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电动汽车没它不行!大众汽车讲师详解动力电池

车东西

图1

4月25日消息,大众开展了“电动汽车动力电池科普”线下活动,大众汽车学院通过原电池实验、现场教学、现场问答等方式,深入浅出地讲解了汽车动力电池知识,并介绍了大众混动车与纯电动车电池的特点。

一、电池发展历史及分类

开场前,大众汽车学院讲师陈庆贵让在场观众做了一个原电池发电小实验,利用镁片和碳片在电解液中的反应,形成外部电流点亮小灯泡,这一趣味实验让大家对原电池的发电原理有了初步的直观认识。

图2

随后,他详细介绍了汽车动力电池的发展历史、不同种类电池、不同外形电芯各自的优缺点以及大众PHEV(插混汽车)和BEV(纯电动汽车)所使用的电池特点。

图3

1799年,伏特完成了世界首次电池实验,并制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。在那以后,碱性电池、镍镉电池、铅酸电池、镍氢电池、锂金属电池依次被研发出来。

图4

诸多种类的电池大体上被分成化学电池、物理电池、生物电池三类。

其中,化学电池最常用,分为一次电池、二次电池、燃料电池。仅能使用一次,不能充电的电池被叫做一次电池,而汽车中使用的是二次电池,可多次充放电。

依据正极材料的不同,二次电池又分为:镍铬电池(NiCd),镍氢电池(NiMH),铅酸电池(Lead-acid battery),锂离子电池(Lithiumion Battery)。

陈庆贵对这四种电池分别做了讲解:

1、镍镉电池

镍镉电池是一种非常理想的直流供电电池,可实现重复 500 次以上的充放电,经济耐用。其内阻小,可快速充电,又可为负载提供大电流,并且放电时电压变化很小。

它最大的缺点是有记忆效应,如果上一次用了80%电量,还剩20%电量时就充电,那么充满后下次使用也只能放出80%电量。

2、铅酸电池

铅酸电池是一种经典的车载蓄电池,目前仍在广泛使用。它以 Pb 为电池负极、PbO2 为电池正极,电解液采用30%的H2SO4溶液。

放电时,电池正极得到电子,负极失去电子;充电时,电池正极失去电子,负极得到电子。其反应方程式为:

图5

车载铅酸电池电压通常为12V,由6块2V的铅酸极板串联组成。传统的铅酸电池为湿蓄电池,使用过程中会有水分蒸发导致电解液浓度变化,需要定期加水和电解液来维护。

后来出现了增强型富液式蓄电池(EFB)与玻璃纤维蓄电池(AGM),解决了铅酸电池水分蒸发的问题,不再需要加液维护。

3、镍氢电池

镍氢电池比镍镉电池具有更高的能量密度,它以 Ni(OH)2为正极材料,以金属氢化物为负极材料(即储氢合金或储氢电极),电解液采用6mol/L的氢氧化钾溶液。其反应方程式为:

镍氢电池电池的优势还在于不含有毒金属,并且没有记忆效应,其电解液以固体形式存在,电池更加安全。

4、锂离子电池

锂离子电池是新一代电池,也是目前最常见的电池,广泛应用于充电宝、手机、电动汽车中。

它以碳材料(石墨、软碳、硬碳等)作为负极材料,以锂的金属化合物作为正极材料,电解液采用锂盐溶剂。

锂离子电池依据正极材料的不同,分为钴酸锂LCO、镍酸锂LNO、锰酸锂LMO、磷酸锂铁LFP、镍钴铝酸锂NCA、镍钴锰酸锂NCM等,依据三种元素的配比,又分为NCM 611、NCM 811等型号。

图7

充电时,电池接入外部电源,电源正极加在阴极上,电源负极加在阳极上,锂离子Li+从正极脱出,在负极中嵌入,负极处于富锂状态,储存电势能。

放电时,电池接入外部负载,锂离子Li+从负极脱出,在正极中嵌入,释放充电时储存的电势能。由于这一工作原理,锂电池又被形象地称作摇椅式电池。

锂离子电池仅含有少量水分,且无记忆效应,能量密度超过镍镉电池的两倍。

二、几种主流电池类型优缺点对比

1、四种电池性能对比

电池的主要性能指标包括:电压、容量、内阻、能量、能量密度、功率、使用寿命等。大众汽车学院依据这些指标,对四种电池的性能做了对比:

图8

可以看到,锂电池具有电压高、比能量高、循环寿命长、每月自放电率低、安全性高、充电速度快等优点,但缺点是使用成本非常高,几乎是铅酸电池的3倍。

2、三种锂离子电芯外形对比

依据电芯外形,锂离子电池可分为圆柱电池、软包/聚合物电池、方壳电池。

图9

它们的优缺点是:

1、圆柱:尺寸小、组成灵活、功率和能量密度高、适合大规模标准化生产且一致性好,缺点是成组后散热性差、电池管理系统复杂。

2、软包/聚合物:内阻小、尺寸灵活、重量轻、能量密度高、不会发生爆炸,缺点是强度低、封口工艺复杂、一致性差、无防爆装置、易漏液。

3、方壳:散热好、易组装、可靠性好、含防爆阀,缺点是能量密度较低(外壳占了很大重量)、尺寸固定、成本高、型号多(各厂商型号不统一)。

陈庆贵介绍称,大众使用的是方壳电池,并参与了相关标准的制定,其方壳电池的组装流程如下所示:

三、电池单体两种连接方式

电动车的电池模组是由多个电池单体通过串联/并联的方式连接起来的。两种连接方式的总输出是相同的,但输出的电压电流大小不同。

并联电池单体,输出电压较低(多个相同电源并联不增加电压),安全性更高,但输出电流会比较高,需要更粗的电缆,难以在车上布置,并且更高的电流会带来更大的电芯发热量。

串联电池单体,输出电流较低,可以使用更细的电线,但输出电压更高,安全性较差,安全防护成本会大大增加。

图11

多个电池模组(8/16/27个等)又通过串联、并联、混联等方式构成了一块大的电池包,即电动车底部的那一大块动力电池,一般动力电池总电压控制在300-400V左右。

那么,大众汽车旗下新能源车的电池包采用了哪种形式呢?

1、大众途观GTE(PHEV)中的电池包

由12个电池单体(每个单体3.7V)串联组成电池模组,每个模组电压约为3.7×12=44.4V,

再由8个电池模组串联组成电池包,总电压约为44.4V×8=355.2V(鉴于电池内部还有其他损耗,这种算法仅做参考)

2、大众BEV中的电池包

由12个电池单体(每个单体3.6V)混联组成电池模组,分大小两种。

大模组中,前三个单体与后三个单体采用并联,中间六个单体采用串联,模组总电压仅为14.4V,输出的电流更高。小模组的总电压更低,为7.2V。

再由16或27个大小模组串联组成电池包,整体上为“土”字型结构。

在公开课的最后,陈庆贵回答了为什么大众PHEV采用液冷技术,而BEV采用风冷技术的问题。

他解释到,PHEV为插混车,汽车底盘上有内燃机和排气管,电池会受到更大的热辐射,并且PHEV的电池包结构比较紧凑,散热困难,因此采用液冷技术。

而对BEV(纯电动汽车)来说,汽车底盘上没有内燃机和排气管的热辐射,其电池包结构更宽松,散热更好,因此采用风冷技术。

来源:车东西

本文地址:https://www.d1ev.com/news/pinglun/90402

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