所示。若电池型号后带P，表示功率型，此电池可以大倍率放电；若带E，表示容量型，属大容量电池。
特斯拉电动汽车MODEL S（85kW·h版本）采用了松下公司生产的7104节18650圆柱形锂离子电池，通过串并联形成电池组。最新的MODEL 3淘汰了18650电池，而改用近4000节松下21700电池。从松下的动力锂离子电池测试数据看，21700电池系统的能量密度达300W·h/kg，比18650电池系统的250W·h/kg提升了20%，成本下降了9%，而且自重更轻。
（2）按照外壳不同分 可分为硬壳和软包锂离子电池。其中硬壳锂离子电池按外壳材料不同可分为钢壳和铝壳。软包锂离子电池只是液态锂离子电池套上一层聚合物外壳，在结构上采用铝塑膜包装，软包锂离子电池的强度不高，在出现安全事故如内短路等情况下，电池容易鼓起排气，降低了爆炸风险。在发生安全隐患的情况下软包电池最多只会鼓气裂开，如图1-9所示。
图1-8 圆柱形锂离子电池结构参数
图1-9 软包锂离子电池
不同封装形式的锂离子电池各有优缺点见表1-3。圆柱形锂离子电池方面，目前中、日、韩等都有成熟的生产企业，采用圆柱形锂离子电池的代表车型为特斯拉。方形锂离子电池壳体多为铝合金，内部采用卷绕式或叠片式工艺，强度高，对单体电池的保护作用优于软包电池，在安全性方面，方形锂离子电池含有防爆阀，安全性能比圆柱形锂离子电池好。目前乘用车EV主要采用方形、圆柱形和软包锂离子电池；PHEV主要采用方形和软包锂离子电池。商用车主要采用方形和软包锂离子电池，低速车和物流车主要采用圆柱形和软包锂离子电池。
表1-3 不同封装形式锂离子电池的优缺点
（3）按正极材料分 锂离子电池可分为磷酸铁锂离子电池、锰酸锂离子电池、钴酸锂离子电池和三元锂离子电池（包括镍钴锰、镍钴铝），钛酸锂用作锂离子电池负极。第一代车用锂离子电池主要是锰酸锂离子电池，第二代车用锂离子电池主要是磷酸铁锂离子电池，第三代车用锂离子电池主流为三元锂离子电池。不同正极材料的锂离子电池性能对比如表1-4所示。
表1-4 不同正极材料锂离子电池性能对比
1）磷酸铁锂离子电池。磷酸铁锂离子电池目前国内电动汽车较常采用的锂离子动力电池之一，磷酸铁锂离子电池的优点如下：
①安全性能好。可以在390℃以内的高温下保持稳定，不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧，可以轻松通过针刺实验。
②循环使用寿命较长。理论循环使用寿命为2000～3000次，装车正常可以使用到7～8年。实验显示，经过3000次0—100%的充放电使用，磷酸铁锂离子电池的容量也才会衰减到80%。
③热稳定性好。当电池温度处于500～600℃高温时，其内部化学成分才开始分解。
磷酸铁锂离子电池的主要缺点如下：
①能量密度较低。磷酸铁锂离子电池能量密度理论极限为170W·h/kg，形成动力电池系统的能量密度在100W·h/kg左右，和三元锂离子电池相比有不小差距，这对整车的续驶里程有一定影响。
②电池容量较小。同样的电池容量，磷酸铁锂电池的重量更重、体积更大，也影响了其续驶里程。
③低温充放电性能较差。在低温时充电对电池寿命有极大的影响，低温放电容量及放电功率也有所下降，因此冬季低温时整车会出现续驶里程低及动力性下降的现象。
此外，磷酸铁锂离子电池平整的放电平台也给电池荷电状态SOC估算带来了困难。
2）三元锂离子电池。三元锂离子电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂作为三元正极材料的锂离子电池，三元锂离子电池的优点如下：
①能量密度高。三元锂离子电池的理论能量密度达280W·h/kg，目前多数电池厂家生产的三元锂电池的能量密度已经达到了200W·h/kg，预计随着电池技术的发展，三元锂电池的能量密度会进一步提高。因此在同样的能量下，三元锂离子电池系统的重量更轻，体积更小，使得整车的续驶里程可以大幅提升。
②与磷酸铁锂电池相比，放电倍率高，一致性好，SOC估算简便。
③低温性能好，动力电池系统可实现-20℃直接充电，这大幅缩短了冬季充电时间。
三元锂离子电池主要的缺点如下：
①热稳定性不如磷酸铁电池，当其自身温度达到250～350℃时，内部化学成分就开始分解。因此对电池管理系统提出了极高的要求，需要为每节电池分别加装保险装置，这就会加大其经济成本。
②成本高。对比磷酸铁锂离子电池，每瓦时价格高出30%左右，一定程度上增加了整车的制造成本。
③安全性较磷酸铁锂离子电池要差。三元材料的脱氧温度是200℃，放热能量超过800J/g，并且无法通过针刺实验，这就表明了三元电池在内部短路、电池外壳损坏的情况下，很容易引发燃烧、爆炸等安全事故。
④循环使用寿命短。由于三元锂离子电池材料本身的性质，导致三元锂离子电池在循环使用寿命上相对较短。三元锂离子电池的理论循环使用寿命是2000次，但在实际使用中，当进行900次的深度充放电循环后，电池容量就基本衰减到了55%。若将电池充放电深度都控制在0—50%，即使经过3000次的充放电循环电池容量基本还能能够保持在70%左右，但这需要非常优秀的电池管理系统。
3）锰酸锂离子电池。锰酸锂离子电池标称电压达到3.7V，能量密度中等，由于锰元素储量高，资源丰富，生产制造锰酸锂离子电池的成本也较低，同时锰酸锂离子电池的安全性较好，在第一代车用动力电池中被广泛使用。但因其能量密度不高、循环寿命衰减较快，现已逐渐退出车用动力电池应用。
4）钛酸锂离子电池。钛酸锂离子电池快充性能好，放电倍率大，循环寿命长，安全性能好，低温性能好。但因其能量密度低，成本高，只在个别电动客车上使用，如银隆电动客车。
3.锂离子电池的充放电特性
（1）锂离子电池的充电特性 锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的1%。终止电压过高，会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充电现象，对电池造成永久性的损坏；终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。
充电电流方面，锂离子电池的充电电流应根据电池生产厂的建议选用。理想的充电电流通常为0.5C～1C。大电流充电可缩短充电时间，但充电过程中电池内部的电化学反应会产生热，因此会有一定的能量损失，同时必须监测电池的温度以防过热损坏或产生爆炸。锂离子电池的充电温度一般控制在0～60℃。
锂离子电池有不同的充电方法，最简单的就是恒压充电。恒压充电时，充电电流不断下降，当充电电流降到低于0.1C时，就认为电池被充分充电了。但恒压充电这种方式需很长的充电时间。兼顾充电过程的安全性、快速性和高效性，锂离子电池常采用先恒流后恒压的充电方式，如图1-10所示。对于放电电压低于3V的电池，一开始就采用大电流充电对电池是一种损害，这时采用0.1C的小电流进行涓流预充电，可有效修复过放电的电池。因此恒流恒压充过方式通常包括三个过程：预充电、恒流充电、恒压充电。
图1-10 恒流恒压充电方式
图1-11所示为三元锂离子电池的采用先恒流后恒压充电方式时充电特性，恒流电流为0.2C～1C，恒压充电电压4.2V。从图1-11中可以看出，1C恒流充电结束时，电池容量已达到80%以上，充电时间约为50min左右。
（2）锂离子电池的放电特性 放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在2C～3C。更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，电池的放电容量将会降低。在过放电（低于3.0V）时，还会造成电池的失效。
图1-11 三元锂离子电池充电特性
1）不同放电倍率的放电特性。图1-12为不同放电倍率下锂离子电池的放电特性。锂离子电池放电时有如下要求：一是放电电流不能过大，过大的电流会导致内部发热，有可能会造成永久性的伤害；二是电池电压低于放电终止电压后，若仍然继续放电，将产生过放现象，这也会造成电池永久性损坏。不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电倍率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。从图中可以看出，采用0.2C放电倍率，单体电池电压下降到3V时，可放出约700mA·h，而采用2C放电率时，只能够给放出约620mA·h，大电流放电时，电池的放电容量下降。
图1-12 锂离子电池不同放电倍率下的放电特性
2）不同温度的放电特性。温度对放电性能的影响直接反映到放电容量和放电电压上。温度降低，电池内阻加大，电化学反应速度放慢，极化内阻迅速增加，电池放电容量和放电平台下降，影响电池功率和能量的输出。锂离子电池工作温度为-25～45℃，随着电解质及正极的改进，有望能扩展到-40～70℃。从图1-13中可以看出，锂离子电池最理想的放电温度在20℃左右，此时的充放电性能均能最大化。
图1-13 不同温度下锂离子电池的放电特性
通过以上锂离子电池的充放电特性可以看出，在电动汽车使用过程中，理想的充放电要求是浅充浅放。具体是指在车辆使用过程中，减少使用大电流的放电的情况，如急加速，这样会导致电池的放电容量急剧减少，使得单次行驶续驶里程快速缩短。车辆电量低于20%之前就开始充电，条件许可的情况下，做到随用随充，对提高电池的使用寿命是有益的。