電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)王莉何向明趙云等譯清華大學(xué)出版社電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)等譯清華大學(xué)出版社北京市版權(quán)局著作權(quán)合同登記號(hào)圖字：01-2018-1889版權(quán)所有，侵權(quán)必究。侵權(quán)舉報(bào)電話：010-6278298913701121933鋰離子電池組設(shè)計(jì)手冊(cè)：電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)/(美)約翰·沃納(JohnWarner)著:王莉等譯.一北京：清華大學(xué)出版社，2019I.①鋰…Ⅱ.①約…②王…Ⅲ.①鋰離子電池一手冊(cè)IV.①TM912-62中國(guó)版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2018)第212740號(hào)地址：北京清華大學(xué)學(xué)研大廈座郵編社總機(jī)購(gòu)量反饋zhiliang@開本：148mm×210mm印張：8.125字?jǐn)?shù)：226千字版次：2019年1月第1版印次：2019年1月第1次印刷Elsevier(Singapore)3KillineyRoad,#08-01WinslandHouseI,Singapore239519Tel:(65)6349-0200;Fax:(65)6TheHandbookofLithium-IonBatteryPackDesignCopyright◎2015ElsevierInc.AllThistranslationofTheHandbookofLithium-IonBatteryPackDesignbyJohnWarundertakenbyTsinghuaUniversityPressandispublishedbyarrangementwithElsevierTheHandbookofLithium-IonBatteryPackDesignbyJohnWarner由清華大學(xué)出版社進(jìn)《鋰離子電池組設(shè)計(jì)手冊(cè)電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)》(王莉何向明趙云等譯)Copyright◎2015byElsevier(Allrightsreserved.Nopartofthispublicationmaybereproducedortraformorbyanymeans,electronicormechanical,iinformationstorageandretrievalsystPteLtd.Detailsonhowtoseekpermission,furtherinformationabouttpoliciesandarrangemCopyrightLicensingAgency,canbefoundatourwebsite:ThisbookandtheindividualcontributionscontainedinitareprotecteElsevier(Singapore)PteLtd.andTsinghuaUniversityPress(otherthanasmayThiseditionisprintedwithElsevier(Singapore)PteLtd.ThiseditionisChinaonly,excludingHongKongSAR,MacauSARandTaiwan.Unauthorizedexportofteditionisaviolationofthecontract.自1991年第一款鋰離子電池商業(yè)化以來(lái)，鋰離子電池以高比能量月異。子動(dòng)力電池技術(shù)及市場(chǎng)在國(guó)內(nèi)得到了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)在“十二五"“十際競(jìng)爭(zhēng)力。提升鋰電技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的全球觀，譯者選取了XALTEnergy公司John熱管理系統(tǒng)、系統(tǒng)控制電子元件、機(jī)械包裝及材料選擇、電池耐濫用性、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和組織、鋰離子電池的回收及利用、鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)、鋰離子電池和電氣化的發(fā)展及展望。本書對(duì)于企業(yè)新員工培訓(xùn)或者打算從事鋰電行業(yè)并想系統(tǒng)學(xué)習(xí)該方面知識(shí)的人士來(lái)說是一本非常合適的書籍。本書也可以作為大學(xué)教學(xué)的輔助教材，或者作為市場(chǎng)調(diào)研工作者和新能源愛好者的參考書籍。本書翻譯工作由清華大學(xué)何向明教授領(lǐng)導(dǎo)的鋰離子電池課題組人員共同完成，主要人員有何向明、王莉、趙云、王騰躍和王正陽(yáng)。此外，感謝課題組樸楠、陳雨晴、鄭思奇、王思源等人在本書編寫過程中給予的建議和幫助。同時(shí)，還要特別感謝清華大學(xué)汽車系歐陽(yáng)明高教授課題組的任東生博士在本書翻譯過程中給予的協(xié)助。為了符合中文的語(yǔ)言習(xí)慣，本書在盡量保持原文大意的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言修改和文字潤(rùn)色。如有錯(cuò)誤或不足之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。2018年8月18日清華園他電池技術(shù)(比如鎳氫電池、鉛酸電池等),這些書都不太適合研發(fā)車用在18個(gè)月之前，我跟同事一起開會(huì)的時(shí)候，他問我，你怎么什么都知道?這讓我有了出一本動(dòng)力鋰離子電池的相關(guān)書籍的想法，以幫助那些從事鋰電行業(yè)但還不是很專業(yè)的工作者來(lái)進(jìn)一步了解鋰電行業(yè)以電池行業(yè)已經(jīng)發(fā)展了超過10年，有很多人從其他行業(yè)進(jìn)入鋰電行業(yè)中，這也就意味著有很多熟悉其他專業(yè)領(lǐng)域的工作者來(lái)學(xué)習(xí)鋰離子電池方們是什么;或者你是一名熱能工程師，正要轉(zhuǎn)行進(jìn)入鋰電行業(yè)——那么本書就是為你而寫。本書首先介紹電池的發(fā)展史。我們了解以前人們對(duì)電池的研究歷程，就可以避免重復(fù)先前的錯(cuò)誤，所以了解前人的研究很重要。接下來(lái)，對(duì)于新手來(lái)說最大的挑戰(zhàn)是了解專業(yè)術(shù)語(yǔ)，本書將幫助你了解這方面的內(nèi)容。隨后，對(duì)于一些電池方面的數(shù)學(xué)公式，在本書中會(huì)做一些描述和注解，這部分提到的公式都是我工作七年的過程中經(jīng)常用到的公式。接下來(lái)的章節(jié)將講述電池的不同組成，以及電池組裝完成后在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)然，這些電池有的是鋰電、有的是其他電池技術(shù)。因此無(wú)論你是正在尋找鋰電某一方面的知識(shí)，還是想系統(tǒng)地學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，本書都將是你最好的工具。我相信，在此書撰寫后的兩年左右，鋰離子電池技術(shù)并不會(huì)止步不前，而會(huì)隨著科學(xué)研究和市場(chǎng)需求保持一定的發(fā)展。本書將為你的繼續(xù)深造奠定基礎(chǔ)，趕快行動(dòng)起來(lái)吧。首先感謝我的妻子Amy和孩子Erika和Lukas,他們對(duì)我從事這個(gè)行業(yè)給予了最大的支持與鼓勵(lì)。沒有他們的耐心與鼓勵(lì)，我也不可能有這么多周末和夜晚來(lái)寫作這本書。同時(shí)感謝傳授我鋰電知識(shí)的前輩和給予這本書創(chuàng)作靈感的同事們：BobPurcell,工作于汽車電氣化領(lǐng)域，對(duì)該書的大綱列表給予了很好的指導(dǎo)和建議；BobGalyen,在電池能源行業(yè)頗具領(lǐng)導(dǎo)地位，在工作中一直給予我鼓勵(lì)和支持，同時(shí)也對(duì)本書進(jìn)行了指導(dǎo)；多謝PerOnnerud和ChristinaLampe-Onnerud兩位博士，在我剛進(jìn)入鋰電行業(yè)時(shí)悉心指導(dǎo)我；感謝JRLina博士，在我入行之初教給了我很多關(guān)于鋰電的基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵概念，此書中的部分內(nèi)容也是他所傳授的；感謝已經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)新能源公司二十多年的SubhashDhar和對(duì)電氣領(lǐng)域了解相當(dāng)廣泛的JonBereisa,和二位進(jìn)行的交流與討論對(duì)我啟發(fā)很大，在此一并感謝。該致謝也包括給予我靈感寫這本書的朋友們，BobKruse、DellCrouch、LoriHutton和OliverGross,他們同時(shí)對(duì)該書的編寫也給出了合理的指導(dǎo)和建議。再次感謝我在新能源領(lǐng)域工作的七年間和我一起工作的人員以及所有對(duì)該書的出版有所幫助的人員! 11.1影響消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)汽車的因素 21.2電動(dòng)汽車是汽車技術(shù)發(fā)展的需要 41.3本書的目的 41.4章節(jié)概要 6第2章汽車電氣化史 9 第3章基本術(shù)語(yǔ) 23 233.2電網(wǎng)術(shù)語(yǔ) 3.3電池行業(yè)術(shù)語(yǔ) 374.1歐姆定律和基本的電池計(jì)算 42 43 48 48 55 5.4維護(hù)設(shè)計(jì) 第6章計(jì)算機(jī)輔助的電池設(shè)計(jì)優(yōu)化工具 656.1組織和分析產(chǎn)品 6.2分析工具 69 69 717.1鉛酸電池 7.3鈉基電池 80 867.7隔膜 7.8電解質(zhì) 89 92 95 8.3BMS的主要功能——均衡管理 8.4BMS的其他功能 8.6小結(jié) 第9章系統(tǒng)控制電子器件 9.2高壓互鎖回路 9.3保險(xiǎn)絲 9.5連接器 第10章熱管理 10.1為什么需要冷卻 第11章電池的機(jī)械包裝及材料選擇 137 11.3塑料和復(fù)合物封裝 12.2測(cè)試與表征 12.4.1聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn) 12.4.3海上認(rèn)證 13.2研究、開發(fā)和貿(mào)易團(tuán)體 第14章鋰離子電池的二次利用和資源回收 14.1維修與再制造 14.3鋰電回收合作 第15章鋰離子電池的應(yīng)用 15.2汽車方面的應(yīng)用 205 20615.8電網(wǎng)應(yīng)用 209 211 212 21315.9航空航天方面的應(yīng)用 21716.1鋰離子電池和電動(dòng)化的未來(lái) 16.3技術(shù)趨勢(shì) 16.4電池技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 附錄A美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟對(duì)12V啟/停電池組的發(fā)展目標(biāo) 225附錄B美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟對(duì)48V電池組的發(fā)展目標(biāo) 227附錄C美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟對(duì)混合動(dòng)力電池組的發(fā)展目標(biāo) 229 附錄E美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟對(duì)純電動(dòng)汽車電池組的發(fā)展目標(biāo) 235第1章引言游戲等)提供能源。但是電池在社區(qū)、家庭以及交通工具上的應(yīng)用才剛在HandbookofLithium-ionBatteryApplications(Warner,2014)組裝進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述。本書對(duì)此進(jìn)行了更深層次的討論，深入地剖析了一些公式和算法，以此來(lái)解決有關(guān)電池組裝方面的問題。此外，本書還會(huì)對(duì)認(rèn)證測(cè)試以及鋰電行業(yè)的組織現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，最后講述鋰電池在各個(gè)方面的應(yīng)用及其未來(lái)和發(fā)展。通過一些關(guān)于鋰離子電池的新聞報(bào)道，比如波音787客機(jī)的電池失效使新飛機(jī)延遲起飛，特斯拉以及雪佛蘭電動(dòng)汽車中電池失效2~4等，可以看出鋰電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其重要。我個(gè)人認(rèn)為上述事故并不是由電池引起的系統(tǒng)安全事故，而是系統(tǒng)引起了電池的安全事故。我這么說的理由是把世界上品質(zhì)最高、性能最好的電池放在一個(gè)設(shè)計(jì)很差的系統(tǒng)里面仍然會(huì)發(fā)生各種失效，比如壽命衰減、能量降低、各種各樣的安全問題等。相反，把一個(gè)很差的電池用到一個(gè)設(shè)計(jì)得很好的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中，系統(tǒng)仍然可能具有很高的安全性。在開始討論鋰離子電池之前，我們還需要討論另一個(gè)話題，那就是哪些因素影響到消費(fèi)者對(duì)鋰離子電池電動(dòng)汽車的接納程度。筆者在此總結(jié)了五種因素，以確保動(dòng)力電池行業(yè)以及能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的健康發(fā)展。這些因素包括：(1)價(jià)格。人們已經(jīng)采取了很多措施來(lái)降低鋰離子電池的價(jià)格，但是其仍高于普通大眾的價(jià)格需求。當(dāng)鋰離子電池被應(yīng)用到能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中的時(shí)候，發(fā)展更好的技術(shù)使鋰電的價(jià)格降下來(lái)是影響其市場(chǎng)接受度的最重要因素。(2)產(chǎn)能。盡管每年都會(huì)有新的電動(dòng)汽車生產(chǎn)出來(lái)供消費(fèi)者選擇，但是無(wú)論是插電式混合電動(dòng)車還是純電動(dòng)車，供消費(fèi)者購(gòu)買的每款產(chǎn)品的供應(yīng)量卻非常有限。(3)續(xù)航里程。盡管有很多種類的化學(xué)電池供電動(dòng)汽車選擇，然而消費(fèi)者仍然會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程表示擔(dān)憂。(4)宣傳。政府或企業(yè)或許做得都不夠好的一點(diǎn)就是，沒能讓消費(fèi)者知道各種電動(dòng)汽車的不同點(diǎn)、相同點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)以及不足。消費(fèi)者會(huì)誤認(rèn)為電氣化是一個(gè)比較高端的前瞻性技術(shù)、而不是大眾可觸及的產(chǎn)品。但實(shí)際上，我們傳統(tǒng)的交通工具除了動(dòng)力系統(tǒng)外已經(jīng)基本都實(shí)現(xiàn)了電氣化。(5)充電基礎(chǔ)設(shè)施。這個(gè)問題的實(shí)質(zhì)就是先有蛋還是先有雞：沒有企業(yè)愿意在沒有電動(dòng)車的前提下建立充電樁，同時(shí)消費(fèi)者也不愿意在沒有充電樁的前提下購(gòu)買電動(dòng)汽車。這五個(gè)問題都需要解決。只有這樣才可以保證電氣化技術(shù)在交通工具和充電設(shè)施中的大規(guī)模應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步，價(jià)格會(huì)逐漸下降，此時(shí)用戶量就會(huì)增加。除此以外，消費(fèi)者的觀念、充電基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)能都會(huì)影響到產(chǎn)品的價(jià)格和客戶的使用量。對(duì)于典型的汽車消費(fèi)者，我們發(fā)現(xiàn)他們更關(guān)心的是汽車技術(shù)，但是與此同時(shí)他們對(duì)該技術(shù)如何運(yùn)行卻缺乏了解。換句話說，大多數(shù)消費(fèi)者并不關(guān)心也不明白汽車?yán)锩媸鞘裁礀|西，只是關(guān)心汽車可以帶他們?nèi)ツ睦铩?duì)于最早的電池消費(fèi)者，或許他們更多考慮到的是綠色消費(fèi)、環(huán)境但是對(duì)于大眾市場(chǎng)消費(fèi)者來(lái)說，我們可以用“保健因素”來(lái)解釋。該項(xiàng)目來(lái)自于FrederickHerzberg提出的組織心理學(xué)和動(dòng)機(jī)。保健因素指和環(huán)境或條件相關(guān)的因素，這些因素處理不當(dāng)，或者說這類需要得不到基本滿足，即會(huì)導(dǎo)致消費(fèi)者不滿，甚至嚴(yán)重挫傷其積極性。反之，滿足這些需要?jiǎng)t能防止消費(fèi)者產(chǎn)生不滿情緒[S]。電池和電動(dòng)車的主流消費(fèi)者就屬于該范疇。擁有更先進(jìn)的電池不能成為廣大消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)車的原因，但是如果更好的電池有利于提升燃油效率(能源利用效率),則它在消費(fèi)者眼中將會(huì)具有競(jìng)爭(zhēng)力。為了使接受者成為使用者，該技術(shù)的推廣需要有一定的經(jīng)濟(jì)回饋或內(nèi)部盈利率，或者相對(duì)于燃油來(lái)說有更好的性能。換句話說，消費(fèi)者需要投資者補(bǔ)貼燃油消耗。消費(fèi)者并不想在該技術(shù)的早期階段冒險(xiǎn)，因?yàn)槌善肥袌?chǎng)投放時(shí)間太短、產(chǎn)品質(zhì)量和性能方面并沒有什么保證，所以應(yīng)該讓大眾市場(chǎng)消費(fèi)者知道該技術(shù)是可靠的。大眾市場(chǎng)消費(fèi)者不想放棄更好性能的車，也不想放棄更長(zhǎng)續(xù)航里程的車。這些因素對(duì)于電動(dòng)車的發(fā)展非常重要，因?yàn)榇蟊娤M(fèi)者更希望買到的電動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車具有相同的續(xù)航里程。汽車的很多方面都需要電氣化，比如電加熱、通風(fēng)、空調(diào)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、電動(dòng)油泵、電動(dòng)燃油泵以及車載設(shè)備(如GPS、廣播和導(dǎo)航系統(tǒng))等，一些高檔次車輛甚至可實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互及自動(dòng)駕駛功能，這都需要強(qiáng)大的電源提供能量。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的負(fù)載更多地轉(zhuǎn)移到了電池上，這樣就可以使電機(jī)尺寸更小。現(xiàn)在電動(dòng)汽車仍然是基于內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，對(duì)于電池的存放位置并沒有標(biāo)準(zhǔn)，所以不同汽車的電池放置位置不同，但大多數(shù)電動(dòng)汽車將電池放置在座位下面、車尾行李箱處或者傳動(dòng)軸通道處。大體上，就是把方形的電池放置在汽車已有的空間位置處。將來(lái)的汽車設(shè)計(jì)將會(huì)有電池位置的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，電池將作為汽車結(jié)構(gòu)的一部分來(lái)進(jìn)行整車設(shè)計(jì)。鋰電在汽車中以及在能源儲(chǔ)存中的應(yīng)用面臨很多挑戰(zhàn)，其中最難的一點(diǎn)是尋找統(tǒng)一的方法及標(biāo)準(zhǔn)。本書希望回答這些問題，并將其聯(lián)系起來(lái)。比如，動(dòng)力電池與儲(chǔ)能電池的區(qū)別是什么;不同體系的鋰離子電池之間有哪些不同點(diǎn)；電池組冷卻或散熱應(yīng)該選擇液體系統(tǒng)還是空氣系統(tǒng)；什么是BMS等。你讀完這本書就會(huì)成為一名工程師嗎?答案顯然是否定的。但是它會(huì)幫助你尋求正確的答案，或者對(duì)這些話題有更深刻的認(rèn)識(shí)。為了讓本書的內(nèi)容通俗易懂，在講述過程中會(huì)嘗試把相關(guān)術(shù)語(yǔ)與其他事物進(jìn)行類比。比如，對(duì)千瓦時(shí)(kWh)以汽車油箱的容積大小做類比，因此當(dāng)談到電池能量使用這個(gè)單位的時(shí)候，可以類比電池“箱”所帶的能量。鑒于鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，本書將著重描述電動(dòng)汽車領(lǐng)域的概念及理論。在第15章“鋰離子電池的應(yīng)用”中，將對(duì)鋰離子電池的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單論述，包括電動(dòng)自行車、電動(dòng)升降機(jī)、電動(dòng)公交車、電能儲(chǔ)存等。在汽車中，鋰離子電池不同于其他子系統(tǒng)，它需要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)滿足工程設(shè)計(jì)方面的需求。電池組裝工程起始于電芯內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也包括電芯和模組的電性能，以及能量控制系統(tǒng)的電子器件與軟件、熱管理系統(tǒng)及電池組的機(jī)械構(gòu)架。換句話說，單單鋰離子電池組裝工藝就可以囊括各個(gè)專業(yè)方面的知識(shí)。有些人認(rèn)為鋰離子電池就是某一商品、部件或者零件，很容易被其他的人工制作零件所代替，但其實(shí)鋰離子電池類似于汽車的引擎或者變速器，它不容易被代替。這樣就引出了該書出版的第二個(gè)目的，即將電池部件考慮到工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中。電池應(yīng)用于大型運(yùn)輸設(shè)備中經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是無(wú)法估計(jì)并確定工程設(shè)計(jì)的時(shí)間。很多人把汽車電池和便攜式設(shè)備使用的電池相比較，便攜式設(shè)備應(yīng)用的電池需要12～18個(gè)月的時(shí)間來(lái)完成從概念到量產(chǎn)的設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品一般有兩三年的壽命。然而，當(dāng)我們把這種“設(shè)計(jì)-定型-測(cè)試”步驟應(yīng)用到汽車上時(shí)，從概念到產(chǎn)品一般需要兩三年的時(shí)間，而一個(gè)典型的汽車產(chǎn)品應(yīng)具有4年或者更長(zhǎng)的壽命，姑且不計(jì)汽車設(shè)計(jì)需要依賴于大量的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證?；ㄙM(fèi)這么長(zhǎng)時(shí)間來(lái)進(jìn)行電池設(shè)計(jì)是有原因的。首先，這個(gè)過程包括很長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試階段，例如電池的壽命循環(huán)測(cè)試一般需要一年或者更長(zhǎng)的時(shí)間；其次，還需要較長(zhǎng)的生產(chǎn)時(shí)間(一些“硬”模具可能會(huì)花費(fèi)25~30周或者更長(zhǎng)時(shí)間);此外，電池的交貨周期也很長(zhǎng)。在這個(gè)過程中還有一些“硬停機(jī)”(HardStops)情況，比如在電池設(shè)計(jì)固化之前必須等待測(cè)試完成。除此之外，一般來(lái)說一個(gè)產(chǎn)品定型之前要經(jīng)歷兩到三輪設(shè)計(jì)(一般與汽車原型設(shè)計(jì)相匹配),因此電池組設(shè)計(jì)通常需要24～36個(gè)月的時(shí)間來(lái)完成。當(dāng)然，這并不意味著沒有辦法縮短這些設(shè)計(jì)時(shí)間。這依賴于設(shè)計(jì)是否面向產(chǎn)品、最終產(chǎn)品應(yīng)用到哪里、各項(xiàng)性能的生命周期、是否存在相似產(chǎn)品、公司承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的能力等。此外，在一般典型的設(shè)計(jì)中，所有項(xiàng)目完成都需要一系列步驟，換句話說，是一步完成之后進(jìn)行下一步。但如果實(shí)現(xiàn)某些步驟同時(shí)進(jìn)行，則可以減少整體的設(shè)計(jì)時(shí)間。第2章簡(jiǎn)單介紹汽車電氣化、現(xiàn)代電池以及電力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的來(lái)龍去脈，以此來(lái)探究未來(lái)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本章為讀者簡(jiǎn)單介紹了該產(chǎn)業(yè)在過去所面臨的問題，以此來(lái)更好地理解當(dāng)代產(chǎn)業(yè)在歷史長(zhǎng)河中的發(fā)展進(jìn)程。第3章簡(jiǎn)單介紹鋰離子電池以及汽車電氣化方面的術(shù)語(yǔ)和基本概念(因?yàn)槿藗儎倓傔M(jìn)入一個(gè)產(chǎn)業(yè)的時(shí)候，往往對(duì)該產(chǎn)業(yè)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)比較困惑)。為了更好地理解該行業(yè)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，本章還會(huì)對(duì)汽車電氣的基本組成部分以及關(guān)鍵部件進(jìn)行描述。第4章對(duì)電池選取以及型號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。這里將會(huì)引入一些簡(jiǎn)單的方程式來(lái)對(duì)其容量、電壓以及能量進(jìn)行計(jì)算。本章還會(huì)描述如何基于歐姆定律來(lái)對(duì)電池組(Pack)進(jìn)行設(shè)計(jì)。第5章和第6章將會(huì)介紹工程設(shè)計(jì)步驟。第5章將會(huì)涉及電池的可靠性設(shè)計(jì)和可維護(hù)性設(shè)計(jì)。畢竟動(dòng)力鋰離子電池是新投放市場(chǎng)的，所以很有必要對(duì)其在這方面給予更多關(guān)注。大多數(shù)情況下，廠家生產(chǎn)的鋰離子電池的使用壽命往往比生產(chǎn)企業(yè)保證的時(shí)間短。由于電芯的產(chǎn)品質(zhì)保時(shí)間比電動(dòng)車上其他零件的質(zhì)保時(shí)間長(zhǎng)，因此應(yīng)該考慮鋰電在工程設(shè)計(jì)上是否最終可以滿足交通工具的要求。因此，加深對(duì)鋰電安全性及可靠性影響因素的理解很重要。第6章在第5章的基礎(chǔ)上討論了計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和分析軟件，這些軟件也確實(shí)非常有用。目前專門針對(duì)鋰電的設(shè)計(jì)軟件不是很多，但仍有一些軟件可以分析電池的熱性能和機(jī)械性能。第7章介紹了市場(chǎng)中不同的電池技術(shù)，包括鉛酸電池、鎳氫電池、鈉電池以及鋰離子電池的化學(xué)性能，討論了它們之間的區(qū)別，并重點(diǎn)討論了鋰離子電池。本章將對(duì)這些電池在交通工具電氣化方面的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。本章還對(duì)鋰離子電池的選取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論。第8章對(duì)電池相關(guān)的電子器件進(jìn)行了描述。介紹了什么是電池管理系統(tǒng)(BMS),它是用來(lái)做什么的，以及一個(gè)電池系統(tǒng)可不可以沒有BMS;BMS主要的部件包括什么,它是如何和電池系統(tǒng)以及車輛系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的；有哪些類型的BMS,哪一種是最合適的。這些問題都在第8章中進(jìn)行討論。第9章討論電池組中所需要的用來(lái)保證電池組安全性的其他電子器件。介紹內(nèi)容包括什么是電流接觸器(開關(guān))、什么是預(yù)充電開關(guān)、什么是斷電開關(guān)、為什么需要它等，本章也會(huì)對(duì)高壓和低壓電子系統(tǒng)做一些簡(jiǎn)要論述。第10章討論電池組工藝中的熱控制系統(tǒng)。主要講述如何選擇合適的電池體系，如何設(shè)計(jì)它以適應(yīng)不同的使用環(huán)境以及應(yīng)用領(lǐng)域，什么類型的熱管理系統(tǒng)最有效，何時(shí)基于液體的管理系統(tǒng)比基于空氣的管理系統(tǒng)好。第11章圍繞電池組工藝、材料選取、機(jī)械性能以及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行討論，包括結(jié)構(gòu)的整體性以及如何實(shí)現(xiàn)。第12章論述鋰離子電池的耐用性，包括一般的使用條件以及溫度承受范圍。本章還包括濫用測(cè)試、表征測(cè)試以及認(rèn)證測(cè)試。確切地講，我們將討論UN(UnitedNations,聯(lián)合國(guó))和UL(Underwriter'sLaboratory,保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室)關(guān)于鋰離子電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的使用說明。第13章討論一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織(包括SAE、IEEE、IEC、UN等)制定的標(biāo)準(zhǔn)如何影響現(xiàn)代電池的設(shè)計(jì)。該章介紹自發(fā)性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也會(huì)涉及相關(guān)的研發(fā)以及商業(yè)組織。第14章會(huì)涉及鋰離子電池的二次壽命、再制造、修理以及循環(huán)利用的概念。鋰電產(chǎn)業(yè)想要在市場(chǎng)上占有一席之地就需要滿足這些需求。現(xiàn)在鉛酸電池在美國(guó)和歐洲市場(chǎng)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)很高的循環(huán)利用效率(98%)。該章的內(nèi)容包含什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池可以達(dá)到這么高的循環(huán)利用水平，什么樣的二次電池值得進(jìn)行相關(guān)研究，鋰離子電池是否可以通過降低價(jià)格來(lái)滿足市場(chǎng)需求等。第15章討論鋰離子電池的應(yīng)用范圍，包括電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、固定儲(chǔ)能系統(tǒng)、航海以及工業(yè)方面的應(yīng)用，因此鋰離子電池具有不可估量的應(yīng)用前景。任何高燃料消耗或者高排放的應(yīng)用場(chǎng)所都可以通過部分或者全部電氣化獲益。最后，第16章總結(jié)了未來(lái)鋰離子電池在交通以及能源儲(chǔ)存市場(chǎng)上的關(guān)鍵點(diǎn)和重要性，例如什么樣的技術(shù)和化學(xué)可以改變將來(lái)的市場(chǎng)，以及未來(lái)電氣化的發(fā)展方向等。本書的參考文獻(xiàn)請(qǐng)掃封底二維碼獲取。第2章汽車電氣化史電力給我們的現(xiàn)代生活帶來(lái)了很多便利，卻經(jīng)常被人們忽略。有意思的是，盡管電、電能儲(chǔ)存和電動(dòng)車已經(jīng)不是新的概念，人們卻一直認(rèn)為電是理所當(dāng)然的事情，直到斷電才會(huì)意識(shí)到原來(lái)電力已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。本章將講述電力市場(chǎng)、基于電池的能源儲(chǔ)存技術(shù)、電動(dòng)車等有關(guān)歷史。沿著時(shí)間軸，我們首先從已被人們所熟知的最早的電池講起，接著講述從19世紀(jì)末的近代工業(yè)革命直至今天的電力發(fā)展，以及該過程中汽車電氣化被廣泛應(yīng)用的歷程。也許你會(huì)問為什么我們要關(guān)心電池和電動(dòng)車的歷史呢?就像我們之前多次聲明的那樣，“不了解歷史的人就會(huì)再次重復(fù)歷史”[6。隨著技術(shù)的創(chuàng)新，儲(chǔ)能電池在汽車電氣化方面的應(yīng)用在過去的150年中取得了很多發(fā)展和改進(jìn)，因此了解該技術(shù)是如何發(fā)展的非常重要。歷史不僅可以讓我們了解該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也為我們今天實(shí)現(xiàn)真正成功提供很多關(guān)鍵依據(jù)。一個(gè)新技術(shù)被大眾所采納通常需要一個(gè)過程。實(shí)際上一個(gè)新技術(shù)被消費(fèi)者接受在很大程度上依賴于非技術(shù)的其他因素。圖2.1刊登在紐約時(shí)報(bào)上[7,其將新技術(shù)發(fā)明出現(xiàn)的時(shí)間與美國(guó)家庭使用率進(jìn)行了比較。從這里我們可以看出，一項(xiàng)新的技術(shù)，即使它的引入可以推動(dòng)我們的生活發(fā)生積極的改變(比如電話或電力),也仍然需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程來(lái)被廣大消費(fèi)者所采納。相對(duì)于100年前，我們可以看到人們接受新技術(shù)的速度在逐漸增長(zhǎng)。例如，電話在美國(guó)民眾中的普及率達(dá)到90%經(jīng)歷了大概100年的時(shí)間；10鋰離子電池組設(shè)計(jì)手冊(cè)電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)而近代的技術(shù)發(fā)明，比如手機(jī)，只用了大約20年的時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了高普彩色電理空調(diào)手機(jī)-電爐0洗衣機(jī)、電干衣機(jī)錄像機(jī)互聯(lián)網(wǎng)都沒有辦法為該車供電。盡管電動(dòng)汽車技術(shù)體現(xiàn)了汽車技術(shù)很大的進(jìn)普及，使得內(nèi)燃機(jī)機(jī)動(dòng)車的消費(fèi)水平能夠被大多數(shù)民眾接受。車以另一種方式慢慢消亡?電動(dòng)車市場(chǎng)是否又會(huì)因?yàn)槿狈Τ潆娫O(shè)施而被停滯?是否行駛里程以及充電時(shí)間仍然會(huì)使人們遠(yuǎn)離電動(dòng)車?在回第2章汽車電氣化史11術(shù)相匹配。先進(jìn)的能源儲(chǔ)存技術(shù)既可以提供高的能量密度又可以再次補(bǔ)充能量——這樣就引入了電池的概念。本章將會(huì)嘗試講述電池技術(shù)是如何發(fā)展的，這樣讀者就可以明白我們需要從什么地方入手對(duì)電池進(jìn)行改進(jìn)，以獲得市場(chǎng)或者大眾消費(fèi)者的認(rèn)可。2.1現(xiàn)代蓄電池的歷史我們都認(rèn)為電池是近現(xiàn)代的發(fā)明，其實(shí)有證據(jù)表明至少兩千年前人們就開始使用電池了。在20世紀(jì)30年代，一名德國(guó)考古學(xué)家研究了在巴格達(dá)建筑工地發(fā)掘的文物，該研究重新書寫了電池的歷史。在那次發(fā)掘過程中，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)看起來(lái)像瓦罐的東西，里面有一個(gè)柱狀銅塊包覆著鐵棒，同時(shí)瓦罐的內(nèi)表面顯示出了被腐蝕的痕跡，推測(cè)是因?yàn)樵谕吖蘩锩媸⒂懈g性液體，比如醋或酒。剛開始這個(gè)發(fā)現(xiàn)令人費(fèi)解，但是經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)電池，并且具有1～2V的電壓。這個(gè)電池就是后來(lái)著名的巴格達(dá)電池或者稱為帕提亞電池(見圖2.2)。根據(jù)陶罐的時(shí)代推測(cè)，該電池被發(fā)明于兩千年之前。然而，這個(gè)電池的使用目的卻永遠(yuǎn)保留了一層神秘的面紗。鑒于在當(dāng)時(shí)埃及人已經(jīng)可以電鍍珠寶，或許這個(gè)電池的用途與此相關(guān)。圖2.2巴格達(dá)(帕提亞)電池12鋰離子電池組設(shè)計(jì)手冊(cè)電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)慢慢地，帕提亞電池沉寂在了歷史的長(zhǎng)河中，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)電池的發(fā)展極其緩慢，直到18世紀(jì)中葉，荷蘭萊頓大學(xué)物理學(xué)教授馬森布羅克與德國(guó)卡明大教堂副主教馮·克萊斯特分別于1745年和1746年獨(dú)立研制出“萊頓瓶”。該發(fā)明被后人認(rèn)為是非常重要的發(fā)明。最初這個(gè)研究的目的是嘗試捕獲“流動(dòng)”的電(當(dāng)時(shí)電被認(rèn)為是流動(dòng)的)。萊頓瓶是一個(gè)儲(chǔ)存靜電的裝置，以玻璃瓶為容器，內(nèi)部是金屬箔，在玻璃瓶的外面包有另一種金屬箔，一根金屬棒從瓶子的端口插入，與內(nèi)部的金屬箔連接(見圖2.3)。這個(gè)瓶?jī)?nèi)裝有部分水充當(dāng)導(dǎo)體，當(dāng)靜電發(fā)生器接觸電極時(shí)，靜電就會(huì)被儲(chǔ)存在萊頓瓶中，這也是世界上的第一個(gè)電容器[8。線與此同時(shí)，18世紀(jì)中葉，本杰明·富蘭克林對(duì)電的研究非常癡迷，他對(duì)這個(gè)裝置進(jìn)行了研究，據(jù)說，富蘭克林當(dāng)時(shí)將一組萊頓瓶放置在軍用炮臺(tái)上做了一系列比較，創(chuàng)造了電池“Battery”這個(gè)詞9。18世紀(jì)末，電池研究方面有了另一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)者是意大利人亞歷桑德羅·伏特(AlessandroVolta)。然而，直到1800年伏特將他的第2章汽車電氣化史13發(fā)明公布，并稱之為“伏打電池”,人們才知道了他的發(fā)明(見圖2.4)。伏特的電池被認(rèn)為是第一個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。伏打電池具有兩個(gè)金屬電極，一個(gè)是鋅，另一個(gè)是銅，兩個(gè)電極中間被一個(gè)浸泡了硫酸或鹽水的布隔開。當(dāng)?shù)撞亢晚敳勘灰桓€接觸導(dǎo)通時(shí)，電流就會(huì)流過并產(chǎn)生電壓，該電流及電壓的大小依賴于電池中金屬電極對(duì)的數(shù)量[10J。銀銀鋅現(xiàn)代電池的發(fā)展中，另一個(gè)重要的發(fā)明是1859年法國(guó)物理學(xué)家加斯頓·普蘭特(GastonPlante)發(fā)明的第一個(gè)可多次充電的鉛酸電池。很快，基于普蘭特發(fā)明的鉛酸電池，法國(guó)人卡米爾·福爾(CamilleFaure)在1881年對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)并提高了鉛酸電池的電容量。這兩名發(fā)明家的研究工作對(duì)現(xiàn)代鉛酸電池的發(fā)展具有重要意義。目前，鉛酸電池被廣泛應(yīng)用在汽車領(lǐng)域中，并且對(duì)早期電動(dòng)工具以及儲(chǔ)能裝置的發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用8,10]。在20世紀(jì)初期，托馬斯·愛迪生(ThomasEdison)發(fā)明了一種鎳基電池，試圖與鉛酸電池競(jìng)爭(zhēng)，以應(yīng)用在電動(dòng)汽車中。但是，直到20世紀(jì)70年代和90年代很多電池體系都發(fā)生了快速發(fā)展和創(chuàng)新的時(shí)候，鎳基電池在電氣化應(yīng)用方面才實(shí)現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。接下來(lái)，我們?cè)谶@個(gè)問題上稍作停留，對(duì)該階段的工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行介紹。很好地體現(xiàn)了科技的發(fā)展速度以及科技對(duì)世界的改變。從1876年費(fèi)城世博會(huì)到1892年芝加哥世博會(huì)的16年間，從起初代表電氣技術(shù)的電動(dòng)在1878年巴黎世博會(huì)上，出現(xiàn)了第一輛電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車。這次世博會(huì)也展出了其他重要的電氣發(fā)明，比如亞歷山大·格雷厄僅僅四年，即1892年芝加哥世博會(huì)上，電力與電氣技術(shù)有了很大范圍的擴(kuò)展。當(dāng)時(shí)，國(guó)際展覽廳由西屋電氣公司提供電力。該展覽廳展示了很多新的電氣技術(shù)，包括發(fā)電技術(shù)和電力傳輸技術(shù)，例如電力開關(guān)柜、多相發(fā)電機(jī)、升壓器、電力傳輸電線、降壓器、大規(guī)模感應(yīng)同步電機(jī)、旋轉(zhuǎn)式直流電機(jī)等。西屋公司甚至展示了尼古拉·特斯拉的設(shè)備產(chǎn)品，包括兩相感應(yīng)電機(jī)、用于電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)等。盡管所有的這些產(chǎn)品在現(xiàn)在看來(lái)都是非常普通的東西，但在當(dāng)時(shí)這是電氣技術(shù)第次應(yīng)用到商業(yè)當(dāng)中。比較有趣的是，通用電氣(競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是特斯拉和西屋電氣公司)的直流電技術(shù)在國(guó)際展覽競(jìng)標(biāo)時(shí)，因?yàn)閮r(jià)格過高而敗于在19世紀(jì)末期到20世紀(jì)初期，商用汽車一般有三種能源動(dòng)力：機(jī)；③通過電池提供化學(xué)能能源的電動(dòng)機(jī)。實(shí)際上在1912年電動(dòng)汽車第2章汽車電氣化史15也有了很大發(fā)展，不僅在個(gè)人交通工具上(例如電動(dòng)自行車和家用電動(dòng)汽車),而且在公共交通領(lǐng)域都有所體現(xiàn)。然而，到20世紀(jì)20年代初期，所有這些令人興奮的電動(dòng)交通運(yùn)輸工具幾乎都不存在了，只有很少的領(lǐng)域還有應(yīng)用，比如商業(yè)運(yùn)輸和運(yùn)貨卡車。電動(dòng)交通工具的發(fā)展一路坎坷，到20世紀(jì)三四十年代，僅有的幾種電動(dòng)交通工具也一起消失了[15]。隨著時(shí)間從20世紀(jì)推進(jìn)到21世紀(jì)，電動(dòng)汽車似乎逐步成為個(gè)人和AssociationofAmerica,EVAA)召集了大部分該行車，最高時(shí)速可以達(dá)到14mile/h(14英里/小時(shí))?(1英里=1609.344米)。這標(biāo)志著美國(guó)誕生了可推向市場(chǎng)的電動(dòng)汽車。該汽車在1892年的芝加當(dāng)時(shí)馬拉車是主要的交通工具，人們將動(dòng)物和四輪車放于某一區(qū)這種商業(yè)模式不僅是因?yàn)轳R車歷史的原因，更是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的電網(wǎng)還沒有普及到千家萬(wàn)戶，需要建立電力中心對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電。在這個(gè)早期階段，美國(guó)出現(xiàn)了很多電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)，包括安東尼汽車公司(ColumbiaAutomobileCompany)、底特律電動(dòng)汽車公司(Detr瑞克電動(dòng)車公司(RikerElectricVehicleCompany)等15,16。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說，電動(dòng)汽車具有很多優(yōu)點(diǎn)。與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動(dòng)汽車安靜、沒有有害震動(dòng)、無(wú)異味，并且電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜的手動(dòng)擋。電動(dòng)車不需要像內(nèi)燃機(jī)一樣手動(dòng)啟動(dòng)，這對(duì)于女性司機(jī)來(lái)說也是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。在19世紀(jì)和20世紀(jì)，人們的近程出行已經(jīng)相對(duì)活躍，因此電動(dòng)汽車具有較好的市場(chǎng)需求。在20世紀(jì)初，美國(guó)城市中的大部分家庭都拉上了電線。所有的這些因素使得電動(dòng)汽車開始被市場(chǎng)接受。然而，當(dāng)時(shí)的電動(dòng)汽車也有一些缺點(diǎn)。比如當(dāng)時(shí)的電力技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善，早期的直流電機(jī)導(dǎo)致汽車的運(yùn)行速度只能達(dá)到20mile/h。而基礎(chǔ)設(shè)施方面，雖然電網(wǎng)已經(jīng)普及至每家每戶，但是并沒有提供足夠的空間為私人或者公眾提供電力服務(wù)。并且，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，很多電動(dòng)汽車的行駛里程只能達(dá)到50～100mile(與現(xiàn)代汽車技術(shù)比相差較遠(yuǎn))。而與此同時(shí)，當(dāng)時(shí)的汽油因?yàn)閮r(jià)格大幅下降而非常普及，這使得行駛里程成為影響汽車市場(chǎng)接受度的重要因素。同一時(shí)代，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)取得了較大發(fā)展。1908年亨利·福特引進(jìn)廉價(jià)的T型車技術(shù)，1911年查爾斯·凱特靈(CharlesKettering)發(fā)明了自動(dòng)啟動(dòng)器，這兩個(gè)事件對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。隨著美國(guó)高速公路系統(tǒng)的發(fā)展，各個(gè)城市被連接成四通八達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，人們對(duì)于汽車行駛里程的需求不斷提高，早年的電動(dòng)汽車最終被淘汰了。除此之外，還有很多原因直接或間接導(dǎo)致了電動(dòng)汽車被廢棄停用。盡管在20世紀(jì)四五十年代期間人們?cè)O(shè)計(jì)出了很多電動(dòng)汽車模型，然而在美國(guó)卻沒有再出現(xiàn)商業(yè)化的電動(dòng)汽車產(chǎn)品。第2章汽車電氣化史1720世紀(jì)70年代，石油貿(mào)易受到限制，很多公司開始尋求更高效率燒效率的內(nèi)燃機(jī)，比如電力供能、渦輪內(nèi)燃機(jī)等。20世紀(jì)80年代，這直到20世紀(jì)90年代，制造商才向市場(chǎng)投放了混合電動(dòng)汽車和純電2000年，美國(guó)加利福尼亞州通過了零排放車輛(ZeroEmissions在1990年通過立法來(lái)實(shí)現(xiàn)低排放汽車政策之后的又一重大改革，試圖或許，第一款真正意義上的電動(dòng)汽車產(chǎn)品是通用汽車公司(General的能量。在1996至1999年之間，共生產(chǎn)了1117輛這樣的電動(dòng)汽車，該面。同時(shí)，隨著第二代模型的發(fā)展，GM又研發(fā)了一個(gè)“皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)”(Belt-Alternator-Starter,BAS)型輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。第一款GM的BAS配置鎳金屬氫電池，可提供36V電壓，由Cobasys公司研發(fā)生產(chǎn)17]。然而，第二代(現(xiàn)在稱為e-Assist)混合動(dòng)力系統(tǒng)的電壓提高為115V,電池變成0.5kWh的空冷鋰離子電池模組，該電池由日立車輛能源公司設(shè)計(jì)[18。所有這些都是GM在Voltec技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的。接著出現(xiàn)了雪佛蘭沃爾特(ChevroletVolt)。該汽車是串聯(lián)式混合電動(dòng)汽車，將內(nèi)燃機(jī)(ICE)與LG化學(xué)提供的355V鋰離子電池組串聯(lián)，由通用汽車設(shè)計(jì)，完成了電池和兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的組裝。在同一時(shí)期，日本豐田汽車公司開始對(duì)汽車的混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。與GM的EV1相似，豐田混合電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)也采用由下而上的設(shè)計(jì)思路。目前，豐田普銳斯(Prius)的混合動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)成為市場(chǎng)上混合電動(dòng)汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。該混合動(dòng)力系統(tǒng)采用空氣熱管理系統(tǒng)，使用能量為1.7kWh的288V的鎳氫電池。人們對(duì)普銳斯認(rèn)可的部分原因是其獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)。普銳斯成為象征環(huán)境聲明的一款交通工具，并很快成為節(jié)能混合動(dòng)力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。在普銳斯成功投放市場(chǎng)的十幾年里，豐田公司將其混合動(dòng)力系統(tǒng)(ToyotaHybridSystem,THS)應(yīng)用到雷克薩斯品牌，并使普銳斯系列又增加了普銳斯C(一款小型汽車)、普銳斯V(一款斜背式或大兩廂式汽車)以及插電式混合電動(dòng)汽車(續(xù)航里程達(dá)到10mile)。除此之外，豐田還研發(fā)了一款全電動(dòng)的RAV4SUV,該車在1997至2003年期間提供出租，然后并入到特斯拉旗下發(fā)展，成為第二代RAV4。第二代RAV4電動(dòng)汽車采用基于特斯拉Model-S的電池組工藝，其鋰離子電池組可提供52kWh的能量、386V電壓。接著，日本本田汽車推出了本田洞察者(HondaInsight),這是一款基于整體式電動(dòng)機(jī)輔助混合系統(tǒng)(IntergratedMotorAssist,IMA)技術(shù)的混合電動(dòng)車。其實(shí)這款汽車在混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)上要比豐田的普銳斯先進(jìn)，并且是在美國(guó)市場(chǎng)銷售的第一款混合電動(dòng)汽車。與其他制造商一樣，本田洞察者也采用自下而上的設(shè)計(jì)，主要著眼于輕量化和空氣動(dòng)力學(xué)，然而它有一個(gè)致命的缺點(diǎn)——雙座設(shè)計(jì)。盡管仍然有很多人熱愛該款汽第2章汽車電氣化史19車，但雙座的整體設(shè)計(jì)限制了它在市場(chǎng)中的銷售，最終其從1999年開始推向市場(chǎng)到2006年停止生產(chǎn)的7年間，在全球僅銷售了18000輛。本田洞察者值得關(guān)注的最后一點(diǎn)是，直到2014年筆者開始本書寫作的時(shí)候，該車仍然是經(jīng)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EnvironmentalProtectionAgency,EPA)測(cè)試的以汽油為燃料的最節(jié)能的混合電動(dòng)汽車。之后本田汽車將其混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用到了其最暢銷的本田思域(Civic)轎車中。本田思域是全球第二暢銷的混合電動(dòng)汽車，僅次于普銳斯。本田思域采用的是144V、0.8kWh的鎳氫電池組，僅為普銳斯電池組大小的一半。本田汽車在2010年開始將鋰離子電池組用于CRZ混合系統(tǒng)，在2013年開發(fā)的全電動(dòng)汽車采用了20kWh能量的鋰離子電池組。隨后，日本和韓國(guó)的汽車制造商爭(zhēng)先恐后地推出混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車。三菱公司推出了全電動(dòng)的i-Miev;馬自達(dá)推出了混合電動(dòng)汽車Tribute、Mazda3、Mazda6;現(xiàn)代推出了Sonata、Tuscon、Elantra;起亞推出了混合動(dòng)力的Optima;斯巴魯推出了XVCrosstrek;斯特拉推出了插電式混合電動(dòng)汽車。在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，日產(chǎn)公司先是對(duì)混合電動(dòng)車和純電動(dòng)車采取了觀望的態(tài)度，繼而決定生產(chǎn)純電動(dòng)車，創(chuàng)建了一個(gè)很大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并將“研發(fā)消費(fèi)者買得起的電動(dòng)汽車”作為其不懈追求的目標(biāo)。至2014年，日產(chǎn)推出的日產(chǎn)聆風(fēng)(NissanLeaf)是目前世界銷量最好的電動(dòng)汽車?；谌债a(chǎn)聆風(fēng)的經(jīng)驗(yàn)，日產(chǎn)雷諾研發(fā)了Fluence、Kangoo和Twizzy等全電動(dòng)汽車，并在設(shè)計(jì)上擬采用換電模式。日產(chǎn)把精力都放在了全電動(dòng)汽車上，這也就意味著其對(duì)混合電動(dòng)汽車的研發(fā)稍顯延遲，因此直到2007年才推出了尼桑奧提馬(NissanAltima)汽車。但這一舉措意味著日產(chǎn)不再對(duì)純電動(dòng)汽車孤注一擲。在美國(guó)，福特(Ford)和克萊斯勒(Chrysler)進(jìn)入混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車市場(chǎng)的時(shí)間相對(duì)比較晚。戴勒姆-克萊斯勒合資并聯(lián)合開發(fā)了雙?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，為美國(guó)能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署開發(fā)了插電式混合電動(dòng)汽車——公羊皮卡。雖然克萊斯勒后續(xù)研發(fā)的混合電動(dòng)汽車表現(xiàn)有些不足，但將來(lái)的發(fā)展還是值得期待的。而Fusion。這樣福特就可以研發(fā)自己的系統(tǒng)，并且FordFusion混合電動(dòng)汽車在美國(guó)也有很好的銷量。接著福特又開發(fā)了PHEV模型車——C-Max,同時(shí)還利用它們一系列的車型，如Tier1、Magna和E-Car,來(lái)研發(fā)純電動(dòng)汽車。福特的電動(dòng)汽車一般采購(gòu)LG化學(xué)的23kWh鋰離子電池，然后自行完成模組及系統(tǒng)組裝。在歐洲，為了降低二氧化碳的排放以符合Euro5和Euro6排放標(biāo)準(zhǔn)，歐洲汽車制造商引入了新的混合電動(dòng)汽車以及純電動(dòng)汽車的解決方案。寶馬、戴姆勒、奧迪、菲亞特、標(biāo)致以及大眾等汽車廠商都開發(fā)出了混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車產(chǎn)品，比如SmartFortwo、Fiat500e以及Think等。寶馬現(xiàn)在可以提供的汽車種類較多，包括混合電動(dòng)車、插電式混合電動(dòng)車，比如e-Tron、i-8和ActiveHybrid,其產(chǎn)品設(shè)計(jì)基于高效動(dòng)力(EfficientDynamics)的準(zhǔn)則，兼具奢華和節(jié)能。大眾出產(chǎn)的電動(dòng)車產(chǎn)品為e-Golf,奧迪推出的電動(dòng)車產(chǎn)品為A3和GolfGTE。在中國(guó)，汽車制造商對(duì)電動(dòng)汽車的關(guān)注開始于21世紀(jì)初期。隨著私家車數(shù)量增長(zhǎng)迅速，城市空氣污染日益嚴(yán)重，該問題在大城市尤為突出。這迫使政府不得不激勵(lì)減排、監(jiān)管汽車尾氣的排放。比亞迪公司在創(chuàng)立之初只是為小型電子消費(fèi)品提供鋰離子電池，后來(lái)逐漸發(fā)展壯大，目前它可以為各種類型的混合電動(dòng)汽車和純電動(dòng)汽車提供電池，同時(shí)也是著名的電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)。中國(guó)主要的電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)還有北京汽車工業(yè)公司、吉利、上海汽車工業(yè)(集團(tuán))總公司(SAIC,與通用汽車合資)、長(zhǎng)安、奇瑞、東風(fēng)、一汽、華晨汽車、北汽福田、力帆、長(zhǎng)城等。21世紀(jì)初曾誕生了大量從事電動(dòng)汽車及其關(guān)鍵部件生產(chǎn)制造與服務(wù)的小型企業(yè)。它們中的一些，比如特斯拉，經(jīng)過早期的挑戰(zhàn)后如今非常成功。但是大多數(shù)企業(yè)，如Fisker、AzureDynamics和等，盡管在電動(dòng)汽車上的研發(fā)投入很大卻沒有形成成功的產(chǎn)品，都最終走向了破產(chǎn)。綜上所述，盡管并沒有把所有的混合電動(dòng)車、插電式混合電動(dòng)車、純第2章汽車電氣化史21電動(dòng)車的生產(chǎn)制造企業(yè)全部列舉出來(lái)，我們?nèi)钥梢詫?duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展歷史有一個(gè)大致的了解。并且，也可以從中了解到過去的一個(gè)世紀(jì)中汽車市場(chǎng)是什么樣的，電動(dòng)汽車的出現(xiàn)會(huì)對(duì)現(xiàn)在的市場(chǎng)產(chǎn)生哪些影響。今天，各種類型的電動(dòng)汽車在美國(guó)已經(jīng)隨處可見，并逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)，至少混合電動(dòng)車已經(jīng)能夠被大眾市場(chǎng)所接受，而非停留在早期的實(shí)驗(yàn)研究階段了。今天，純電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車都具備了很明顯的市場(chǎng)活力。2020年以后，最期望看到的是絕大多數(shù)汽車都裝配有微混動(dòng)力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)捷的啟停服務(wù)。純電動(dòng)汽車是否能夠成為主流?這個(gè)問題很難回答。然而，筆者認(rèn)為隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越多的人會(huì)傾向于選擇純電動(dòng)汽車。與此同時(shí)，筆者相信插電式混合電動(dòng)汽車因?yàn)榫哂泻芎玫倪\(yùn)輸能力而將最為流行，因?yàn)樗鼈儼褍?nèi)燃機(jī)和電池的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，能夠最大程度地實(shí)現(xiàn)性能與效率。插電式混合電動(dòng)汽車消除了人們對(duì)遠(yuǎn)程旅行的顧慮，它的續(xù)航里程可以與內(nèi)燃機(jī)機(jī)動(dòng)車相當(dāng)，電力驅(qū)動(dòng)車程為10~40mile。這將是可以讓大眾消費(fèi)者放心的新的汽車技術(shù)。表2.1劃分了不同類別的電動(dòng)汽車，包括純電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車，并對(duì)它們進(jìn)行了比較。Hybrid)Vehicle)輕微的再生制動(dòng)，電力助力動(dòng)機(jī)循環(huán)限的純電力驅(qū)動(dòng)，允許使用更小的電電量耗盡后再以混式行駛，延動(dòng)，初始上降低了氣體排放短程旅行可以實(shí)現(xiàn)零燃料全電力石油燃料，無(wú)排放只可以插電式充電，100%的純電力加油(續(xù)表)電池功率型功率型功率型能量型能量型電池電池電池電池電池電池組250~不適用電驅(qū)動(dòng)無(wú)無(wú)在下一章，為了更好地理解“行內(nèi)用語(yǔ)”,我們將會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車和先進(jìn)電池中所涉及的專業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行總結(jié)。與其他行業(yè)一樣，電池行業(yè)通用一些獨(dú)特的專有名詞，如果你對(duì)它們不熟悉就會(huì)感到困惑。基于這個(gè)原因，閱讀第3章將有助于了解這本書的其余部分。第3章基本術(shù)語(yǔ)由于很多術(shù)語(yǔ)在使用時(shí)采用縮略詞，而很多縮略詞有不同的定義和含義，令初學(xué)者感到困惑的常常不是計(jì)算電池系統(tǒng)的大小、尺寸或者設(shè)計(jì)電池的類型，而是明白其相關(guān)術(shù)語(yǔ)。美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(SocietyofAutomotiveEngineers,SAE)J1715中有很多詳細(xì)的說明19,是理解這些專有名詞的好資源。本章列舉的術(shù)語(yǔ)主要針對(duì)汽車領(lǐng)域，其他應(yīng)用領(lǐng)域，例如便攜式電源、電網(wǎng)、儲(chǔ)能等，或許會(huì)使用其他專業(yè)術(shù)語(yǔ)。我們從簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)開始。EVs一般是指純電動(dòng)車一種全部用電力而非內(nèi)燃機(jī)來(lái)提供動(dòng)力的汽車。其所有的電力都由電池提供，可以為汽車上的一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量，并為用電系統(tǒng)提供能量。有時(shí)候也被表述為BEVs(BatteryElectricVehicles,純電動(dòng)車),這兩個(gè)名詞可以互換使用。然而，EVs有時(shí)也指電氣化汽車(ElectrifiedVehicles),這個(gè)定義包括所有應(yīng)用電為動(dòng)力能量的車輛，包括微混合電動(dòng)插電式混合電動(dòng)車(Plug-inHybridElectricVehicles,PHEVs)、純電動(dòng)車等。在本書中，EV或EVs縮寫詞專指純電動(dòng)汽車。插電式混合電動(dòng)車(PHEVs)可以由電力和內(nèi)燃機(jī)同時(shí)提供動(dòng)力，其中純電動(dòng)的驅(qū)使行程一般為10～40mile。這種類型的混合動(dòng)力通常采用的是并聯(lián)模式，簡(jiǎn)單描述就是發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作。這種結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)一般位于發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，像三明治結(jié)構(gòu)一樣。插電式混合電動(dòng)車的好處是這種結(jié)構(gòu)可以提供與內(nèi)燃機(jī)車輛一樣的續(xù)駛里程，通常為350～500mlie(見圖3.1)。電池電池個(gè)類似地，EREVs為增程式電動(dòng)車(Extend有時(shí)也稱為REEVs(RangeExtendedElectricVehicles)或者REXs(RangeExtenders)。其電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)通常代替內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)工作，并且電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)不是同軸的。因此可以選擇使用其中一個(gè)工作或者是選擇兩個(gè)同時(shí)工作。在這種結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)機(jī)總是為車輛提供驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)電池的電量達(dá)到預(yù)定的較低狀態(tài)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)就會(huì)通過發(fā)電機(jī)為電池充電，保持電池一直維持在預(yù)設(shè)的電壓狀態(tài)下，直到電池可以在電網(wǎng)中進(jìn)行充電(見圖3.2)。有一點(diǎn)經(jīng)常被人們誤解，故這里特別說明的是：內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的目的并不是將電池電量充滿或者提高，而電池僅用于維持電池處于預(yù)定電壓以維持電機(jī)的工作。為1.5kWh,不僅可以為系統(tǒng)提供少量動(dòng)力，還可為汽車的一些附屬系中，電機(jī)主要在一定工況下提供輔助能量或者回收能量，不具備電力驅(qū)動(dòng)能力(輕混合動(dòng)力)或者只可以提供特別小的電驅(qū)動(dòng)力(重混合動(dòng)力)。例如，在加速過程中(見圖3.3),電池能量可以疊加到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)上以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)載荷、提高燃油效率，同時(shí)減少排放。在減速過程中，電池進(jìn)行能量回收，為發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)提供能量。需要注意的是，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，儲(chǔ)存在電池中的電能全部來(lái)自于發(fā)電機(jī)，混合電動(dòng)車并不能利用μ-HEV具有啟/停系統(tǒng)(Stop/Start-TypeSystem)。在這種類型的混合動(dòng)力系統(tǒng)中裝有一個(gè)容量很小的電池，一般是鉛酸電池或者很小的鋰離子電池。當(dāng)汽車停止、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)掉的時(shí)候，電池可為汽車附屬系統(tǒng)提供電力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要重新啟動(dòng)的時(shí)候，該電池可以提供啟動(dòng)能量。一般來(lái)說，這個(gè)系統(tǒng)并不能提供足夠的電池容量來(lái)回收制動(dòng)能量。然而，一些配置較大電池(大于750～1000Wh)的系統(tǒng)則具有回收制動(dòng)能量的能力。當(dāng)汽車熄火時(shí)，可以滿足汽車的各種能量需求，比如動(dòng)力轉(zhuǎn)向、機(jī)動(dòng)剎車、娛樂系統(tǒng)、暖通空調(diào)、汽車照明等。由于該系統(tǒng)價(jià)格低廉且裝置簡(jiǎn)單，因此在世界各地區(qū)均獲得了廣泛好評(píng)。鄰里電動(dòng)車或者社區(qū)電動(dòng)車(NeighborhoodElectricVehicles,NEVs)是純電動(dòng)汽車，但是最高時(shí)速只能達(dá)到30mile/h(在一些區(qū)域可以達(dá)到45mile/h),汽車的重量低于30001b(磅)(1磅=453.59克),并限制在特定街區(qū)中行駛?，F(xiàn)行的美國(guó)法律規(guī)定這種車只允許低速行駛。社區(qū)電動(dòng)車一般用于學(xué)校和社區(qū)，并可以作為下一代高爾夫球車。需要注意的是，國(guó)際上NEVs這個(gè)詞在不同的領(lǐng)域有不同的意義。在中國(guó)，NEVs是指新能源汽車(NewEnergyVehicles)政策。這個(gè)政策是基于中國(guó)的863計(jì)劃研究課題被列入了中國(guó)的第四個(gè)電動(dòng)車五年計(jì)劃，通過設(shè)立一系列激勵(lì)措施及目標(biāo)來(lái)促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，減少大氣污染。在該政策的基礎(chǔ)上還成立了很多研發(fā)團(tuán)隊(duì)，主要從事混合電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車技術(shù)的研究和開發(fā)。但在本書中除非有特殊聲明，NEVs均是指社區(qū)電動(dòng)車。還有一個(gè)經(jīng)常用到的名詞是輕型電動(dòng)車(LightElectricVehicles,LEVs),是指具有兩個(gè)輪子或三個(gè)輪子的電動(dòng)車。輕型電動(dòng)車在全球電動(dòng)車市場(chǎng)上占有最大的份額，全球每年大概有2500萬(wàn)～3000萬(wàn)輛的銷量。主要銷售于亞洲地區(qū)，其中銷量最大的是電動(dòng)自行車、電動(dòng)助力自行車以及電動(dòng)滑板。目前，西方市場(chǎng)對(duì)這些新興技術(shù)產(chǎn)品的需求正在迅速增長(zhǎng)。還有一些電動(dòng)車行業(yè)的名詞需要了解，例如加州空氣資源委員會(huì)ResourceBoard,ARB)。它是美國(guó)電動(dòng)汽車需求增加的最大原因。1990年，CARB通過了零排放的立案，規(guī)定到1998年所有車輛中必須有2%的車輛是零排放車輛(ZeroEmissionsVehicles,ZEVs),到2001年增加至5%,到2003年增加至10%[20]。雖然這項(xiàng)早期的車輛電氣化的立案沒有實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，但是它已經(jīng)成為推動(dòng)電動(dòng)車和混合電動(dòng)汽車發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。截至2009年，美國(guó)至少有21個(gè)州采納了零排放車輛的立案或者正在考慮采納。2013年，美國(guó)包括加利福尼亞州、康涅狄格州、馬里蘭州、馬薩諸塞州、紐約州、俄勒岡州、羅得島和佛蒙特州的八個(gè)州共同簽署了備忘錄(MemorandumofUnderstanding,MOU),決定在2025年通過研發(fā)、基建、教育、激勵(lì)等措施向市場(chǎng)投放330萬(wàn)輛的零排放車輛。這項(xiàng)舉措將使得零排放車輛在所有車輛中的占比提升至15%[211(見圖3.4)。圖3.4美國(guó)已經(jīng)采納和正在考慮采納零排放方案的州另一個(gè)促使汽車制造商想盡一切辦法來(lái)提高燃油效率的立案是美國(guó)在1975年設(shè)立的公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)(CorporateAverageFuelEconomy,CAFE)。實(shí)施這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的原因是20世紀(jì)70年代早期，石油輸出國(guó)組織(OrganizationofthePetroleumExportingCountries,OPEC)對(duì)美國(guó)進(jìn)口石油發(fā)布禁令，以減少美國(guó)對(duì)外國(guó)原油的依賴。剛開始法律規(guī)定汽車客運(yùn)需要達(dá)到18mpg(MilesperGallon,即每加侖行駛18英里，1加侖(美制)=3.785412升，1加侖(英制)=4.546092升),在1985年的時(shí)候規(guī)定提高為27.5mpg。里根政府時(shí)期，該規(guī)定有所放寬，降為26mpg,但在1990年又增加到27.5mpg(也就是說在21年之后，CAFE的規(guī)定重新回到了27.5mpg)。2006年，CAFE發(fā)生了重組，并在2011年重新對(duì)CAFE的測(cè)試進(jìn)行了修訂，強(qiáng)調(diào)了劃分車輛的標(biāo)準(zhǔn)是排放量而不是重量。2015年，CAFE將燃油效率指標(biāo)更新至35.5mpg。在2012年，CAFE依據(jù)燃油效率應(yīng)與科技發(fā)展同步的原則，制定了2017年以及2025年的燃油效率指標(biāo)，其中2025年應(yīng)該達(dá)到的平均燃油目標(biāo)為54.5mpg[22。在我們介紹鋰離子電池專業(yè)術(shù)語(yǔ)之前，還需要對(duì)大型固定式儲(chǔ)能市場(chǎng)有關(guān)的名詞進(jìn)行簡(jiǎn)單了解。能源儲(chǔ)存站或者能源儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)一般是指那些大的千瓦級(jí)系統(tǒng)，一般是由公共的企事業(yè)單位承擔(dān)一些任務(wù)來(lái)支撐電網(wǎng)的運(yùn)行。這些任務(wù)包括提供間歇性的可再生能源儲(chǔ)存(比如太陽(yáng)能和風(fēng)能)、提供快速的需求響應(yīng)、負(fù)載均衡、電能質(zhì)量管理以及確保電力服務(wù)的可靠性。術(shù)語(yǔ)社區(qū)儲(chǔ)能(CommunityEnergyStorage,CES)是指一個(gè)相對(duì)小的能量?jī)?chǔ)存站，通常可以儲(chǔ)存的電量為25～100kWh。這種儲(chǔ)能裝置需要公共事業(yè)單位將其安裝在特定社區(qū)，以滿足周邊區(qū)域或電網(wǎng)未來(lái)不斷增加的電力需求。這樣就可以從大電網(wǎng)中獨(dú)立出去形成微電網(wǎng)，并且可以在斷電時(shí)提供電力。能源儲(chǔ)存協(xié)會(huì)(EnergyStorageAssociation,ESA)為了使該行業(yè)更加標(biāo)準(zhǔn)化和公有化，頒布了一系列應(yīng)用中需要遵守的條件[23]。社區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(DistributedEnergyStorage,DES)比CES可儲(chǔ)存更多的電量，可以從數(shù)千瓦時(shí)到數(shù)兆瓦時(shí)。DES通常安裝在公用事業(yè)單位，如變電站，該系統(tǒng)具有與CES系統(tǒng)同樣的好處，只是在規(guī)模上較大。在談?wù)撾姵卦O(shè)計(jì)之前，首先我們應(yīng)該了解有關(guān)電池的基本術(shù)語(yǔ)。請(qǐng)注意，也許我們列舉的清單不夠詳盡，但是我們?cè)谶@里更著重于解釋在鋰電行業(yè)中經(jīng)常碰到的名詞。如果想獲得更加詳盡的有關(guān)鋰離子電池方面的名詞定義，我建議讀者可以參考行業(yè)組織的標(biāo)準(zhǔn)，比如SAEJ1715“BatteryTerminology”[24]。Ampere(安培)——經(jīng)?？s寫成Amp,國(guó)際單位制中采用“A”表示，是表征電流大小的標(biāo)準(zhǔn)單位。Anode(陽(yáng)極/負(fù)極)——陽(yáng)極就是電池單體的負(fù)極“-”。一般情況下是在銅箔或者其他導(dǎo)電箔材(主要是銅箔)上涂覆石墨或碳材料制備而成。BatteryManagementSystem(BMS)——電池管理系統(tǒng)，是電池組內(nèi)部的控制系統(tǒng)，一般由一個(gè)或多個(gè)電子控制器組成。該系統(tǒng)控制管理電池的充/放電、檢測(cè)電池的溫度和電壓、與汽車系統(tǒng)相聯(lián)系、平衡電池電壓、管理電池組的安全性能。BeginningofLife(壽命初期，BOL)——是指電池剛被組裝好或者在電池生命初始狀態(tài)時(shí)，電池所具有的能量和容量。C-rate(倍率)——倍率是一個(gè)非常重要的概念，是指電池充放電時(shí)電流與電池標(biāo)稱容量的比率。換句話說，它描述了電池可以在多快的條件下進(jìn)行充電或放電。1C相當(dāng)于1h內(nèi)把電池全部放完電(或者充滿電)。以此類推，2C相當(dāng)于電池全部放完電(或充滿電)需要30min(60min/2C=30min)。如果倍率上升，那么放電時(shí)間就會(huì)下降，反之亦然。因此，如果在0.5C條件下放電，即指2h放完全部電量(60min/0.5C=120minCapacity(容量)——電池所儲(chǔ)存電量用容量表示，其單位是安時(shí)(Ah),它是與系統(tǒng)能量大小有關(guān)的一個(gè)單位。可以把電類比為水、而電池類比為池子，池子越大裝水越多、容量就越大。CARB(加州空氣資源委員會(huì))——加州空氣資源委員會(huì)是一個(gè)立法機(jī)構(gòu)，主要工作內(nèi)容是提高州內(nèi)的空氣質(zhì)量。CARB有時(shí)也被稱為ARBCathode(陰極或正極)——陰極，即電池的正極，常以“+”表示。一般來(lái)說正極是將正極材料涂敷在鋁箔集流體上制備而成的，而正極材料包括磷酸亞鐵鋰、鈷酸鋰、NMC三元、尖晶石錳酸鋰以及其他可進(jìn)行可逆儲(chǔ)鋰、具有相對(duì)較高電化學(xué)反應(yīng)電位的化合物。Current(電流)——電荷的定向移動(dòng)形成電流。電流可以是電子在電線中的移動(dòng)，也可以是離子在正極和負(fù)極中的電解液中移動(dòng)，電流的單Cycle(循環(huán))——電池完成一個(gè)充電-放電的過程稱為一個(gè)循環(huán)。根據(jù)電池的使用情況，電池可以在不同功率、電壓或者恒定的倍率下進(jìn)行充放電。一個(gè)充放電循環(huán)可以是完全的充放電，也可以是部分充放電，也可以放電到某一設(shè)定值然后再進(jìn)行充電到初始狀態(tài)。DepthofDischarge(放電深度，DOD)——是指電池在使用過程中，電芯或電池組已經(jīng)利用的電量占總電量的比例。一般鋰離子電池組只使用總?cè)萘康?0%～90%,以避免電路中個(gè)別電池單體出現(xiàn)過充或過放的情況。因此，如果把電池組理解為一個(gè)10加侖體積的油箱，利用其中的60%(也就是6加侖汽油),那么這個(gè)電池組的放電深度就是60%。對(duì)于HEV或μ-HEV,通常只利用其中的30%～50%,相當(dāng)于這個(gè)例子中的3～5加侖汽油。對(duì)于純電動(dòng)汽車，通?？梢岳闷渲械?0%～90%,也就是這個(gè)例子中的8～9加侖汽油。而ESSs為了獲得可靠的循環(huán)壽命以及安全性能，一般在設(shè)計(jì)上會(huì)采用較小的DOD。Electrodes(電極)——電池的正極與負(fù)極都是電極，電極是電池中電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，也是電流產(chǎn)生或消耗的場(chǎng)所。Electrolyte(電解質(zhì))——處于正極與負(fù)極之間，用來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰離子傳輸?shù)牟牧?，是電池的關(guān)鍵材料。商品鋰離子電池以液態(tài)電解質(zhì)(也稱為電解液)為主，含有一定濃度的鋰鹽和碳酸酯溶劑。除液態(tài)電解質(zhì)外，還有固態(tài)電解質(zhì)、凝膠態(tài)電解質(zhì)及復(fù)合電解質(zhì)。ElectricMilesperGallon(每加侖電驅(qū)動(dòng)環(huán)境保護(hù)署(EnvironmentalProtectionAgency,EPA)提出，目的是便于和內(nèi)燃機(jī)車輛中使用的每加侖行駛的英里數(shù)(mpg)相比較。EndofLife(壽命終點(diǎn)，EOL)——當(dāng)電池的最大可儲(chǔ)存能量或功率降至壽命初始狀態(tài)的一定比例時(shí)稱為壽命終點(diǎn)。目前電動(dòng)汽車行業(yè)將壽命終點(diǎn)規(guī)定為80%,因?yàn)橥ǔ＿@時(shí)電池的能量或功率已經(jīng)不能滿足消費(fèi)者的需求。然而，該比例是依據(jù)具體的產(chǎn)品而定的，事實(shí)上也存在壽命終點(diǎn)設(shè)定低于80%的產(chǎn)品。Energy(能量)——能量的單位一般是千瓦時(shí)(kWh),用于度量電池中可以儲(chǔ)存能量的大小，可以類比為油箱的大小。EnergyDensity(能量密度)——指電池單位質(zhì)量或體積所具有的能量。能量密度單位有瓦時(shí)每千克(Wh/kg)和瓦時(shí)每升(Wh/L)兩種。當(dāng)能量密度使用Wh/kg為單位時(shí)指的是質(zhì)量能量密度，當(dāng)使用Wh/L為單位時(shí)指的是體積能量密度。EnergyStorageSystem(能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，ESS)——能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)可以有不同的形式，一般來(lái)說是指整體的電池組。能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)是把電芯進(jìn)行一定方式的電路連接，并使用合適的熱器件、電子器件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)將這些電芯構(gòu)建成為一個(gè)整體。本質(zhì)上來(lái)講，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)是指電池包中的所有東西。HighVoltage(高壓，HV)——超過60V的電壓稱為高壓。高壓系統(tǒng)必須裝配有合適的安全保護(hù)措施(高壓互鎖回路、安全斷開、橙色布線等)以阻止操作人員或其他人與該系統(tǒng)有任何接觸。Impedance(阻抗)——在具有電阻、電感和電容的電路中，對(duì)電流的阻礙作用稱為阻抗。阻抗常用Z表示，是一個(gè)復(fù)數(shù)，實(shí)部稱為電阻，虛部稱為電抗，有容抗和感抗兩種。其中，電阻的單位是歐姆(Ohm),用符號(hào)Ω來(lái)表示。阻抗是基于直流電阻(電壓和電流沒有相位差)而引申出來(lái)的，阻抗需要在測(cè)量中加入相位，即采用交流測(cè)量。交流阻抗通常用于電芯或材料研究。JellyRoll(卷芯)——一種電池制作技術(shù)，指將正極、負(fù)極還有隔膜平面疊加后卷繞起來(lái)，然后放入通常為圓柱形的容器中(見圖3.5)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電池電極表面積的最大化，而不增加其整體的體積。卷芯是當(dāng)前生產(chǎn)效率最高的電池制造技術(shù)。LIB或LIBs(Lithium-IonBattery或Lithium-IonBatteries,鋰離子電池)—鋰離子電池，也常被約定俗成地簡(jiǎn)稱為鋰電。32鋰離子電池組設(shè)計(jì)手冊(cè)電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)MilesperGallon(每加侖行駛的英里數(shù)，mpg)——顧名思義，這個(gè)名詞是用來(lái)衡量燃油效率的，可以適用于幾乎美國(guó)所有的內(nèi)燃機(jī)機(jī)動(dòng)車輛。在其他地區(qū)，有的用kg/CO?來(lái)衡量燃油效率。Parallel(并聯(lián))——電池是平行連接的，即每個(gè)電芯是并聯(lián)的(電池的正極接正極、負(fù)極接負(fù)極，如圖3.6所示)。并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電流同時(shí)流入所有的電池，又同時(shí)從電池中流出。當(dāng)把電芯并聯(lián)起來(lái)時(shí)，系統(tǒng)的5Ah,在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的端電壓最終還是3.6V,但是容量增加到了15Ah(5Ah×3個(gè)電芯，如圖3.6所示)。十十一PowerDensity(功率密度)——功率密度的單位一般用千瓦每千克(kW/kg)或者千瓦每升(kW/L)。和能量密度一樣，功率密度也是相對(duì)于電池的重量或體積來(lái)說的。PowerNet(電力網(wǎng))——這是一個(gè)相對(duì)新的概念。通常歐洲的汽車制造商喜歡使用這個(gè)名詞，它是指用電軟件與車載技術(shù)的綜合。電網(wǎng)一般包括信息娛樂系統(tǒng)、廣播和通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等耗電裝置。PrimaryBattery(一次電池)——一次電池為不可充電電池，常見的型號(hào)包括AA-、C-和D-,在家庭電器中應(yīng)用比較普遍的一般是堿性電池。Resistance(電阻)——電阻是指電池組、電池單體或材料阻礙電流移動(dòng)、但不改變其相位的能力。電阻的單位是歐姆(Ohm),用符號(hào)Ω來(lái)表示。電阻可采用直流測(cè)試得到，是電壓和電流的比值。SecondaryBattery(二次電池)——即可多次充電的電池，例如鋰離子電池、鎳氫電池和鉛酸電池。Separator(隔膜)——隔膜是一種很薄的材料，一般是單層或多層塑料(聚丙烯薄膜或聚丙烯-聚乙烯多層復(fù)合薄膜)或者陶瓷涂覆隔膜。隔膜在電池中的作用是將正極和負(fù)極隔開，避免正、負(fù)極接觸造成內(nèi)短路。隔膜還必須允許鋰離子通過，保證離子在正極與負(fù)極之間穿梭。Series(串聯(lián))——通過正極與負(fù)極首尾相接而形成的電池組結(jié)構(gòu)即為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，把電池串聯(lián)起來(lái)可以構(gòu)建高電壓的電池組。下面的這個(gè)例子代表三個(gè)電池串聯(lián)的情況(見圖3.7):假設(shè)每個(gè)電池與之前的舉例一樣都是3.6V、5Ah的電池，將其串聯(lián)起來(lái)后這組電池端電壓將會(huì)達(dá)到10.8V(3.6V×3個(gè)電池),但是容量依然為5Ah。ShortCircuit(短路)——電流不經(jīng)過負(fù)載而是直接經(jīng)由電池內(nèi)部或外部導(dǎo)線在正負(fù)極之間形成回路，使所有的電流流回電池或電池組，這種情況稱為短路。由于不經(jīng)過負(fù)載，而電池、電池組自身的電阻很小，因此通常短路的電流非常大，會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。短路有可能是電池內(nèi)部的原因所導(dǎo)致的，比如在正極和負(fù)極之間生長(zhǎng)的金屬枝晶會(huì)穿破隔膜使正負(fù)極接觸導(dǎo)通；或者是在電池卷繞過程中有一些微小的導(dǎo)電顆粒被包覆進(jìn)去，導(dǎo)致隔膜被刺穿而使兩個(gè)電極相接觸。這種短路發(fā)生在內(nèi)部，稱為內(nèi)短路(InternalShort)。電池的正負(fù)極在外部被導(dǎo)線連接，這種短路稱為外短路(ExternalShort)。StateofCharge(荷電狀態(tài)，SOC)——荷電狀態(tài)是電池的剩余電量相對(duì)于電池全部電量的比例，其范圍變化為0～100%。荷電狀態(tài)與放電深度(DOD)雖然都是相對(duì)于電池總電量而言的比例，但其功能和表達(dá)的意義完全不一樣。荷電狀態(tài)側(cè)重體現(xiàn)某一時(shí)刻的狀態(tài)，而放電深度則側(cè)重表達(dá)范圍區(qū)間。放電深度、荷電狀態(tài)和電池總電量的關(guān)系如圖3.8所示，這些指標(biāo)可以像汽車中的汽油表一樣實(shí)時(shí)體現(xiàn)電池的能量利用情況。StateofHealth(健康狀態(tài)，SOH)——SOH是一個(gè)很有意思的測(cè)量，因?yàn)楸碚麟姵亟】档膮?shù)多且復(fù)雜，不同的電池廠家、電源系統(tǒng)集成廠家以及不同使用者或許會(huì)有不同的定義。一般來(lái)說，SOH指與壽命起始狀態(tài)相較而言電池當(dāng)前的健康狀態(tài)。換句話說，SOH意圖告訴用戶電池將需要多長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)壽命終端。與SOH相關(guān)的測(cè)量參數(shù)可以是當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的阻抗、容量、電壓、充放電循環(huán)次數(shù)，而SOH的計(jì)算則通過電池管理系統(tǒng)的主要控制器來(lái)完成。StateofLife(生命狀態(tài)，SOL)——與健康狀態(tài)同義，測(cè)量和算法也非常相近，SOL側(cè)重表征電池可以維持多長(zhǎng)的壽命。Charge)、生命狀態(tài)(L,Life)等。Voltage(電壓)—電壓是電池兩端的電勢(shì)差，單位為伏特(V)。為了更清楚地理解電壓，可以將其類比為水管兩端的水壓?，F(xiàn)在我們對(duì)電池設(shè)計(jì)過程中所涉及的術(shù)語(yǔ)和行話有了基本的認(rèn)識(shí)。在第4章中，為對(duì)電池有更深入的了解，我們將討論電池設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常用到的一些基本公式和計(jì)算方法。第4章電池組的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)粗略的了解。38鋰離子電池組設(shè)計(jì)手冊(cè)電池體系、部件、類型和術(shù)語(yǔ)電壓溫度監(jiān)測(cè)器(VoltageTemperatureMon外殼起作用，而主動(dòng)方案一般使用液體或空氣作為媒介來(lái)維持電池組中的溫度。當(dāng)然，我們也不能忽