关于新能源汽车电池，你了解多少？一文读懂

智能汽车电子与软件 2024-08-01 17:08

【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的电动汽车应用方案 如何提升高压系统的实时性能?

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一、锂电池

现今流行的新能源汽车中，采用锂离子电池为动力源，是当前可以实现大规模生产的动力电池之一。目前的锂电池有高能量，高功率密度，长寿命和安全可靠性等优点，其他类型的电池还远远达不到要求，且还待商业化和普及。目前的锂离子电池，在巨大的市场需求下，相对来说，在整个社会能源结构中占据重要位置，大有电动车全面取代传统燃油车的未来趋势。

从伏特电池到今天的锂电池，都属于化学反应电池类，可以存储使用。而风、光、水、火等发电，却不方便存储（氢燃料电池又属于存储类电能）。目前，在汽车中应用到的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锂铁离子电池几大类，常用的主要有三元锂电池和磷酸铁锂电池两种。这些化学类的电池的共性，就是端电压不高，需要串联使用而得到高电压。锂电池的原理和伏特电池类似，只不过所用材料不同，其内部的化学反应，比伏特电池的硫酸盐反应能量大得多。

也正是因为锂电池的端电压不高，除了需要串联使用而得到高电压外，单个电池的体积容量也不宜做大。为什么做不大？我们知道伏特电池中，铜（碳棒）、锌电极在硫酸液体中的化学反应，两种不同的金属产生离子电势，在外界负载通路状态中，形成电流。而锂电池也和伏特电池类似，假如锂电池的正极由锂离子生成，负极由碳呈层状结构生成。锂离子从正极“跳进”电解液里，通过电解液“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，运动到负极，与外部负载通路，形成负载电流（实际上是电子的流动）。

电池越大，容量越大，密闭空间内能量越高，散热问题的安全性就越难做，且稳定性差（如电解液浸润性导电的不均匀性、使电流密度不均匀、内部不同位置的温升不同、隔膜承受应力值的大小不同等等），并且，在短路时的电流也非常大、因温升大而爆炸等等，测试很难通过。另外，生产难度和效率方面也有些缺陷。所以一般不会做太大。

早期电动汽车的电池结构是18650电池单体组成（圆柱外形，即指电池的直径为18mm，长度为65mm，O型圆柱体型的电池。内部由正极、负极、有机电解液等构成），再将数千个电池单体并串联在一起构成电池模组。通过将数个电池模组并串联在一起组成一个电池单元，再将数个电池单元并串联在一起，就能构成动力电池的总成。电池包内每一节18650电池两端均设有保险装置，每个电池片和电池砖都有保险装置，一旦发现某一单元内部出现问题，保险装置就会将其切断与其他电池单元的联系，从而避免影响整体电池性能的情况出现。另外，每个电池片之间都有相对独立的空间，由防火墙相隔，即便是单个电池片内部出现了起火的情况，火势也可得到一定控制，不至于迅速蔓延至整个电池包。电池模组间的隔层、有封闭循环的水冷铜管道散热。

在电动汽车的底盘内，装入大量沉重的锂电池组，以稳定车身重心。好吧，认可这种说法。目前市面上主流的电池种类大致归为铅酸电池、镍氢电池、钴酸锂离子电池、锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池（镍钴锰酸锂离子电池）等几大门类。在目前市面上的新能源电动汽车的电池装车量主要由三元锂电池和磷酸铁锂电池两种。

圆柱外形是前阶段的主要形态，如18650型，因为电池内部的有机电解液发热时，圆柱形结构耐压强度高，圆柱体个子小也利于散热。但个子太小，弱点也多，早期特斯拉选18650，也是无米之炊，逐渐过渡到2170（锂电池的体积从1865、2170到4680，能否再做大点呢？目前技术上有难点，也是笔者的期望哦）。现在，宁德时代的麒麟电池系统重量、以及能量密度均继续领先行业最高水平。在相同的化学体系、同等电池包尺寸下，麒麟电池包的电量，相较于特斯拉的4680（圆柱型电芯）系统提升13%。无论是4680电池，比亚迪的“刀片电池”结构，还是宁德时代全新的麒麟电池，都是为了在不增加电池体积和重量的基础上，尽可能的提升电池电量，来满足车程对续航的需求。

磷酸铁锂电池，是指用磷酸铁锂作为正极材料，碳棒或石墨层作为负极材料的锂离子电池。这一类电池的特点是不含贵重金属元素(比如钴等，相对成本低些)。在实际使用中，磷酸铁锂电池具有耐高温，安全稳定性强，价格便宜，循环性能更好的优势。

三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂做为正极材料，石墨作为负极材料的锂电池。一般是采用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂三元正极材料的锂电池，把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整，所以称之为“三元”，包含了许多不同比例类型的电池。

磷酸铁锂电池与三元锂电池相比，优点就是耐高温性能好，安全性高，循环使用次数高，成本低。但与三元锂电池相比，低温性和能量密度稍有逊色。特斯拉进口版采用三元锂电池，而国产化后，也开始采用宁德时代的磷酸铁锂电池。似乎说明北方可以用三元锂电池，南方选用磷酸铁锂电池的理由。但是温度高了，担心电池发生分解，释放出氧原子，再产生剧烈的化学反应，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。温度低了，担心电池乏力、衰减寿命短。左右为难，这就得靠电池的性能和管理来解决了。

电压过低或者电池过放，相变导致电池晶格崩溃从而影响电池的性能。甚至会引起负极集流片溶解在电解质中。极端的过放同样会导致电解质的减少并产生易燃气体并因此造成潜在的安全风险。高电压和过充会破坏正极构成并导致大量的热产生。同样会导致金属锂沉积在负极表面并加速容量衰减和导致电池内部短路并引发安全问题（单电池电压超过4.5V左右电解质开始分解）。

电动汽车的电池，目前最大的痛点是；充电时间长、续驶里程短！另外，除开充电桩不多、蓄电池的多次充放电寿命短、散热和自燃、成本高等，都是问题，相信在近几年内会逐渐得到解决。

电池性能上的改进，目前还存在着很多困难。比亚迪便从电池组结构上着手，开发“刀片电池”可以将电芯呈片状排列，就像是刀片一样。这种长电新方案提升了电芯的重组效率，体积能量密度提升高达50%。低温性能上，防止粒子沉淀，引起电池正负极间刺穿。结构上，能防止震动和碰撞，对电池正负极间隔膜刺穿，防止正负极短路引发的电池发热爆炸。

比亚迪刀片电池

目前，比亚迪的刀片电池目前采用的还是CTP模式，但E3.0平台后续也将采用CTC模式，宁德时代也将于2025年正式推出高度集成化的CTC电池技术。

何为CTC模式？CTC是Cell to Chassis的缩写，即电芯直接集成到车辆底盘上，俗称底盘电池技术，这是零跑汽车首先提出的方案。直接将电芯集成在底板框架内部，将底板上下板作为电池壳体。它是 CTP 方案的进一步集成，完全使用底板的上下板代替电池壳体和盖板，与车身地板和底盘一体化设计，从根本上改变了电池的安装形式。下图是集4680电池、一体压铸车身、CTC底盘技术于一身，新版特斯拉Model Y。

同时，这种电池模组CTC底盘技术，也为一体化压铸铝底盘，或者车身提供了思路、设计、模型、产品广阔的应用前景。比亚迪全球首个八合一电动力总成融合了“驱动电机、电机控制器、减速器、车载充电器、直流变换器、配电箱、整车控制器、电池管理器”八大部件。集成化、智能化，节能化开创了新的里程碑！尽管目前的一体式压铸车身技术还处于起步阶段，尚不成熟。电池模组CTC底盘技术，电池更换的问题，怎么较好的处理？还有，蔚来汽车正在力推的换电模式，能否被新陈代谢呢？总之，新能源汽车的竞争赛道，技术日新月异你追我赶，是政策的扶持还是资本的博弈，总结和科普的篇幅会越来越多，版面和水平有限，没法深入展开了。

22年5月20日，比亚迪全新车型海豹开启预售，随着海豹的预售公布，比亚迪还发布了自己全新技术——CTB。不过比亚迪的CTB会更进一步，因为整个电池都是自己做的，所以可以做到高度融合。

在比亚迪海豹的底盘中，CTB刀片电池包的结构灵感来源于蜂窝铝结构——刀片电池相邻电芯先是紧密排列在一起，一排排的刀片电池组成的结构就如蜂窝芯，再通过上盖板和底板组成类蜂窝结构。长条形的刀片电池密布于电池包中，均匀受力，能够大幅提升电池包结构强度。另外，比亚迪在实验组安排了一次“暴力”实验。能够承受50吨重卡车的碾压。在碾压刀片电池后，电池无冒烟、不起火，电池仍处于安全状态，当该电池包再次装车后，车辆仍可正常行驶。有了CTB技术和e平台3.0的加持，电磁即是能量体又是结构件，优化了空间结构。参与整车的传动力和受力，打造“撞不断的电动汽车”，CTB技术让电动汽车的发展更上一层楼。

对于电动车而言，从最初的直接在燃油车上加装电池，CTP到CTC，再到现在的CTB一体化技术，可以更明显的看到，高度集成化与一体化的设计注必定是纯电动车型的发展趋势。技术发展滚动向前，永无止境！

目前的锂电池容量和实用性价比，在重卡车和商用车的使用中较少。上面说的电池问题，都是指轻便车类和轿车类型车。

相信电池的物理外型会由液态，逐渐过渡到半固态、最后到固态。电池的化学性质也会由一价特性向多价转换。目前的氢、锂离子的电池都属于一价离子电池。锂、钠、钾、銣、铯、钫都属于元素周期表ⅠA族碱金属元素，在物理和化学性质方面有相似之处，理论上都可以作为二次电池的金属离子载体。而锂资源稀缺，钠资源丰富，宁德时代正在开发钠离子电池，其快充性能和低温性能都较锂离子电池优异，还有一个最大的优点是使用性能安全，不易起火，不会爆炸。对比锂电池，钠离子电池资源广泛，制造成本低，产业化难度低等等。

还有正在开发铝空气电池，其技术原理很简单，从空气中吸入氧，与电芯中的水和铝反应生成电能。其优势在于，一旦铝被完全腐蚀，可以为电池更换新的负极（铝板）和电解质。对于消费者而言，只需将用过的电池换成新电池，使用非常方便。

还有诸多优点的钒电池，跟其余化学电源对比起来，钒电池特性就比较明显?譹?訛高安全：不会有爆炸，着火的危险，这是其余电池比拟不了的。储能安全第一位。?譺?訛高效率：它的催化活性高，能量的转换率在75%以上，铅酸电池才45%。?譻?訛高功率：能通过单片电池的数量和面积的增加来增加功率，目前国外运行功率可以达到6兆瓦。?譼?訛瞬间充电：换电解液就能达到瞬间充电。?譽?訛响应快：在运行时放充电切换只要0.02秒。?譾?訛成本低：它绝大部分是廉价的材料，丰富，容易回收，成本低，包括钒。在这些优势下，钒电池在新型储能技术中未来有望实现快速提升。

22年7月19日从蜂巢能源科技有限公司获悉，蜂巢能源全固态电池实验室研发出国内首批20Ah级硫系全固态原型电芯。该系列电芯能量密度达350-400Wh/kg，现已顺利通过针刺、200℃热箱等实验，量产后新能源车可实现续航里程。

1000公里以上。蜂巢新能源采用的是和当前的锂离子电池完全不同的硫化物技术路线，化物作为电解质，并且是全固态电池。固态电池因为使用的是固态电解质，在能量密度、安全性、充电速度、循环寿命等等方面都有着巨大的提升，该系列电芯能量密度达350－400Wh／kg，现已顺利通过针刺、200°C热箱等实验。更为重要的是，它采用的不是传统的锂材料作为正负极和电解质材料，而使用硫物质作为主要的正负极和电解质材料。中国科学院物理研究所博士生导师吴凡表示，硫化物全固态电池或将是主流发展趋势和技术，这是业内共识。欧阳明高院士也曾表示：“硫化物是我们车用全固态电池的主要选择，因为硫化物是这中间离子电导率最好的一种电解质”。目前已报道的硫化物电解质室温离子电导率越来越高，可与商品化锂离子电池所用有机电解液的离子电导率相媲美。硫化物作为主要材料，还有一个好处就是，随着锂材料的价格不断升高，硫化物的使用可以为电池原材料市场降温，硫资源的储量也要比锂资源更高。蜂巢能源是长城汽车旗下的子公司，主要负责新能源动力电池的研发工作，2021年4月，蜂巢能源无锡锂电创新中心与中国科学院宁波材料技术与工程研究所共建固态电池技术研究中心，致力于推动固态电池技术转化落地。随着蜂巢能源旗下的硫化物固态电池的问世，可以预见的是，电动汽车的续航会进一步提升，而充电慢、寿命短、安全性等问题，也会在一定程度上解决。

还有若干未经商业化的科研电池，正在研发中……长江后浪推前浪，不管电池技术怎样的开发和商用，进步或突破，迟早会普及使用，并带来全新的电池革命！

据22年06月的最新情况来看，成都至上海的G42高速公路上的国家电网充电桩，充电一次跑四五百公里没问题，所花时间大约不到一个半小时。下车充电时，伸伸腿弯弯腰，在服务站上的小卖部喝杯饮料，再方便方便，差不多刚好充好。

2022年7月2日据新浪财经最新消息报道择录于后；公开资料显示，麒麟电池系统集成度创新高，能量密度可达255Wh/kg，可实现整车1000公里续航，支持5分钟快速热起动，10分钟快充。据说是以800V级高电压方案来实现的，将会使充电功率突破400kW，预计会实现充电5分钟，续航200-300km，将大幅缓解充电焦虑。过去，宁德时代充电慢，带来的续航焦虑是制约电动汽车行业发展的一大痛点。据机构统计，2021年，支持快充的热销车型平均理论充电倍率约为1C，即实现SOC30%-80%需要充电约30分钟、续航约219km（NEDC标准）。而在实践中，大部分纯电动车实现SOC30%-80%需要充电40-50分钟、可行驶约150-200km。若加上进出充电站的时间（约10分钟），纯电动车花费约1小时的充电时间仅能在高速路行驶约1个多小时。

据国家推荐标准《电动汽车传导充电系统》，直流充电输出电流范围优先选择80A-250A。此外，受限于硅基IGBT功率器件的耐压能力，目前已上市的大多数电动车搭载400V电压平台。按此标准，电动车峰值充电功率约为250A×400V=100kW。即100kW级功率充电10分钟大约补充16.7kWh的电量，对应可行驶100km。这是过去存在的问题，而最近几年，锂电池技术出现了逆天突破，续航里程年年增长，充电速度越来越快。尽管宁德时代尚未公布关于电池快充技术的细节（据说是麒麟电池颠覆了传统水冷，全球首创电芯大面冷却技术。基于电芯的变化，将水冷功能置于电芯之间，使换热面积扩大4倍、电芯控温时间缩短至原来的一半。这意味着，麒麟电池支持5分钟快速热启动及10分钟快充。），但据业内人士分析称，该技术或与宁德时代日前发布的CTP3.0麒麟电池做配套。公开资料显示，麒麟电池系统的集成度创新高，能量密度可达255Wh/kg，可实现整车1000公里续航，支持5分钟快速热起动，10分钟快充。

据报道，22年下半年，宁德时代“M3P电池”已经开始量产，明年将推向市场运用。根据机构的研报，M3P电池是以磷酸铁锂电池的结构作为基础，通过掺杂锰、镁、锌、铝等金属元素中的两种，在部分铁元素点位上形成替代，这样可以获得更好的充放电容量和循环稳定性，以改善充放电容量及循环稳定性。从而生成磷酸盐体系的三元材料，也是三元，

称为“M3P电池”。被业界认为是继磷酸铁锂电池和三元锂电池后的第三大动力电池方向，是宁德时代基于新型材料体系研发的电池，其能量密度高于磷酸铁锂，成本优于三元电池。被认为是最有希望替代磷酸铁锂和三元锂电池的动力电池。其成本显著低于高镍三元锂电池，在中低端车型拥有广阔的应用前景。，其需求将迎来3年内55倍爆发式的增长，有望改变未来技术发展的格局。

电动车的核心技术，是动力电池！

每一个燃油车消费者最关心的就是发动机，而电动车消费者最关心的则是动力电池。宁德时代的麒麟“M3P“电池，比亚迪的刀片电池，全部都是目前世界先进水平，始终引领整个行业的最高标准。这两家的动力电池销量，在2022年1~5月，全球的市占率，已经达到了46%。

在燃油车领域，合资引进多年，始终没有自己的核心技术，只有搞新能源汽车，才能绕过发达国家在发动机、底盘和变速箱上的技术壁垒，中国汽车行业才有希望实现“弯道超车”。而动力电池领域的技术突破，受到业界、民众、和政策的支持，确实是弯道超车！

动力电池的超快充技术，涉及到包括超电子网、快离子环、各向同性石墨、超导电解液、高孔隙隔膜、多梯度极片、多极耳、阳极电位监控等等方面技术。带动一大片产业，在所有工业部门里，汽车制造业是辐射最广，带动上下游产业最多的一个分类，因此有工业皇冠的美称。

二、氢燃料电池

受锂电池目前在续航和充电时间长这两个痛点上的影响，也即能量密度的问题。短时间内，锂电池的这两个痛点，不可能迅速解决（尽管硫系全固态电池已问世，但还没有商业化）。那么，氢燃料电池又被提到议事日程上了。氢燃料电池完全克服了锂电池的短板，且与传统汽车相比，氢燃料电池车能量转换效率高达60~80%，是内燃机的2～3倍。氢燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出，等等优点。

了解一下氢燃料电池的原理，就知道其优缺点了。

氢气从氢燃料电池的阳极板（负极）出发，经过聚合物电解膜中的催化剂（铂）的作用，氢分子中的两个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达氢燃料电池阴极板（正极）。而电子是不能通过质子交换膜的，电子经外部电路，到达氢燃料电池阴极板，从而在电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氢离子和空气中的氧原子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供给氢，给阴极板供给空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。氢燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。

氢燃料电池的关键材料，是聚合物电解膜中的催化剂铂金属。铂金属材料价格本身昂贵，且在使用中消耗快，这就使得氢燃料电池的价格不菲。看来，突破氢燃料电池贵金属的消耗，氢燃烧产生电能效率的技术难题，交换膜、隔层、催化剂等是降低成本的首要问题！丰田公司在对氢燃烧时与氧气间的紊流处理，热循环的熵值等技术攻坚，对贵金属的腐蚀减少和燃烧效率提高，有了很大的进步。

尽管我国工业氢气副产品，石化或煤制氢的产量很多，但氢气的提纯和储气、高压液态储氢气技术、车载液态储氢罐、加氢气站的分布等（一种新的储氢技术，氢化物固态储氢的方式，正在加速研究和发展），有技术难度和费用的问题，更是配套和服务的普及问题。一样也不能少，也都是一时半会儿所不能普及的。目前，国内加氢站不普及，没法与充电站相比。另外，氢消耗单价远高于充电费用。氢燃料电池使用的方方面面问题，仍在探索和普及进行之中。

2021年广州现代汽车推出了全新一代NEXO氢燃料电池。搭载的第4代氢燃料电池堆，比上一代的电池堆体积更小，功率反而提高20%，永磁同步电机作为直接动力输出源，最大功率和扭矩分别是120kW、395N·m，配合三个储氢罐，在五分钟的充氢时间后拥有超过800km的续航里程。

下图车展会上的氢燃料电池车，长安深蓝C385汽车，是属于氢燃料电池系统，国内首款量产的自主轿车。广汽、红旗也都推出了相应的产品。

目前，氢燃料电池单体输出电压比较低，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用。从而让电压可以适配一定的高压，以便逆变器驱动动力电机。如果把动力电池的容量再适当放宽，换一个角度来说，氢燃料电池堆当作发电装置。当储电不足时，再起动发电对动力电池充电。变成了增程方式了，增加了一套燃气装置，成本上升，也不妙。

那么，到底是纯电动汽车好呢，还是氢燃料电池车好？目前的性价比来说，氢燃料电池车的购置费用和使用费用，相对要高一些。从能量密度角度的使用情况来说，重卡车和商用车使用的多些，充电用的锂电池负荷不及氢燃料电池，即目前的锂电池容量和实用性价比，没法在重卡车和商用车使用。最终，谁能突破瓶颈，带来技术革命，使之性价比领先？从现在的形势来看，氢燃料电池正在奋起直追，发展的下一阶段，似乎燃料电池要取代充电电池。