新能源汽車動力電池系統(tǒng)章節(jié)安排及考核方式序號章節(jié)主講人第一章概述第二章動力電池化學原理第三章動力電池結構第四章動力電池管理系統(tǒng)第五章動力電池熱管理系統(tǒng)第六章動力電池熱失控第七章動力電池熱流體傳熱仿真分析序號考核方式或途徑考核要求考核權重1課堂表現(xiàn)按時到課，回答問題正確10%2平時作業(yè)按時按次按質交作業(yè)15%3課程考試閉卷75%總評成績100%第一章電動汽車與新能源汽車概述0102目錄Contents電動汽車的類型與特點03動力電池概述傳動系統(tǒng)布置形式PART1電動汽車與新能源汽車概述新能源汽車背景01傳統(tǒng)汽車的三大危機全球汽車保有量激增，石油資源按現(xiàn)消耗速度將在2050年前后枯竭，城市空氣污染50%以上源于汽車尾氣，溫室氣體排放加劇氣候變暖。02中國的汽車污染現(xiàn)狀中國2021年移動源年報顯示，汽車產生CO、HC、NOx、PM超90%，柴油車NOx占比超80%，汽油車CO占比超80%，環(huán)境壓力巨大。03電動汽車的崛起環(huán)境、能源與經濟的不可持續(xù)三角迫使交通能源轉型，電動汽車成為國際共識的突破口，其零排放、高效能優(yōu)勢被政策與市場雙輪驅動，站上歷史舞臺。新能源汽車發(fā)展歷史電動汽車的早期探索1881年第一輛鉛酸電池三輪車已馳騁巴黎，1899年更創(chuàng)速度紀錄；20世紀初紐約電動出租車憑借再生制動技術風靡一時，卻因續(xù)航短、充電慢被內燃機取代。電動汽車的復興1970年代石油危機使人們重新關注電動汽車。美國、日本等國開始研發(fā)以鉛酸、鎳氫電池為動力的電動車。1996年通用公司推出EV1電動汽車，成為現(xiàn)代電動汽車復興的標志性產品。第一輛電動汽車通用EV1電動汽車新能源汽車發(fā)展歷史電動汽車的崛起進入二十一世紀，鋰離子電池技術進步推動電動汽車商業(yè)化。2008年特斯拉Roadster問世，續(xù)航超350公里。此后，日產Leaf、比亞迪秦、寶馬i3等車型相繼推出，電動汽車進入快速發(fā)展階段。政策推動為了促進電動汽車的發(fā)展，

許多國家和地區(qū)相繼出臺了相關政策，

推動全世界各大汽車公司對電動汽車技術開展了積極的研究。電動汽車的開發(fā)在中國、日本、美國、德國等國家得到了進一步的重視。同時，現(xiàn)代高新技術的發(fā)展、

新材料的誕生以及電子、

電機、計算機、

通信技術的廣泛推廣和應用，

都極大地促進了電動汽車的發(fā)展。特斯拉Roadster《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》新能源汽車發(fā)展歷史電動汽車的未來總體來說，電動汽車的發(fā)展經歷了曲折和起伏，但隨著技術進步和政策推動，其前景十分廣闊。未來的電動汽車將更加智能化和自動化，配備先進的電池與充電技術，實現(xiàn)更長的續(xù)駛里程和更短的充電時間。電動汽車的車型也將更加多樣化，包括轎車、SUV、貨車和特種車輛等。自動駕駛汽車電動汽車的普及還將帶動新能源基礎設施的建設，如充電站和換電站的完善，提升使用便利性。作為重要的能源載體，電動汽車還將參與電網的有機調度，提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率，并促進可再生能源的利用。隨著技術革新與政策支持，電動汽車將成為未來主流交通工具之一，也是人類追求綠色生活方式的重要象征。V2G雙向充放電技術什么是新能源汽車其中電動汽車作為新能源汽車的重要組成部分，是解決環(huán)境污染和能源問題的有效手段。新能源汽車——指的是采用非常規(guī)車用燃料的汽車，利用電能、天然氣或氫氣作為動力來源，實現(xiàn)低排放或零排放。純電動汽車采用蓄電池作為儲能動力源的汽車燃料電池電動汽車混合動力電動汽車是利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下在燃料電池中經電化學反應產生的電能作為主要動力源驅動的汽車新能源汽車采用傳統(tǒng)的內燃機（柴油機或汽油）和電動機作為動力源純電動汽車（BEV）蓄電池通過功率變換裝置向電動機提供電能并驅動其運轉，電動機經傳動裝置帶動車輪旋轉從而推動汽車運動。純電動汽車主要由蓄電池、電池管理系統(tǒng)、驅動電機和傳動系統(tǒng)、車身、底盤以及安全保護系統(tǒng)等構成。蓄電池主要包括鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鈉硫電池、鋰離子電池及鋅空氣電池等。特斯拉ModelS混合動力汽車（HV）通常所說的混合動力電動汽車（HybridElectricVehicle，HEV），一般是指油電混合動力汽車，即采用傳統(tǒng)的內燃機（柴油機或汽油機）和電動機作為動力源，也有的發(fā)動機經過改造使用其他替代燃料，如壓縮天然氣、丙烷和乙醇燃料等。隨著世界各國環(huán)境保護措施越來越嚴格，混合動力車輛由于其節(jié)能、低排放等特點成為替代純燃油汽車的一個趨勢，并已經遍布全球。混合動力汽車使用的電驅動系統(tǒng)中包括高效強化的電動機、發(fā)電機和蓄電池。蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳錳氫電池和鋰離子電池，將來發(fā)動機還可能被氫燃料電池所替代。比亞迪漢DM-i混合動力電車燃料電池電動汽車（FCEV）燃料電池通過化學反應將化學能轉化為電能，電化學反應所需的還原劑一般采用氫氣，氧化劑則采用氧氣，因此最早開發(fā)的燃料電池電動汽車多是直接采用氫燃料，氫氣的儲存可采用液化氫、壓縮氫氣或金屬氫化物儲氫等形式。燃料電池的能量轉換效率可達60%～80%，為內燃機的2～3倍，所以燃料電池電動汽車的能量轉換效率高；燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，因而燃料電池電動汽車不污染環(huán)境，可實現(xiàn)零排放；燃料電池電動汽車的氫燃料來源廣泛，可以從可再生能源獲得，不依賴石油燃料。因此，從環(huán)保的角度來看，燃料電池電動汽車是一種最為理想的車輛。MIRAI氫燃料電池電動汽車國外電動車發(fā)展現(xiàn)狀美國早期在技術和研發(fā)上處于前沿，并通過一系列法案（如《替代機動車燃料法》、《清潔空氣修正法案》、《能源政策法案》等）和政策長期支持新能源汽車發(fā)展。關注重心從燃料電池汽車向插電式混合動力汽車傾斜。市場上有多種熱銷車型，2023年新能源汽車銷量超過140萬輛，累計銷量約470萬輛。國外電動車發(fā)展現(xiàn)狀日本由于資源匱乏，特別注重節(jié)能和環(huán)保。技術路線并非以純電動汽車為核心，而是長期致力于混合動力汽車（HEV）

的研發(fā)，技術水平世界領先（例如豐田的混動車型全球銷量已突破1600萬輛）。在純電動汽車方面落后于其他主要市場，但政府正通過補貼等方式推動需求增長。國外電動車發(fā)展現(xiàn)狀歐洲發(fā)展相對較晚，但通過制定嚴格的碳排放法規(guī)和燃油車禁售時間表（如挪威2025年，英、法2040年）來強力推動。車企（如大眾、戴姆勒、標致雪鐵龍）受“柴油門”事件等影響，從2015-2016年開始才全面轉向電動化。年來發(fā)展迅速，本土品牌（如大眾、雷諾、標致）在新能源汽車市場中表現(xiàn)出色。國內汽車發(fā)展狀況01發(fā)展歷程我國的電動汽車研發(fā)始于1996年，通過“九五”、“十五”科技攻關以及奧運會、世博會、“十城千輛”等示范項目，建立了完整的自主知識產權產業(yè)鏈。02里程碑事件2008年，比亞迪推出全球首款插電式混合動力車型F3DM。2013年，比亞迪秦

上市，加速了市場普及。蔚來等造車新勢力推出ES6等高端純電車型，獲得市場認可。03市場現(xiàn)狀中國汽車產銷總量全球第一，2023年突破3000萬輛。新能源汽車銷量爆發(fā)式增長，2023年中國品牌乘用車中新能源產品市占率高達49.9%，意味著每賣出兩輛中國品牌乘用車，就有一輛是新能源汽車。全球電動汽車發(fā)展狀況01形成了

中國、歐洲、美國

三足鼎立的全球前三市場。02關鍵數據（2022年）全球電動汽車銷量首次突破1000萬輛（乘用車），滲透率達到14%。中國是全球最大的市場，銷量約占全球的60%，已提前完成2025年目標。03車型多樣化電動化不僅限于乘用車，電動公交車、電動兩輪車、電動貨車等也在快速發(fā)展，中國在這些領域同樣占據全球主導地位。市場格局電動汽車發(fā)展前景01發(fā)展電動汽車是解決能源安全、碳排放與環(huán)境污染問題的國家重大科技戰(zhàn)略，是推動中國從汽車大國向汽車強國轉變的關鍵。02技術趨勢國際產業(yè)界共識是，2020年后純電驅動技術將逐步占據主導地位。03中國發(fā)展趨勢驅動電氣化：包括能源體（高能量密度電池、燃料電池）和執(zhí)行部件（驅動電機）的電氣化。技術系統(tǒng)化：如比亞迪的“三合一”電驅總成，強調集成化、模塊化設計。智能網聯(lián)化：以電動汽車為載體，發(fā)展智能網聯(lián)汽車技術。市場國際化：鼓勵中國電動汽車品牌“走出去”，參與國際競爭。戰(zhàn)略意義PART2電動汽車的類型與特點純電動汽車的類型（按電驅動系統(tǒng)結構布局分類）電機中央驅動此種結構與發(fā)動機前置前驅的傳統(tǒng)內燃機汽車動力傳動系統(tǒng)結構相似，是在其基礎上發(fā)展而來的，主要用于大型重載車輛。電驅動系統(tǒng)的傳動裝置由差速器、變速器、離合器和電機組成。離合器的功能與傳統(tǒng)汽車相同，用于切斷或接通動力傳遞，以實現(xiàn)平穩(wěn)換擋；變速器則由一套具有不同速比的齒輪機構組成，使駕駛人能根據需要選擇不同變速比，將電機動力傳給驅動輪——在低檔位時，驅動輪獲得低轉速大轉矩，高檔位時則獲得高轉速小轉矩；此外，差速器的作用是在車輛轉彎時，使內、外車輪以不同轉速行駛，從而保證車輛的穩(wěn)定運行。純電動汽車的類型（按電驅動系統(tǒng)結構布局分類）電機-驅動橋組合驅動核心特點：利用電機大起動轉矩和寬調速的優(yōu)勢，省去了離合器，采用固定速比減速器，從而簡化結構、減輕車重并增大車內空間。系統(tǒng)構成：主要由電機、固定速比減速器和差速器組成。兩種布置形式：分體式（圖b）：各部件之間通過中間傳動裝置連接。集成式（圖c）：將電機、減速器和差速器集成為一體，直接通過半軸連接驅動輪，進一步省去了中間部件，結構更緊湊。這種集成形式在小型純電動汽車上應用普遍。純電動汽車的類型（按電驅動系統(tǒng)結構布局分類）雙電機驅動核心原理：兩個驅動輪由各自的電機獨立驅動，通過電機控制器獨立調節(jié)轉速，從而實現(xiàn)電子差速，因此無需機械差速器。布置形式：基本雙電機驅動（圖d）輪邊電機驅動（圖e）：是雙電機驅動的進階形式，將電機直接安裝在車輪內部，從而極大地縮短了動力傳遞路徑。可選部件：可在電機與驅動輪之間加裝行星齒輪變速器（固定速比），其作用是提供大的減速比，并能實現(xiàn)動力輸入與輸出軸的同軸布置。純電動汽車的類型（按電驅動系統(tǒng)結構布局分類）雙電機驅動核心結構：采用輪轂電機，具體是一種低速外轉子電機。其外轉子直接安裝在車輪的輪緣上，與車輪集成。最大特點：徹底省去了減速器、差速器等所有傳統(tǒng)的機械傳動裝置，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的極大簡化。轉速關系：電機的轉速與車輪的轉速完全相同（等速），動力傳遞路徑最短，效率高。純電動汽車的類型（按蓄電池分類）主要類型：目前主要采用鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。性能與成本對比：鉛酸蓄電池：技術成熟、價格便宜，但存在性能、壽命較差和

重金屬污染的問題。鎳氫與鋰離子電池：性能優(yōu)于鉛酸電池，但當前價格較貴；預

計隨著技術成熟和規(guī)模擴大，其性價比將顯著提高。核心重要性：蓄電池作為純電動汽車的唯一能源，其性能指標在很大程度上決定了整車的性能。鋰離子蓄電池鉛酸蓄電池鎳氫蓄電池純電動汽車的類型（按電機分類）電機類型優(yōu)點缺點應用現(xiàn)狀/前景直流電機技術成熟、控制簡單、成本低；起動轉矩和制動轉矩大；調速范圍廣且平滑。笨重、體積大；可靠性差、需維護；效率低；高速運行產生火花干擾電子器件。因缺點明顯，使用推廣受限。交流電機結構簡單堅固、成本低；免維護、可靠性高、壽命長；較直流電機效率高!體積小!重量輕；振動噪聲小、轉速高、響應快?？刂破鹘Y構復雜、易損壞。目前應用較多的電機；隨著技術進步，調速性能改善，已逐漸替代直流電機。永磁電機體積小、功率密度和效率高；調速范圍寬、響應快。價格昂貴；高溫下易退磁；大功率機型小型化困難。非常適用于現(xiàn)代電動汽車；成本正逐漸降低，是最具前途的驅動電機之一。開關磁阻電機結構簡單、可靠；低速和起動轉矩大、起動電流??；效率高、調速范圍寬。轉矩脈動嚴重，導致振動和噪聲大；非線性；控制器復雜、價格高。在現(xiàn)代電動汽車上應用很少。純電動汽車的類型（按用途分類）目前主要有純電動客車和純電動轎車、

純電動載貨車和純電動特種車輛四類中通某款純電動客車比亞迪C6純電動客車純電動車的特點無污染、噪聲小不產生內燃機汽車排放的CO、HC、NOx等有害廢氣沒有內燃機產生的噪聲，電動機的運行噪音也更小單一電能源僅采用電動機，因此具有噪聲低、無污染的優(yōu)點。電動機及傳動系統(tǒng)所占的空間更小、質量更輕。電控系統(tǒng)較混合動力電動汽車大為簡化，從而可以降低成本!，補償蓄電池的部分價格。結構簡單，維修方便相比內燃機汽車，純電動汽車的運轉和傳動部件更少，維修保養(yǎng)工作量小。當采用交流感應電動機或永磁電機時，可以實現(xiàn)無需保養(yǎng)維護。純電動汽車的操控更為容易。能量轉換效率高電動機效率高，能量利用率高。特別適合城市路況整體能源利用效率更高，更環(huán)保純電動車的特點平抑電網的峰谷差減少對石油資源的依賴，可將寶貴的石油資源用于更重要的領域。為電池充電的電能來源廣泛，可來自煤炭、天然氣、水力、核能、太陽能、風能及潮汐等多種能源，不局限于化石燃料。在夜間利用電網的廉價“谷電”進行充電，起到平抑電網的峰谷差的作用。能量轉換效率高蓄電池技術仍有瓶頸，續(xù)駛里程較短，低溫性能下降，且充電時間較長。但是純電動汽車也存在以下痛點：PART3動力電池概述動力電池發(fā)展歷史根據動力電池的使用特點、

要求、應用領域不同，國內外動力電池的研發(fā)歷史大致如下：第一代動力電池以鉛酸蓄電池為代表，雖然價格低廉、技術成熟，但存在能量密度低和重金屬污染的問題。第二代動力電池以鋰離子電池為核心，憑借高能量密度和高單體電壓，成為當前最具競爭力的主流動力電池。以MH-Ni電池為代表，性能優(yōu)于鉛酸電池，曾是混合動力的主流選擇，但成本較高且存在毒性污染（指已禁用的Cd-Ni電池）。第三代動力電池以燃料電池為方向，被視為最環(huán)保的終極解決方案，但仍面臨成本、氫儲運和壽命等商業(yè)化難題。新一代動力電池動力電池類型動力電池按工作性質和儲存方式分為以下四類：例如：1）鋅-錳干電池2）堿性鋅-錳電池3）鋅-汞電池4）鎘-汞電池5）鋅-銀電池6）堿性鋅-空氣電池7）鋰電池8）固體電解質電池（銀-碘電池）1.一次電池：即“原電池”或“干電池”。不可充電，反應不可逆。常見于一次性日常用品。動力電池類型動力電池按工作性質和儲存方式分為以下四類：例如：1）鉛酸電池2）鎘-鎳電池3）氫-鎳電池4）金屬氫化物-鎳（MH-Ni）電池5）固體電解質電池（鈉-硫電池）6）鋰離子電池2.二次電池：即“蓄電池”?？煞磸统浞烹姡磻赡?。是電動汽車、電子設備等領域最常用的電池類型。動力電池類型動力電池按工作性質和儲存方式分為以下四類：例如：1）鋅-銀電池2）鎂-銀電池3）鉛-高氯酸電池3.儲備電池：即“激活電池”。正負極活性物質在儲存期分離，使用前需激活。常用于需要長期儲存、瞬時使用的特殊場合。動力電池類型動力電池按工作性質和儲存方式分為以下四類：例如：1）氫-氧燃料電池2）肼-空氣燃料電池燃料電池：即“連續(xù)電池”。需要持續(xù)注入燃料和氧化劑，將化學能直接轉化為電能。被視為清潔、高效的發(fā)電裝置。動力電池的性能比較目前可以作為車載動力的電源類型很多，主要有閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLAB）、Cd-Ni電池、MH-Ni電池、Li-ion電池、聚合物Li-ion電池、Zn-Ni電池、鋅-空氣電池、超級電容器、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等。表3.1各類動力電池的性能比較動力電池的性能比較目前可以作為車載動力的電源類型很多，主要有閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLAB）、Cd-Ni電池、MH-Ni電池、Li-ion電池、聚合物Li-ion電池、Zn-Ni電池、鋅-空氣電池、超級電容器、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等。圖3.1各類動力電池的體積比能量和質量比能量比較動力電池的要求對于電動汽車（EV）優(yōu)點：

電動汽車完全由蓄電池驅動，具有零尾氣排放（無CO、NOx）、能量轉換效率高、結構簡單、

運行費用低等優(yōu)勢。核心挑戰(zhàn)：

純電動汽車的發(fā)展高度依賴車載動力電池的性能。電池特性：

車載動力電池的使用模式與汽車起動蓄電池不同，主要表現(xiàn)為中等電流長時間放電、

間歇性大電流放電（如加速、爬坡）、以及深循環(huán)使用。當前瓶頸：

目前動力電池存在的價格高、低溫性能差、熱失控安全風險等問題，是制約電動汽車

大規(guī)模發(fā)展和商業(yè)化應用的關鍵因素。動力電池的要求對于混合動力電動汽車（HEV）工作方式與結構：

采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)式動力裝置，擁有兩套動力和管理系統(tǒng)，導致其結構復雜、技術難度高。核心優(yōu)勢：

能夠顯著降低燃油消耗和汽車排放，同時具備燃油經濟性高、行駛性能優(yōu)越的特點，特別適合長途駕駛、寒冷地區(qū)或充電不便的場景。開發(fā)關鍵：

核心技術在于動力分配系統(tǒng)。電池工作特點（與純電動汽車的關鍵區(qū)別）：

動力電池主要在較窄的荷電狀態(tài)（SOC）區(qū)間內進行頻繁的淺循環(huán)充放電，在整個壽命周期內，這種循環(huán)可達數萬次，而非純電動汽車的深循環(huán)模式。圖3.2動力電池的兩種工作狀態(tài)動力電池的要求根據以上EV、HEV中動力電池的工作狀態(tài)分析，要滿足EV、HEV的工作狀態(tài)，動力電池應該有以下要求：1）高的功率密度。2）高的質量比功率和質量比能量，如圖3.3所示。3）工作溫度范圍寬。4）深循環(huán)使用。5）使用壽命長。6）安全可靠。7）價格比較低。圖3.3動力電池要求的質量比能量和質量比功率動力電池的基本原理核心理論公式

核心結論：電池的電動勢(E)越高，且其容量(C?)越大，電池儲存的能量就越高。綜合兩個公式可知，要制造高能電池，需要選擇電化當量小（以提供大容量）和電動勢高（以提供高電壓）的材料。動力電池的基本原理高能電池的設計策略

動力電池的基本原理理想與現(xiàn)實的權衡（由表3.3分析可知）

表3.3一些高理論比能量的電池（酸性或中性溶液）第二章電動汽車與新能源汽車概述0102目錄Contents主流動力電池技術03新型動力電池技術原理與探索傳動系統(tǒng)布置形式04動力電池性能對比與未來發(fā)展方向

PART1動力電池基礎原理與核心術語動力電池工作原理01充放電過程中鋰離子遷移機制：

02電化學反應本質：依靠鋰離子在正負極材料間的嵌入與脫出，同時通過得失電子的氧化還原反應實現(xiàn)充放電，維持電池體系電中性核心術語與關鍵參數電壓類

核心術語與關鍵參數電壓類

圖1.1核心術語與關鍵參數電壓類標稱電壓：標識電池的近似電壓，用于區(qū)分電化學體系常見電池體系的單體標稱電壓見表1.1表1.1常見電池體系的單體標稱電壓核心術語與關鍵參數電壓類放電終止電壓：指電池放電時，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓，也稱為放電截止電壓。

不同類型、放電條件的電池，對容量和壽命要求不同，所以規(guī)定的放電終止電壓

也不同。通常，低溫或大電流放電時，因電極極化大、活性物質利用不充分、電壓下降快，終止電壓規(guī)定得低；小電流長時間放電時，由于電極極化小、活性物質利用較充分、電壓下降慢，終止電壓規(guī)定得高。充電限制電壓：指按規(guī)定的充電制度，電池由恒流充電轉入恒壓充電時的最大電壓值，也稱為充電終止電壓。

不同電化學體系的電池充電限制電壓也不同，如鉛酸蓄電池的充電限制電壓一般為2.4V，磷酸鐵鋰電池的充電限制電壓一般為3.8V。核心術語與關鍵參數容量類

核心術語與關鍵參數容量類

核心術語與關鍵參數容量類

核心術語與關鍵參數電池能量

核心術語與關鍵參數電池能量

核心術語與關鍵參數電池能量

核心術語與關鍵參數電池能量同樣電池中必然包含不參與電池反應的物質，這導致電池的質量效率總是小于1。這類物質主要有以下幾類：過剩的活性物質：設計電池時，正、負兩個電極的活性物質無法恰好等量，總有一極的活性物質過剩；這種過剩有時是必需的（如密封的鎳鎘蓄電池、鋅-氧化銀電池中，負極活性物質需有25%~75%的過剩量，防止充電時負極產生氫氣）。電解質溶液：部分電池的電解質溶液不參與反應，部分參與反應的電解質溶液也需要一定過剩量。電極添加劑：如導電物質、膨脹劑、吸收電解質溶液的纖維素等，部分添加劑質量占電極總質量比例較大。電池的外殼、電極的板柵、骨架等。核心術語與關鍵參數電池功率與功率密度

核心術語與關鍵參數電池功率與功率密度

核心術語與關鍵參數

核心術語與關鍵參數

核心術語與關鍵參數放電電流

放電電流指電池放電時電流的大小，直接影響電池各項性能指標，因此談及電池容量或能量時，需說明放電電流大小或放電條件，放電率常用“時率”和“倍率”兩種形式表示：

核心術語與關鍵參數荷電狀態(tài)

荷電狀態(tài)（SOC）反映電池的剩余電量狀況，是電池使用過程中的重要參數，以百分比形式呈現(xiàn)，數值在0-100%之間。：

核心術語與關鍵參數自放電特性

自放電特性主要包括自放電和自放電率兩部分：

核心術語與關鍵參數電池壽命

電池壽命主要包括循環(huán)壽命和貯存壽命兩部分：

循環(huán)壽命定義：蓄電池經歷一次充電和放電為一個循環(huán)（周期）；在一定放電制度下，電池容量降低至某一規(guī)定值前，所能耐受的循環(huán)次數，是衡量蓄電池性能的重要參數。影響因素：除正確使用與維護外，還包括①電極活性表面積在充放電中不斷減小，工作電流密度上升、極化增強；②電極上活性物質脫落或轉移；③電極材料發(fā)生腐蝕；④循環(huán)中電極生成枝晶，造成電池內部微短路；⑤隔膜老化、損壞；⑥活性物質在充放電中發(fā)生不可逆晶形改變，活性降低。貯存壽命定義：電池自放電后，可用容量下降到某一規(guī)定容量所經過的時間，也稱擱置壽命；電池長期擱置后容量變化的特性為貯存性能。貯存特點：電池貯存時內部常存在自放電現(xiàn)象。干態(tài)貯存（無電解液）若密封不嚴，水分、空氣進入會使正/負極活性物質發(fā)生微電池腐蝕，自行氧化還原為熱能；濕態(tài)貯存（帶電解液）自放電更明顯，貯存壽命更短。因此，儲備電池常采用干態(tài)貯存（使用時加電解液激活），可長期保存。

PART2主流動力電池技術——三元電池與鐵鋰電池

三元電池材料結構特性

三元電池化學機理

三元電池材料改性方法

鐵鋰電池（磷酸鐵鋰體系）材料結構特性

鐵鋰電池（磷酸鐵鋰體系）化學機理

鐵鋰電池（磷酸鐵鋰體系）材料改性方法

PART3新型動力電池技術原理與探索

發(fā)展背景20世紀80年代研發(fā)，早期因能量密度低于鋰離子電池被忽視，近年因鈉資源豐富、成本低重新受關注。核心差異

鈉離子電池鈉離子電池技術概述技術優(yōu)勢鈉鹽電導率較高，可選用低濃度電解液，進而降低生產成本。鈉資源豐富且價格低廉，原料成本優(yōu)于鋰離子電池。鈉離子電池無過放電特性，能夠放電至0V。鋰離子與鋁在低于0.1V（vs.Li?/Li）時會發(fā)生合金反應，鈉離子不會（為電池結構設計等提供優(yōu)勢，如鋁可作為集流體等）。充電

鈉離子電池工作原理放電

鈉離子電池工作原理核心突破以固態(tài)電解質替代液態(tài)電解質，解決傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度、安全性瓶頸，被視為下一代電池技術固態(tài)電池技術概述與液態(tài)電池差異工作原理相同（鋰離子遷移實現(xiàn)充放電），但電解質為固態(tài)，兼具離子傳導和隔膜功能（阻隔正負極短路）固態(tài)電池鋰離子電池由陰極、陽極兩個金屬（或復合）電極組成，浸沒在作為電解質的鋰鹽溶液（導電液體）中，鋰鹽溶液為陰陽極間的可逆化學反應提供必需離子。固態(tài)電池工作原理與液態(tài)鋰離子電池相同，主要區(qū)別在于電解質形態(tài)，固態(tài)電池電解質為固體，傳統(tǒng)液態(tài)電池電解質為液體（如圖a為固態(tài)電池，電解質采用固態(tài)物質；圖b為傳統(tǒng)液態(tài)電池，電解質是液態(tài)物質）。固態(tài)電池工作原理固態(tài)電池與液態(tài)電池對比安全性固態(tài)電解質不可燃、耐高溫，避免電解液泄漏和短路，根除熱失控風險固態(tài)電池關鍵特性與技術核心技術

固態(tài)電池核心特點以金屬為陽極、空氣中氧氣為陰極反應物（開孔式結構），理論能量密度高、成本低，類型包括鋰空氣、鋅空氣、鐵空氣等

金屬空氣電池技術概述電解質分類水系電解質（不易燃、導電好，但金屬負極易自腐蝕）、非水系電解質（緩解腐蝕，但可燃、導電差）金屬空氣電池性能問題充放電性能差，金屬陽極枝晶生長、體積波動致界面不穩(wěn)定，固體電解質與電極接觸不良（界面電阻大）

金屬空氣電池技術挑戰(zhàn)發(fā)展方向研發(fā)固態(tài)電解質（提升熱穩(wěn)定性和能量密度）、優(yōu)化催化劑（解決多步催化反應不確定性）金屬空氣電池PART4動力電池性能對比與未來發(fā)展方向

不同體系動力電池性能對比性能參數鉛酸電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池（三元）鋰離子電池（鐵鋰）鈉離子電池工作電壓（V）2.01.21.23.6-3.73.2接近鋰離子電池質量比能量（W?h/kg0-505060-70≥300150-200低于鋰離子電池循環(huán)壽命（次）300-500300-600300-700≥1000≥2000待產業(yè)化驗證月自放電率（%）20-3025-3015-301-31-5較低記憶效應有有無無無無有害物質鉛鎘無無無無電池重量重重重較輕較輕較輕核心目標提升能量密度（滿足電動汽車續(xù)駛需求）、根除安全隱患（零自燃風險）、降低成本（適配大規(guī)模應用）

動力電池未來發(fā)展方向研發(fā)固態(tài)電解質（提升熱穩(wěn)定性和能量密度）、優(yōu)化催化劑（解決多步催化反應不確定性）技術重點電動汽車（固態(tài)電池+高安全體系替代液態(tài)電池）、大型儲能（鈉離子電池為主）、特殊場景（金屬空氣電池用于長續(xù)航設備）應用趨勢第三章電池電芯0102第3章

動力電池結構電池模組03

電池箱體傳動系統(tǒng)布置形式電池電氣系統(tǒng)04PART1電池電芯電池電芯一個單體電池的電壓只有幾伏，但電動汽車驅動電機的電壓往往是幾百伏，因此電動汽車的動力電池系統(tǒng)由成百上千個單體電池構成，再加上保護電路和保護殼才能使用；將若干個電池模組與BMS、熱管理系統(tǒng)等組成在一起形成電池包(Pack)。單體電池是基本的電化學單位，是將化學能與電能進行相互轉換的基本單元裝置，通常包括電極、隔膜、電解質、外殼和端子，并被設計成可充電，單體電池也稱為電芯。電芯是不能直接使用的，只有加上保護電路和保護殼，再通過組合形成電池模組，才能夠直接使用。目前，電芯與電池包的生產已經實現(xiàn)高度自動化?！半娦疽荒＝M一電池包”是從里到外的排序，如圖3.1所示。電芯一致性好，組成的模組才安全好用，用該模組集成的電池包也才安全好用。圖3.1汽車動力電池的電芯、模組和電池包電池電芯——電芯構造鋰離子單體電池主要由正極、負極、隔膜、內部的電解液和外殼等組成圖3.2鋰離子單體電池的基本結構電池電芯——電芯構造正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，能直接影響鋰離子電池的能量密度、安全性、循環(huán)壽命等各項核心性能指標。目前，被廣泛采用的正極材料主要有磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰和三元材料等。特斯拉Model3的動力電池使用的正極材料是鎳鈷鋁三元材料；比亞迪e6的動力電池使用的正極材料是磷酸鐵鋰材料。鎳(Ni)可提高、增加材料的體積能量密度；鈷(Co)可穩(wěn)定材料的層狀結構，同時提高材料的循環(huán)和倍率性能；錳(Mn)可降低材料成本、提高材料安全性和結構穩(wěn)定性；鋁(AI)可抑制材料在高脫鋰狀態(tài)下出現(xiàn)的結構塌陷問題。NCM是三元鋰正極材料中Ni、Co和Mn的英文縮寫，NCA是三元鋰正極材料中Ni、Co和Al的英文縮寫。錳酸鋰的分子式為LiMn,O4，理論比容量為148mA·h/g，其特點是充放電的倍率性能非常好，但比容量偏低，多與NCA/NCM混合使用。磷酸鐵鋰的分子式為LiFePO4，理論比容量為170mA·h/g，其特點是安全性好、循環(huán)壽命長、放電電壓平穩(wěn)、原料豐富、價格低廉，已成為電動汽車動力電池重要的正極材料。三元材料的分子式為LiNi，Co,Mn.O4，理論比容量為

調節(jié)Ni、Co、Mn三種元素的比例可以衍生出不同的氧化鎳鈷錳鋰材料。正極：電池電芯——電芯構造鋰離子蓄電池中，理想的正極材料需要具備以下特征：I）正極材料有較大的吉布斯自由能，從而保證蓄電池有較高的輸出電壓。2）

鋰離子在正極材料中脫嵌的吉布斯自由能變化量要小，即電極電位對鋰離子嵌入量的依賴性要小，保證蓄電池的輸出電壓穩(wěn)定。3）正極材料能夠容納相當數量的鋰離子脫出和嵌入，保證蓄電池有較高的比容量。4）正極材料的摩爾體積和分子量較小，保證蓄電池擁有較高的體積能量密度和質量能量密度。5）

正極材料中存在通暢的鋰離子遷移通道，進而保證材料具有較高的鋰離子擴散系數。此外，正極材料還要有良好的電子導電性，保證蓄電池良好的大倍率性能。6）

充放電過程中，正極材料的結構改變小，保證電化學反應的可逆進行和蓄電池的良好循環(huán)性能。7）在充放電電壓范圍內，正極材料不與電解液發(fā)生化學或物理反應。8）原料豐富，制備工藝簡單，成本低，環(huán)境友好。電池電芯——電芯構造負極材料影響鋰離子蓄電池的安全性，負極材料有硬碳材料、石墨材料和鈦酸鋰等。目前，廣泛應用的碳基負極材料，將鋰離子在負極表面的沉積/溶解轉變?yōu)樵谔疾牧现械那度?脫出，從而大幅度地減少鋰枝晶的形成，提高鋰離子蓄電池的壽命和安全性。特斯拉Model3的動力電池使用的負極材料是石墨+硅；比亞迪e6的動力電池使用的負極材料是石墨。負極：電池電芯——電芯構造動力理想的鋰離子蓄電池負極材料應具備以下特征：1）鋰離子嵌入/脫出電位盡可能低，使蓄電池有較高的輸出電壓，以提高蓄電池的能量密度。2）鋰離子能夠盡可能多地在材料中可逆脫嵌，保證蓄電池的比容量值。3）在蓄電池的循環(huán)過程中，材料的結構沒有或很少發(fā)生改變，以確保蓄電池的循環(huán)性能。4)具有較高的電子和離子電導率，保證電子和鋰離子在材料中的快速傳輸，以提高蓄電池的功率密度。5）氧化還原電位變化小，可保持蓄電池較平穩(wěn)地進行充電和放電。6）材料在電解液中穩(wěn)定，不溶解，且具有良好的表面結構，能夠與電解質形成穩(wěn)定的固體電解質界面膜。7)價格低，資源豐富，環(huán)境友好。電池電芯——電芯構造隔膜：隔膜是夾在蓄電池正極片和負極片之間，起電子絕緣作用并提供鋰離子遷移微通道的薄膜，是影響蓄電池性能的重要組件。隔膜起著分離正極和負極的功能，避免蓄電池正極和負極直接接觸短路，又能起著鋰離子傳導的功能。目前，應用比較廣泛的隔膜主要有聚乙烯(PolyEthylene，PE)隔膜、聚丙烯(PolyPropylene，PP)隔膜、PP-PE-PP三層隔膜、無紡布隔膜、凝膠隔膜、表面涂覆的復合隔膜等。沒有哪種隔膜能適用于所有的蓄電池材料體系和蓄電池型號。為使動力電池發(fā)揮最佳的性能，需要根據具體的蓄電池設計及蓄電池制造的工藝和設備水平選配適合的隔膜。為保證動力電池的安全性，隔膜的孔隙率不能太高，通常以35%~60%為宜。單體容量較高的能量型蓄電池不宜使用過薄的隔膜；而功率型蓄電池可以考慮孔隙率較高、較薄的隔膜。電池電芯——電芯構造電解質：電解質是鋰離子蓄電池中鋰離子傳輸的載體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導鋰離子的作用。溶有電解質鋰鹽的有機溶劑提供鋰離子，電解質鋰鹽有LiPF6、LiClOg、LiBF_等，有機溶劑主要由碳酸二乙酯(DiethylCarbonate，DEC)、碳酸丙烯酯(PropyleneCarbonate，PC)、碳酸乙烯酯(EthyleneCarbonate，EC)、碳酸二甲酯(DimethylCarbonate,DMC)等中的一種或幾種混合組成。優(yōu)良的鋰離子蓄電池電解液應滿足以下要求：1)液態(tài)溫度范圍寬，在-30~80℃范圍內為液體。2)有較高的離子電導率，室溫下應大于6mS/cm。3）對電極、隔膜的潤濕性好。4)電化學穩(wěn)定性好，電化學窗口較寬。5）與正、負極材料兼容性好，能形成穩(wěn)定的固體電解質界面膜。6）熱穩(wěn)定性較好。7)安全性好，不易燃。8)對環(huán)境友好。電池電芯——電芯構造外殼：外殼用于蓄電池封裝，主要包括鋁殼、鋁塑膜、蓋板、極耳、絕緣片等。在鋰離子蓄電池成本構成中，正極材料約占

30%~40%，負極材料約占25%~30%，隔膜約占10%~15%。電池電芯——電芯構型根據鋰離子蓄電池的形狀，可以分為圓柱形鋰離子蓄電池、方形鋰離子蓄電池和軟包鋰離子蓄電池。

圓柱形鋰離子蓄電池電池電芯——電芯構型圓柱形鋰離子蓄電池是指具有圓柱形外殼的蓄電池，如圖3.3所示。特斯拉電動汽車使用的就是圓柱形鋰離子蓄電池。比較典型的圓柱形鋰離子蓄電池有18650、21700和4680等型號。18650蓄電池是日本索尼公司最早生產的一種標準的鋰離子蓄電池型號，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，O表示為圓柱形蓄電池；18650單體蓄電池容量為1.8~3.6A·h，單體蓄電池質量為45~48g；蓄電池系統(tǒng)能量密度達250W·h/kg。

圖3.3圓柱形鋰離子蓄電池21700蓄電池由特斯拉與松下聯(lián)合研發(fā)，21表示蓄電池直徑為21mm，70表示長度為70mm，0表示圓柱形蓄電池；21700單體蓄電池容量為3.0~4.8A·h，單體蓄電池質量為60~65g。據特斯拉披露的數據顯示，21700電池系統(tǒng)的能量密度可達300W·h/kg左右。圓柱形鋰離子蓄電池采用非常成熟的卷繞工藝，生產自動化水平高，批量化生產成本較低，同時保持較好的良品率和成組一致性。小型圓柱電池具有很強的適配性，可根據搭載車型需求進行定制開發(fā)，設計相對靈活。在應用層面，圓柱形鋰離子蓄電池由于其結構特性，成組后單體蓄電池之間保留有一定的孔隙，其單體體積較小，適用于空間不規(guī)則的電池組箱體內，可以充分利用邊角空間。但是實現(xiàn)長續(xù)駛里程目標，相應的蓄電池總能量需求更多，與其他類型的鋰離子蓄電池相比，圓柱形鋰離子蓄電池系統(tǒng)的連接及管控難度較大。另外，圓柱形鋰離子蓄電池的能量密度提高空間很小。電池電芯——電芯構型方形鋰離子蓄電池是指具有長方形外殼的蓄電池，如圖3.4a所示。方形鋰離子蓄電池封裝可靠度高、系統(tǒng)能量效率高、相對重量輕、能量密度較高，且結構較為簡單、擴容相對方便，是當前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項。方形鋰離子蓄電池單體的容量大，系統(tǒng)構成相對簡單，電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較高。方形鋰離子蓄電池軟包鋰離子蓄電池電池電芯——電芯構型軟包鋰離子蓄電池是指使用鋁塑復合薄膜制成外殼的蓄電池，如圖3.4b所示。軟包鋰離子蓄電池采用重量輕且韌度高的鋁塑膜材料，同時單體蓄電池內部裝配有疊片式或卷繞式極芯，其規(guī)格尺寸目前也以定制化開發(fā)為主。軟包鋰離子蓄電池具有以下優(yōu)勢：1）單體安全性好。軟包鋰離子蓄電池鼓氣嚴重時會裂開，可以降低因內壓過大而導致爆炸的風險。2）重量輕。與鋼殼方形鋰離子蓄電池和鋁殼方形鋰離子蓄電池相比，軟包鋰離子蓄電池的重量較輕。3)單位體積電能容量大。與同等規(guī)格尺寸的鋼殼鋰離子蓄電池和鋁殼鋰離子蓄電池相比，軟包鋰離子蓄電池的可容納電能較大。4)設計靈活?？筛鶕蛻粜枨蠖ㄖ仆庑巍＼洶囯x子蓄電池也有缺點，主要包括外殼無剛性、成組固定困難；聚合物長時間會老化斷鏈，導致密封失效漏電解液；單體厚度、極耳厚度因工藝受限，從而影響容量和過電流能力；側面導熱困難，為電池熱管理帶來了挑戰(zhàn)。電池電芯——電芯性能動力電池作為電動汽車的儲能動力源，主要采用電池的性能指標對其進行評價。電池種類不同，其性能指標也存在差異。電壓電池電壓是指端電壓，包括標稱電壓、開路電壓、工作電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。1）端電壓。端電壓是指電池正極與負極之間的電位差。2）標稱電壓。標稱電壓也稱額定電壓，是指電池在標準規(guī)定條件下工作時應達到的電壓。標稱電壓主要由正、負極板材料的電極電位差和規(guī)定條件下的電池內阻決定。磷酸鐵鋰離子蓄電池的標稱電壓一般為3.2V，錳酸鋰離子電池的標稱電壓一般為3.7V。3）開路電壓。電池在開路條件下（沒有負載）的端電壓稱為開路電壓。4）工作電壓。工作電壓是指電池接通充電或負載后處于充放電狀態(tài)下的端電壓。5）充電終止電壓。充電終止電壓是指動力電池正常充電時允許達到的最高電壓，單節(jié)鋰離子電池的最高充電終止電壓多為4.25V。6）放電終止電壓。放電終止電壓是指電池在一定標準規(guī)定的放電條件下放電時，電池的電壓逐漸降低，電池不宜繼續(xù)放電時的最低工作電壓。如果電壓低于放電終止電壓后，電池繼續(xù)放電，則電池兩端電壓迅速下降，形成深度放電。放電終止電壓與放電倍率有關，放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池放出的容量越小。鋰離子蓄電池的放電終止電壓一般為2.0~3.0V。電池電芯——電芯性能容量容量是指完全充電的蓄電池在規(guī)定條件下釋放的總電量，其單位為A·h或mA·h，其值等于放電電流與放電時間的積分。1A·h可簡單解釋為在供電電流強度為1A的電流下能持續(xù)放電1h，也可解釋為在供電電流強度為0.5A的電流下能持續(xù)放電2h。單體電池內活性物質較少一側的可脫嵌鋰離子的總數量決定單體電池含有的電荷量，而活性物質的含量由電池的材料和總量（相同的體積，也會有不同的壓實密度）決定。電池容量可以分為額定容量n、小時率容量、理論容量、實際容量、剩余容量。電池電芯——電芯性能1）額定容量。據GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》顯示，額定容量是指以制造商規(guī)定的條件測得的并由制造商申明的電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)的容量值。2）n小時率容量。n小時率容量是指完全充電的蓄電池以n小時率放電電流(n小時放完電對應的電流)放電，達到規(guī)定終止電壓時所釋放的電量。3）理論容量。理論容量指的是活性物質全部參加電池反應所給出的電量。為了比較不同系列的電池，常用“比容量”的概念，即單位體積或單位質量電池所能釋放的理論電量，單位為A·h/L或A·h/kg。4）

實際容量。據GB38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》顯示，實際容量是指以制造商規(guī)定的條件，從完全充電的電池單體、模塊、電池包或系統(tǒng)中釋放的容量值。5）

荷電狀態(tài)(SOC)。荷電狀態(tài)是指蓄電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值，反映蓄電池電量變化的特性。SOC=1表示蓄電池充滿狀態(tài)。隨著蓄電池的放電，蓄電池的電荷逐漸減少，可以用SOC值百分數的相對量表示蓄電池中電荷的變化狀態(tài)。對蓄電池SOC值的估算已成為蓄電池管理的重要環(huán)節(jié)。電池電芯——電芯性能.內阻電池的內阻是指電流通過電池內部時受到的阻力，包括歐姆內阻和極化內阻。1）歐姆內阻。歐姆內阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內阻及各組件的接觸電阻組成。此外，電池的歐姆內阻還與電池的尺寸、結構、裝配等因素有關，如果結構合理、裝配緊湊，則電極間距小，歐姆內阻也小。2）極化內阻。電池極化是指在電池工作過程中，由于電流的流動導致電極電位偏離平衡電極電位的現(xiàn)象。極化內阻是指電池的正極和負極在進行電化學反應時由極化引起的內阻，包括由電化學極化和濃差極化引起的電阻。極化內阻與電極和電解液界面的電化學反應速度及反應離子的遷移速度有關。特別是與電池的工作條件密切相關，放電電流和溫度的影響很大。放電電流不相等，產生的電化學極化和濃差極化均增大，使得極化內阻增大。在低溫下，極化內阻也會增大，因此，極化內阻不是一個常數，而是隨放電制度、放電溫度等的變化而變化。內阻是決定電池性能的一個重要指標，直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出的能量和功率等，希望電池的內阻越小越好。電池電芯——電芯性能能量動力電池的能量是指在一定放電制度下電池所輸出的電能，單位為

它影響電動汽車的續(xù)駛里程。電池的能量分為總能量、理論能量、實際能量、比能量、充電能量、放電能量等。1）總能量?？偰芰渴侵鸽姵卦趬勖芷趦容敵鲭娔艿目偤汀?）理論能量。理論能量是指在一定標準規(guī)定的放電條件下，電池輸出的能量，其值等于電池的理論容量與額定電壓的乘積。3）實際能量。實際能量是指在一定條件下，電池所能輸出的能量，其值等于電池實際容量與平均工作電壓的乘積。4）

比能量。比能量是指單位質量或者單位體積的電池所給出的能量，稱為質量比能量（單位為W·h/kg）或者體積比能量（單位為W·h/L）。電池的比能量是綜合性指標。5）充電能量。充電能量是指通過充電機輸入電池的電能。6）放電能量。放電能量是指電池放電時輸出的電能。電池電芯——電芯性能功率電池的功率是指在一定放電制度下，單位時間內電池所輸出的能量，單位為W或kW。電池的功率決定了電動汽車的加速性能和爬坡能力。比功率是指從單位質量或單位體積電池獲取的輸出功率，也稱為功率密度，單位為W/KG或W/LO電池電芯——電芯性能.輸出效率動力電池作為能量儲存器，充電時把電能轉換為化學能并儲存起來，放電時釋放電能。在這個可逆的電化學反應過程中，有一定的能量損耗，通常用電池的容量效率和能量效率表示。電池電芯——電芯性能電池電芯——電芯性能.自放電率電池電芯——電芯性能.放電倍率

電池電芯——電芯性能.使用壽命使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內部短路或損壞而不能使用以及容量達不到規(guī)范要求時，電池的使用壽命終止。電池的使用壽命包括日歷壽命和循環(huán)壽命。日歷壽命是指電池可供使用的時間，包括電池的存放時間。循環(huán)壽命是指電池可供重復使用的次數。除此之外，成本也是一個重要指標。電動汽車發(fā)展的瓶頸之一就是電池價格太高。電池電芯——電芯制造技術以磷酸鐵鋰電池為例，將電池各種原材料進行加工，并組合形成電池產品，必須建立一系列生產工藝來對其質量加以保證，同時制定合理的生產工序以保證生產過程合理。鋰電池生產工藝復雜、工序繁多，而且不同的電池類型、不同的生產廠家，鋰電池的生產工藝流程都有一定的差異，每一項工序都對電池性能有影響?？傮w來說，鋰電池的基本生產工藝流程分為前、中、后三個階段，前段工序的目的是將原材料加工成為極片，核心工序為涂布；中段工序的目的是將極片加工成為未激活電芯；后段工序是檢測封裝，核心工序是化成、分容，如圖3.5所示。圖3.5單體鋰電池生產的基本工藝流程

電池電芯——電芯制造技術.極片制作(1)配料極片的制作步驟如圖3.6所示。首先對采購來的正負極活性材料、導電劑、黏結劑等原材料進行嚴格的檢驗。檢查好鋰電池的制作材料后，將不同比例粉末狀的正負極活性物質、導電劑、黏結劑等材料按照一定順序倒入真空攪拌罐，經過一定時間的高速攪拌后混合均勻，調制成漿狀的正負極材料。攪拌過程中要盡量保證沒有氣泡產生，正負極活性物質顆粒間靠黏結劑黏結在一起，攪拌效果直接影響電池性能。在配料過程中，活性物質、導電劑和黏結劑的配比對電池的各項性能（如電池的比容量電壓、內阻、循環(huán)壽命等）有很大的影響，正負極材料的配比也是目前國內外相關機構的研究熱點。電池電芯——電芯制造技術制漿注意事項如下：1）攪拌時間的長短要考慮設備性能、材料配方和加入量。2）在攪拌的間歇過程中注意刮邊和刮底，確保分散均勻。3)漿料應從高往低逐步調整固體含量。4)出料前對漿料進行過篩，除去大顆粒以防涂布時造成斷帶。5）漿料不宜長時間擱置，以免其沉淀或均勻性下降。負極制漿時可適當升高攪拌溫度，降低攪拌濃度，提高流動性和分散性，降低分散難度。此外，石墨與黏結劑溶液的極性不同，不易分散，可先用醇(乙醇、異丙醇)水溶液初步潤濕，再與黏結劑溶液混合。圖3.7所示為真空行星攪拌機電池電芯——電芯制造技術涂布涂布階段是將制成的漿料均勾涂覆在金屬箔的表面并烘干，分別制成正、負極極片。涂布的主要目的是將穩(wěn)定性好、黏度好、流動性好的漿料，均勻地涂覆在正負極表面上。其對鋰電池的重要意義主要體現(xiàn)在一致性、循環(huán)壽命、安全性三方面。在涂布過程中，若極片前中、后三段位置正負極漿料涂層厚度不一致，或者極片前后參數不一致，則容易引起電池容量過低或過高，且可能在電池循環(huán)過程中形成析鋰，影響電池壽命。涂布過程要嚴格確保沒有顆粒、雜物、粉塵等混入極片中，如果混入雜物會引起電池內部微短路，嚴重時導致電池起火爆炸。因此，為使中段的卷繞工藝盡可能粗細均勻、緊密，要求正負極的涂布誤差盡可能小。涂布機的先進程度會直接影響電池化學性能的優(yōu)劣，以及最終產品的良品率(電池廠家通常要求在99%以上)。輥涂工作原理如圖3.8a所示，其中輥涂機由涂布輥、背輥、刮刀輥及其驅動系統(tǒng)組成。將漿液加入料槽中，涂輥和背輥同時轉動，背輥上的漿液就會轉移到有片的涂布輥上，從而把漿液均勻涂覆在電極板上，通過調整刮刀與背輥之間的間隙可以調節(jié)漿液轉移量的多少。箔片運行速度、箔片的張力、涂布輥的制造精度、轉動速度和平穩(wěn)性、烘于的溫度等參數將會直接影響涂布的質量，進而影響鋰電池的各項性能。電池電芯——電芯制造技術極片制作工藝是制造鋰離子動力電池的基礎工藝，對設備的精度、智能化水平、生產性能的可靠性等要求非常高。目前，鋰離子動力電池行業(yè)已經普遍采用狹縫式擠壓涂布技術。狹縫式擠壓涂布是一種先進的預計量涂布技術，送入擠壓模頭的流體全部在基材上形成涂層，對于給定的上料速度、涂層寬度、基材速度，可以較精確地預估涂層涂布量，而與漿料流體的流變特性無關。狹縫式擠壓涂布是一種預定量涂布方法，其工作原理如圖3.8b所示。通過螺桿泵將一定流量的漿料從進料口泵入模頭內部流道并形成穩(wěn)定的壓力，最后將漿料從狹縫出口擠出，涂覆在移動的箔材（由涂布輥帶動）上，形成厚度均勻的濕涂層。電池電芯——電芯制造技術圖3.9為一臺涂布機，對漿料的涂布厚度可以精確到3μm以下，以80m/min的速度均勻涂抹到銅箔的正反兩面，而涂布前的銅箔厚度只有6μm，可以用“薄如蟬翼”來形容。較高質量極片的特征為極片表面平整、光滑，敷料均勻、附著力好、干燥，不脫料、掉料和缺料，無積塵、劃痕和氣泡等。電池電芯——電芯制造技術輥壓涂布完成且對極片烘干后，需要通過輥壓機對極片進行輥壓，使極片上的活性物質與箔片變得更加致密、緊湊并將極片壓實到合適的密度和厚度。在輥壓過程中，輥縫間隙的調整直接影響成型后的電池活性顆粒間距?；钚灶w粒間距過小，活性物質粒子之間距離太過于緊密，電子導電性更強，但是離子移動通道變窄，不利于電荷容量的發(fā)揮，也會影響后續(xù)的疊片或卷繞工藝的質量。活性顆粒間距過大，活性物質與箔片之間的黏附性將大幅下降，極片在電解液中浸泡一段時間后黏附性將進一步下降，并將導致活性顆粒間距增大，有利于鋰離子移動，但不利于電子導電，放電極化增大?；钚灶w粒間距合適時，活性物質與電解液將充分接觸，有利于活性物質參與電化學反應，宏觀表現(xiàn)為電池內阻減小。輥壓機示意圖如圖3.10所示。電池電芯——電芯制造技術分切需將輥壓好的電極帶按照不同電池型號，切成裝配電池所需的長度和寬度。電池是分正負極的，極耳就是從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，通俗地說，就是電池正負兩極的耳朵，是在進行充放電時的接觸點。極片分切設備如圖3.11所示。最后采用分切機將極片裁剪成合適的大小和形狀（也稱為分條），并充分管控毛刺（這里的毛刺只能在顯微鏡下看清楚）的產生，這樣做的目的是避免毛刺扎穿隔膜，產生嚴重的安全隱患。涂膜膜片經冷壓分條后，極片邊緣容易出現(xiàn)波浪邊，如圖3.12所示。對應圖3.12中的六種波浪邊的類型和機理簡述見表3.1。電池電芯——電芯制造技術電池電芯——電芯制造技術圖3.13所示為兩種壓實密度出現(xiàn)的分條收卷波浪現(xiàn)象，圖中左側的壓實密度是3.606g/cm’-128.5μm，右側的壓實密度是3.952g/cm’-118μm，可見密度越大，收卷波浪越明顯。電池電芯——電芯性能圖3.14為軋制過程中受力變形情況，軋制極片越到邊緣應力越大，極片邊緣也變薄，導致邊緣延展不均勻，出現(xiàn)波浪。電池電芯——電芯制造技術電芯裝配(1)卷繞/疊片電芯裝配有疊片和卷繞兩種不同的工藝，采用疊片機或卷繞機將正、負極和隔膜制成電芯對的過程是電池生產過程的關鍵工序。疊片式電芯如圖

3.15所示，是通過手工或夾具將正極極片、隔膜、負極極片規(guī)則地層疊在一起，之后將多個極耳一起焊接成為裸電芯。先進的視覺檢測設備可實現(xiàn)自動檢測及自動糾偏，確保電芯極片不錯位。電池電芯——電芯制造技術卷繞是將裁剪好的正、負極片、隔膜先按順序疊放，然后按照卷繞的方式形成卷繞體。卷繞與疊片各有優(yōu)缺點，這兩種工藝支撐的電芯在電池內阻、電阻壽命、電芯內部受力情況等方面對比見表3.2。電池電芯——電芯制造技術從理論上講，卷繞式電芯的內阻較高，不適合大電流充放電，倍率不如疊片電芯。但疊片式電芯的工藝更復雜，極片焊接過程也較難操作，所花費的成本也比較高，沒有卷繞式電芯的產品一致性高。在生產過程中，需要根據自身條件和電池要求來選擇合適的工藝，進而確定極片分切和后面的焊接、組裝等工藝。卷繞機如圖3.16所示。電池電芯——電芯性能(2)熱壓無論在卷繞中或者Z型疊片中，必須對隔膜施加一定的張力，以確保正極片、隔膜、負極片之間的整齊程度。然而工藝過程中的張力會使隔膜在走帶方向被拉長，隔膜在走帶方向的收縮量很大，會使得隔膜嚴重擠壓極片，從而導致電芯在組裝工藝（特別是卷繞工藝）后發(fā)生變形。變形后的電芯不僅外觀平整度差，內部還會存在隔膜褶皺等缺陷，這會導致容量低、循環(huán)性能差及自放電快等質量問題。尤其是卷繞較厚的電芯，卷繞后的變形問題尤為突出。另外，松散狀態(tài)的電芯厚度一致性也差，會影響電芯入殼工藝，增加入殼工藝的難度，甚至導致入殼時電芯損傷。電池電芯——電芯制造技術對電芯熱壓整形的主要目的包括：1）改善鋰離子電池的平整度，使電芯厚度滿足要求并具有高的一致性。2）消除隔膜褶皺，趕出電芯內部空氣，使隔膜和正負極極片緊密貼合在一起，縮短鋰離子擴散距離，降低電池內阻。對于方形電池，熱壓機裝置如圖3.17所示，上下模板就是平板，在壓力作用下平板合模平整電芯。而對于圓柱電池，熱壓整形裝置是固定在底座上產生相向運動的兩個氣缸，在氣缸活塞桿尾端帶有柱形槽的兩個半圓模，半圓模柱形槽的半徑相等且等于或小于預設卷芯半徑。利用機械手或夾具夾持卷芯放置在兩個半圓模的中心位置處，控制兩個氣缸帶動兩個半圓模合模相向運動，使得兩個半圓模對卷芯進行擠壓，從而將卷芯整形到預設的尺寸，使之能夠放入與之相匹配的外殼內。電池電芯——電芯制造技術(3)烘焙、注液與封口首先要去除水分。水分是電池系統(tǒng)的大敵，為了減少濕度對電池性能的影響，需要對制成的電芯通過真空干燥箱進行再次干燥除水。電池烘烤工序就是為了使電池內部水分達標，確保電池在整個壽命周期內具有良好的性能。最后在手套箱中將電解液加入干燥后的電芯并進行靜置，使電解液充分浸潤極片，之后采用真空封口機將電芯完全封住，注液過程需要嚴格控制水分、氧氣等環(huán)境條件在規(guī)定的范圍內，一般需要在充滿工業(yè)氮氣的手套箱中進行操作。電池電芯——電芯制造技術.分容配組分容配組的流程主要包括以下四道工序。(1)電池化成在分容配組過程中，首先通過充放電方式將其內部正負極物質激活，同時在負極表面形成一層良好的鈍化層，即固體電解質相界面(SEI膜)，這就是化成工藝。這實際上就是對電池進行第一次充電的過程，如圖3.18所示。電池電芯——電芯制造技術SEI電池電芯——電芯制造技術產氣不僅在首次充放電過程中產生，并且在隨后的兩次循環(huán)中還會繼續(xù)產生，隨著循環(huán)次數的增加，產氣量逐漸減少。化成反應在首次充放電過程時進行得并不完全，在后續(xù)的充放電過程中還會持續(xù)進行，這是電池需要進行后續(xù)老化的主要原因之一。水分含量影響電池厚度，在電池封口以后，對于含水量較高的電解液，后續(xù)化成過程中產生大量的

Hz和CO2可能不容易溶解于電解液，會引起電池發(fā)生氣脹；而對于含水量較低的電解液，第二次循環(huán)以后產生少量CzHy氣體可以溶解到電解液中，不會導致電池發(fā)生鼓脹，同時水分過多還會導致電池首次不可逆容量增大。電池電芯——電芯制造技術電池電芯——電芯制造技術(2)電池分容

形成穩(wěn)定SEI膜后還需進行電池分容，分容測試即檢測電芯容量。分容是對電池進行充電放電，檢測分容充滿時的放電容量，來確定電池的容量。只有測試的容量滿足或大于設計容量的電池才是合格的。這個通過容量測試篩選出合格電池的過程叫分容。如圖3.20所示，電池的化成和分容通常集成在一個化成分容檢測柜中完成。(3)電池檢測

化成和分容后，還需經過X-射線檢測、絕緣檢測、焊接檢測、容量測試等一系列“體檢過程”，對電芯進行檢測（包括外觀及性能檢測、氣密性檢測、耐久度檢測等)，并得出各個電芯的各項性能參數。電池一致性檢測如圖3.21所示。(4)電池分揀及包裝

根據上一步驟獲得的性能參數，分揀出合格產品，并對其進行包裝；對于不合格產品，將其置于不合格分類區(qū)，待進一步處理。制造好后的每一個電芯都具有一個單獨的二維碼，記錄著生產日期、制造環(huán)境、性能參數等。強大的追溯系統(tǒng)可以將任何信息記錄在案，如果出現(xiàn)異常，可以隨時調取生產信息。同時，這些大數據還可以針對性地給后續(xù)改良設計提供數據支持。PART2電池模組電池模組

電池模組可以理解為鋰離子電芯經串并聯(lián)方式組合，加裝單體電池監(jiān)控與管理裝置后形成的電芯與電池包的中間產品。其結構必須對電芯起到支撐、固定和保護作用。從單顆電芯到電池模組的生產需要多道工序，目前模組生產一般都已經半自動或者全自動化生產。

電池模組一一電池模組構型純電動汽車動力電池的布局主要有網格布局、行狀布局和適應模塊形狀布局三種方式，如圖3.22所示。適應模塊形狀布局可以充分利用純電動汽車的空間，縮小動力電池系統(tǒng)體積，在很多車型上得到應用。電池模塊的尺寸與電池單元的排布關系較大，對于圓柱形鋰離子電池，電池排布包括并行排列和錯位排列。圖3.23所示為兩種排列方式的電池模塊面積。錯位排列電池模塊所占體積較小，但是錯位排列固定較為困難，且有研究表明錯位排列的電池模塊電池的溫度均勻性較差?；诠潭ê蜕岬目紤]，電池單體采用并行排列的方式。電池模組一一電池模組連接動力電池作為電動汽車的能量來源，需要根據實際輸出的電壓和容量要求，將幾百個單體電池通過串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)的形式組成蓄電池組才能使用。串聯(lián)的主要目的是增加蓄電池電壓；并聯(lián)的主要目的是增加蓄電池容量；混聯(lián)的主要目的是既增加蓄電池電壓，也增加蓄電池容量，是常用的一種組合方式。電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接電池模組一一電池模組連接常見純電動汽車動力電池的成組方式(1)北汽EU260動力電池的成組方式EU260動力電池的實物如圖3.32所示，該動力電池的成組方式如下：電芯數量共270顆，其中3并3串(3P3S)，共6個；3并6串(3P6S)，共12個，這樣總共18個電池模組分別串聯(lián)后形成動力電池總成。也就是說，總的成組方式是3并90串(3P90S)，單體電池標稱電壓為3.65V，電池總成標稱電壓為330V。(2)比亞迪e5動力電池的成組方式

比亞迪e5采用磷酸鐵鋰電池，如圖3.33所示，2016款比亞迪e5的動力電池由13個動力電池模組串聯(lián)構成，動力電池總電壓為653.4V,總電量為

動力電池包高壓接口分別與13號電池模組的正極、1號電池模組的負極相連接；6、7、8號電池模組分別位于5、4、9號電池模組的上方；12號電池模組位于11號電池模組的上方；13號電池模組位于1號電池模組的上方。電池模組一一電池模組連接大眾ID.4動力電池的成組方式

如圖3.34所示，大眾ID.4動力電池主要有兩個電池版本，一個版本是9個模組，另一個版本是12個模組，單體電池均為方形。9模組的動力電池容量為62kW·h，每個電池模組的成組方式為2P12S，由韓國LG公司生產。12模組的動力電池又分為兩種，一種是由寧德時代(CATL)生產的，每個電池模組采用2P8S的成組方式，主要搭載在一汽大眾生產的ID.4車型上；另一種是由韓國LG公司生產的，容量為82kW·h，每個電池模組的成組方式為3P8S，主要搭載在進口大眾ID.4車型上。一汽大眾ID.4CROZZ搭載的動力電池的容量為84.8kW·h、電壓為352V，每個模組的成組方式是2P8S(2并8串)，12個電池模組按照圖3.34中的順序依次串聯(lián)形成電池包。如圖3.35所示，每個電池模組的內部成組方式為2P8S，共12個模組，電池包的總成組方式是2P96S。電池模組一一電池模組連接(4)吉利EV450動力電池的成組方式

吉利EV450使用的是三元鋰離子方殼電池，由95個單體電芯組成，動力電池總成內部包括10個1P6S電池模組和7個1P5S電池模組，額定電壓為346V，電池能量為52kW·h，采用水冷方式對電池進行冷卻。如圖3.36所示，靠近高壓配電箱有2層共6個電池模組，均為1P5S，上層1個模組，下層5個模組；靠近動力電池后部有兩層共10個模組，均為1P6S，上層5個模組，下層5個模組，如圖3.37所示；動力電池中間有1個1P5S電池模組，從而形成動力電池總成1P95S的成組方式。電池模組一一電池模組制造技術從簡單的一顆電芯到電池包的生產過程也是相當復雜的，需要多道工序，一點不比電芯的制造過程簡單。1.工藝流程(1)上料

將電芯傳動到指定位置，機械手自動抓取送入模組裝配線，如圖3.38所示。在寧德時代的車間內從自動搬運材料到設備喂料，100%實現(xiàn)了自動化。(2)等離子清洗

涂膠前需要對電芯表面進行清潔，去除灰塵，保證電芯表面清潔度，提高粘接強度，如圖3.39所示。電池模組一一電池模組制造技術(3)涂膠

電芯組裝前，需要進行表面涂膠。涂膠除了固定作用以外，還能達到絕緣和散熱的目的。寧德時代采用國際上最先進的高精度涂膠設備以及機械手協(xié)作，可以以設定軌跡涂膠，同時實時監(jiān)控涂膠質量，確保涂膠品質，進一步提升了不同電池模組的一致性，如圖3.40所示。(4)端板與側板的焊接

電池模組多采用鋁制端板和側板焊接而成，通過機器人進行層壓和端板、側板焊接處理，如圖3.41所示。電池模組一一電池模組制造技術(5)線束隔離板裝配

焊接監(jiān)測系統(tǒng)準確定位焊接位置后，綁定線束隔離板物料條碼至生產調度管理系統(tǒng)(MES)，生成單獨的編碼以便追溯。打碼后通過機械手將線束隔離板自動裝入模組。如圖3.42所示。(6)完成電池的串并聯(lián)——激光焊接

通過自動激光焊接，完成極柱與連接片的連接，實現(xiàn)電池串并聯(lián)，如圖3.43所示。方形電芯模組工藝如圖3.44所示，其中導電連接要點是鋁巴與電芯電極配合度，電芯膨脹力需要鋁巴有伸縮量設計。電池模組一一電池模組制造技術軟包電芯模組工藝（以GMVolt為例）如圖3.45所示。18650圓柱形電芯模組工藝（以Tesla為例）如圖3.46所示。電池模組一一電池模組制造技術典型案例華數錦明是華中數控(SZ300161)旗下的子公司，是一家專注于工業(yè)機器人研發(fā)和系統(tǒng)集成的科技型制造企業(yè)。該公司的動力電池全自動模組電池包生產線先后供給國軒高科、天津力神、寧德時代等國內知名動力電池企業(yè)。2018年其動力電池全自動模組生產線出口至美國，同年12月，創(chuàng)造出國內生產速度最快的21700圓柱電芯模組生產線，單條生產線電芯處理速度可達到330PPM°。該公司的方形電池模組自動化裝配生產線包括電芯上料、電池處理檢測、電芯堆疊、側縫焊接、Busbar激光焊接、模組測試等功能，可以實現(xiàn)基于智能機器人的柔性化、信息化制造。全程采用信息采集模塊，對整套生產線進行全程監(jiān)控，中央控制系統(tǒng)全程控制生產過程；生產過程采用機器人技術代替人工生產，極少數工位設置人工干預，自動化程度高，單線處理能力可達20~60PPM。該公司的大圓柱電芯模組生產線主要圍繞4680圓柱電芯模組，包括電芯掃碼、OCV測試、等離子清洗、電芯Block堆疊、Block堆疊、模涂膠、模組氣密測試、CCS焊接、FPC焊接、模組電性能測試等整套生產流程。單條產線電芯處理能力可達100PPM，產線具有柔性、高穩(wěn)定性、節(jié)約設備占用空間的技術特點。該公司的軟包電芯模組生產線包括電芯處理（上料、檢測、極耳裁切/折彎/檢查/清洗、貼膠、貼泡沫等）、電芯堆疊（電芯配組、電芯緩存、極性檢查等）、極耳焊接（匯流排安裝、FPC安裝、FPC焊接、焊后檢查等）、模組裝配模涂膠（端側板安裝焊接、上下蓋安裝焊接、焊后檢測等)、模組測試下線(EOL測試、容量測試、尺寸檢查、模組靜置、模組下線等）等生產流程，主要包括測試、涂膠、焊接等工藝。單條產線電