新能源汽车动力蓄电池组成技术介绍

一、术语解释

根据 GB/T 19596—2017的定义，动力蓄电池系统（动力蓄电池包）是指一个或一个以上 蓄电池包及相应附件（蓄电池管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成）构成的为电动汽车整车的行驶提供电能的能量存储装置。

单体蓄电池是将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括 电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电的，也称作电芯。单体蓄电池在物理结构上是构成动力蓄电池包或动力蓄电池系统的最小单元，可作为一个单元替换。

一组并联连接的单体蓄电池，可能包含监测电路与保护装置（如熔断器等）。

注意：蓄电池电芯组没有固定的封装外壳、电子控制装置，且没有确定的极柱布置，不能直接应用到车辆上。

将一个以上的单体蓄电池按照串联、并联或串并联的方式组合起来，并作为电源使用的组合体，也称作蓄电池组。

监视蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态等），可以为蓄电池提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备间通信接口的系统。

用于盛装蓄电池组、蓄电池管理系统以及相应的辅助元器件，并包含 机械连接、电气连接、防护等功能的总成，简称蓄电池箱。

通常包括蓄电池组、蓄电池管理系统、蓄电池箱及相应附件（冷却部件、连接电缆等），具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元。蓄电池包的生产流程如图1所示。

图1  蓄电池包的生产流程

在纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车中，单体蓄电池难以满足电压需求，需要将若干个蓄电池单体和模块通过串并联的方式组合成蓄电池包，蓄电池成组技术如图2所示。串联可以增加电压，但是容量不变；并联可以增加容量，但是电压不变。

图2  蓄电池成组技术

蓄电池的连接方式通常用××P ××S表示。例如：3P91S表示由3个单体电池并联成一组，共有91组串联在一起；1P100S，表示由100个单体电池串联而成。

北汽EV160 纯电动汽车的电芯组成方式是1P100S，即将100个磷酸铁锂单体电池串联在一起，组成了车辆的动力蓄电池组；而北汽EV200纯电动汽车的电芯组成方式是3P91S，即该电池包是由3个三元锂电池单体并联组成一个模块，再用91个这样的模块串联成一个整体，构成了动力蓄电池总成。

组合的电池数量越多，电池组的可靠性越差。在进行电池组合时，应采用同一系列、同一规格的电池，这就是常说的电池均衡问题。动力蓄电池的一致性差是指一组电池内，单体电池之间出现的剩余容量差异过大、电压差异过大等情况，从而导致新能源汽车的续航能力下降。造成动力蓄电池组内单体电池一致性差的主要原因有以下几点：

1 ）生产工艺差异

由于电池材料、存放时间、生产工艺等原因，导致各单体电池之间不可避免地存在差异。改善电池的生产制造工艺，从生产上尽可能保证电池的一致性，使用同一批次的电池进行配组，这种方法有一定效果，但无法完全解决一致性差的问题。电池组使用一段时间后，仍会出现一致性差的问题，如果不能及时处理， 则问题会愈加严重，甚至会发生危险。

2 ）温度差异

在新能源汽车上，蓄电池的安装位置不同，热环境也存在一定的差异；即使是在同一位置的电池，由于通风条件的不同，也会导致单体电池之间的温差，造成电池包温度不均匀，还有可能出现局部高温的情况。

3 ）放电倍率差异

同一种电池具有相同的放电倍率，随着电池的使用容量会产生变化，导致最佳放电电流不同。

4 ）放电深度差异

放电深度是表示蓄电池放电状态的参数，等于实际放电容量与可用容 量的百分比。新能源汽车的续驶里程主要是由动力蓄电池的容量决定的，电池放电深度的不同会导致一致性变差。

5 ）可用容量差异

在充电过程中，容量偏小的电池将提前充满电，为使电池组中其他电 池也能够充满电，小容量电池必将出现过充电现象。如果为了避免小容量电池发生过充电而提 前结束整个蓄电池系统的充电，则会导致其他容量偏大的电池处于欠充电状态。这种情况不仅 会影响电池组的充电过程，还会影响电池的使用寿命，甚至会带来安全隐患。动力蓄电池组一 致性差的成因及其传递过程如图3所示。

图3  动力蓄电池组一致性差的成因及其传递过程

单体电池通过并联、串联或串并联方式成组后，作为一个整体对外工作时的安全问题是新能源汽车的核心问题，也是整个社会都极度关注的问题。电池安全是电池技术 实现革命性突破的第一重点，也是促进纯电动汽车性能提升的关键。关于动力蓄电池系统的安全问题，概括起来有8个方面。

1 ）电芯安全。

通过电芯、电池模块标准化来改善电芯安全。在设计方面，把电芯的设计问题集中暴露出来并集中处理，生产设备的标准化程度也会相应高一些。通过标准化，可以把优秀的设备配套商和零配件配套商的经验向行业推广，这样可以整体提高电池行业的安全技术 水平。电芯标准化可以减少低层次劳动的重复，对电芯的安全性能有很大的提升，更多厂商做同一个标准的电芯，电芯成本会下降，安全性会提高。

2 ）成组安全。

相对于单体电池来讲，锂电池成组应用是新能源汽车的关键。新能源汽车的动力蓄电池需要由多只单体电池串并联组成，此时成组应用一致性差的问题就会凸显出来。即使是在电池出厂时一致性偏好的情况下， 只要在新能源汽车特有工况环境（电池在电动汽车上的摆放位置不同、温度场不同等）下应用一段时间， 因电池组串并联引起的电化学特性的改变就会显现出来，从而导致电池组中某一单体电池由于过充电或过放电等原因率先失效，影响电池组的安全性和循环寿命。动力蓄电池系统热管理功能的设计，对保证电池成组后的安全性非常重要。温度对电池电压的影响很大，热管理功能设计得好，热量均衡，BMS便可对每个电芯做精确的检测、管控和预警。

3 ）电池管理

动力蓄电池管理系统（BMS）是对新能源汽车动力蓄电池组进行安全监控及有效管理的装置。它能够提高新能源汽车电池的使用效率、增加续驶里程、延长使用寿命、降低运行成本、提高电池组可靠性，进而有效提升新能源汽车整车品质。BMS主要由控制模 块、均衡电源模块和检测模块三部分构成。

4 ）设计安全

目前，将镍钴锰三元电池作为乘用车动力蓄电池的主流技术路线，在我国新能源汽车产业中已得以确立，原本二分天下的磷酸铁锂电池已逐步“黯然退出”。

采用磷酸铁锂动力蓄电池的新能源乘用车在2017年之后的市场上已经很少见到；而在对动力蓄电池安全性要求非常高的公共交通领域，磷酸铁锂电池依然占重要地位，虽然其单体成组效率高、工作温度范围宽泛、在400℃以上依然不会出现大面积热失控，但依然无法与强大的产业政策相抗衡。

2017年，在我国新能源汽车动力蓄电池行业，镍钴锰三元电池普遍采用的是配方比例为1∶1∶1的镍钴锰三元正极材料，动力蓄电池的单体能量密度约为 170W ·h/kg ；

到2018年，全行业的镍钴锰三元配方比例变成了5∶ 2∶3，动力蓄电池的单体能量密度约为210W·h/kg ；而在2018年即将结束的时候，国内某动力蓄电池龙头生产企业迫不及待地宣布将大规模投产配方比例为 8∶1∶1 的镍钴锰三元电池，动力蓄电池的单体能量密度将超过300W ·h/kg。

高镍三元电池的良品率、内阻一致性、焊接工艺、散热系统效能以及BMS等中的任何一项有问题， 都会导致极其严重的后果。各种电池材料、电池结构均有优缺点，对安全性的影响程度也不相同，只要设计科学、制造精密，在一定程度上都可以制造出安全性可以接受的动力蓄电池。

关注公众号，获取新能源汽车知识!

5 ）充电安全

新能源汽车使用中的安全问题是事关用户生命财产安全和产业发展的底线，而为车辆充电是用车过程中的重要环节。充电安全主要涉及信息安全、电气安全和消防安全三个方面。

① 信息安全。充电场所中的扫码充电存在信息安全隐患。目前，通过扫描二维码来完成充 电设施的启停和充电的支付结算是很多充电运营企业的选择，如果运营企业仅是将一张打印好 的二维码张贴到充电桩上供用户使用，这样的方式是存在信息安全隐患的。

② 电气安全。新能源汽车的公共充电设施需要面向近百家车企的数千个车型提供充电服 务，大多存在“高压带电、放置室外、无人值守”的现象。充电设备本体的安全风险逐渐得到 了人们的重视，可以通过充电设备硬件电路的设计来降低风险。例如，使用带有保护功能的电 气元件来降低风险，通过软件来监测是否超限、过充电等。在绝缘防护、漏电保护和充电过程 绝缘监测等方面加强风险管控，防止人身触电。

③ 消防安全。消防安全始终贯穿整个充电过程以及充电场地的全生命周期。在 GB/T 51313— 2018 《电动汽车分散充电设施工程技术标准》中，就消防安全问题进行了较为详细的阐述和规定。

6 ）使用安全

通过使用防火材料，或在防火结构上做防火隔热处理等方式，延缓热失控的扩散过程。增加烟雾检测、化学成分检测、温升检测等环节，通过检测发现早期单体热失控，并给驾驶人和乘客发出警报，提醒人员逃生。

目前，电动客车国家标准正在推动增加灭火装置，在整车设计方面要增加安全逃生装置。新能源汽车和传统燃油汽车不一样，动力蓄电池是车辆的唯一动力来源，在车辆发生严重故障的情况下，如果通过切断供电电路的方式进行控制，车门有可能会打不开。所以在整车设计上，如果能增加可以快速、方便打开的逃生门或者其他逃生装置，将是一个可行的选择。

7 ）安全预警

根据新能源汽车国家标准，可以通过互联网把整车控制器（VCU）收集到的BMS信息上传到云端进行大数据分析。监控平台不断收集新能源汽车的工况数据、报警数 据、诊断数据等并进行实时分析，向用户提供精准报警推送和智能预警分析结果。当新能源汽 车出现安全问题时，通过预警装置可以提醒驾驶人靠边停车，提高了安全预警的可靠性。

8 ）日常维护

现在新能源汽车的一些问题源自没有日常维护标准或国家强制检测标准。传统燃油汽车都有强制检测，而新能源汽车作为新生事物，其安全性、可靠性还没有达到传统燃油汽车的级别。究竟是每隔3个月、6个月，还是1年进行维护检测，应该检测哪些项目（系统密封性、电气可靠性、连接可靠性等），都缺少相关的标准。