1.电动汽车动力电池系统技术介绍与分类

1.电动汽车动力电池系统技术介绍与分类

1.1 电动汽车发展的三个 “黄金时代”

1. 第一个黄金时代（19 世纪末 - 20 世纪初）
   • 技术基础：铅酸蓄电池发明（1859 年），推动电动三轮车（1873 年）、四轮车（1890 年）出现，1915 年美国电动汽车保有量达 5 万辆。
   • 衰落原因：内燃机汽车因石油大规模开采、启动机发明（1912 年），在成本、续航、便利性上占据优势。
2. 第二个黄金时代（20 世纪 70 年代）
   • 驱动因素：石油危机（1973 年油价上涨两倍）、环境污染（洛杉矶光化学烟雾、伦敦雾霾）倒逼对清洁能源汽车的探索。
   • 局限：仍依赖铅酸电池，能量密度低（约 30Wh/kg），续航短（64-96km），未实现大规模商业化。
3. 第三个黄金时代（20 世纪 90 年代至今）
   • 关键突破：锂离子电池技术成熟（能量密度高、循环寿命长），丰田普锐斯（1997 年，镍氢电池）、特斯拉 Model S（2012 年，锂电）等车型推动产业化910。
   • 中国地位：2016 年新能源汽车销量 50.7 万辆，保有量超 100 万辆，居全球第一。

1.2 电动汽车Pack产品定义

1.2.1 动力电池系统介绍

动力电池系统：（也可以称为动力电池包，battery pack）

​ 动力电池系统是一个电能存储装置，通常由电池组、机械部件、热交换组件、电子控制单元，以及必要的线束、开关、熔断器和连接器构成。

主要功能：是通过电能和化学能的相互转换，来实现电能的存储和释放。

1.2.2 传统燃油、混动和纯电汽车中的电池

​ 在传统的燃油车中，有一个 12V或者 24V的蓄电池组，一般采用铅酸蓄电池，主要为车载电子电气设备供电，并为车辆启动时的发动机点火提供足够的脉冲电流。这个电池组的功能较为简单，不需要存储很多的电能，也不需要持续的大电流充放电，所以尺寸较小，结构简单，要求低成本，免维护，可靠耐用，使用寿命一般在3年左右。

​ 在混合动力汽车和纯电动汽车产品中，除了传统的车载蓄电池组之外，还会多出一个更大的、功能更丰富的、结构也更为复杂的动力电池系统。按照所存储电能的大小，有几百Wh的Pack，有几kWh的 Pack，也有几十kWh甚至几百 kWh 的 Pack。有以下区别：

• 按照其在整车上的功能，有参与制动能量回收的，有提供辅助动力输出的，有与发动机联合驱动的，也有直接提供动力驱动的。
• 按照其采用的储能单元，有采用铅酸蓄电池的，有采用镍氢电池的，有采用锂离子电池的，也有采用其他类型电池的。
• 从在整车上的布置来看，有与传统的12V或 24V铅酸蓄电池融为一体的，有安装在发动机舱的，有安装在尾舱或后备箱的，有安装在车辆底盘的，也有安装在车顶的。
• 从电压平台看，有12V和48V这样的低压系统，也有 100~800V的高压系统。
  

1.3 动力电池系统的分类与特点

1.2.1 按储能电池类型划分

电池类型	结构特点	优势	劣势	应用场景
铅酸蓄电池	铅电极 + 硫酸电解液	成本低、电压稳定	能量密度低、循环寿命短和维护频繁	早期电动汽车、传统车启动电池
镍氢电池	镍氧化物正极 + 金属氢化物负极	能量密度较高（60-80Wh/kg）、可快速充放电、循环寿命长、记忆效应很小以及无污染	成本高、重量大	笔记本电脑、便携式摄像机以及电动自行车等领域。电动汽车领域主要应用于混合电动汽车
锂离子电池	锂金属氧化物正极 + 碳负极	能量密度高（150-300Wh/kg）、寿命长（1000 次 +）、无污染、大倍率	成本较高、需 BMS 管理	当前主流，纯电 / 插混车型

1.2.2 按功能分类（从 “弱混” 到 “纯电”）

1.2.2.1 微混系统（如 12V 启停）

• 介绍：早期的微混系统，比较典型的产品是12V启停(start-stop)系统，对汽车减排有一定的效果,特别是在拥堵的城市工况中,能够减少 5%左右的二氧化碳排放。通过 12V 铅酸蓄电池实现发动机启停功能，在车辆停止（如红灯）时自动关闭发动机，起步时快速重启，减少怠速能耗。
• 优点：
  • 在拥堵路况下可节油 5%~10%，主要通过减少怠速时间实现减排。
  • 采用 12V 铅酸蓄电池，容量较小（通常几十安时），结构简单、成本低，主要为启停电机和车载电子设备供电，无需复杂的电池管理系统。
• 缺点：功能单一，仅优化怠速工况，对高速或畅通路况节油效果有限，是内燃机汽车向新能源汽车过渡的初级技术。

1.2.2.2 油电混动（HEV）

• 定义：HEV(hybrid electric vehicle)，即混合动力汽车(包含轻混和强混类型)，是指配备2个以上驱动装置(动力源)的车辆，工作原理如图 1-16 所示，目前以发动机和电动机的组合为主流。在行驶的低速区发挥力量的电动机，和在高速区发挥力量的发动机相互补充，以最佳效率充分发挥组合装置的驱动性能，使低油耗低排放和强劲动力行驶一举两得。（不属于新能源汽车，还是燃油车的范畴）。

  在燃油汽车向真正的“新能源汽车”发展的过程中，由于电池技术的落后，无法满足用户的续航里程需求，使得纯电动汽车的发展陷入极大的瓶颈之中，同时迫于传统燃油汽车市场上的挤压，电动汽车的发展就面临巨大的挑战。这个时期，工程师们就研发出一个二者兼顾的动力装置，那就是混合动力装置。这个动力装置其实就是将电动机与辅助动力单元（一般为小型的发动机）组合在一辆汽车上组成驱动系统。它不同于传统的仅以燃油作为动力来源的汽车，它是两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成汽车的动力系统。

• 核心功能：搭载电机与发动机双动力源，电机辅助发动机驱动（如起步、加速时提供扭矩），并回收制动能量，无外接充电接口，电池电量完全依赖车辆运行中的能量回收和发动机余功充电。

• 节油效果：轻混系统节油 10%~20%，强混系统可达 20%~35%，通过优化发动机工作区间（如避免低速低效运行）实现高效节能。

• 电池特点：多采用镍氢电池或锂离子电池，容量较小（1~5kWh），注重功率密度以支持频繁充放电，循环寿命要求高（通常 10 年以上）2。例如丰田普锐斯采用镍氢电池组，由 168 节 1.2V 电池串联，总电压 201.6V，容量 1.3kWh。

• 技术特点：需复杂的动力耦合系统（如丰田混联式、本田并联式），协调发动机与电机的工作模式，实现动力与效率的平衡。

• 代表车型：丰田普瑞斯，丰田雷凌，丰田卡罗拉等。

• 分类：混合动力汽车的混合动力结构形式分为三种，分别是并联式、串联式以及混联式(图 1-17)。串联式混合动力汽车，由发动机驱动电动机并由电动机驱动车轮，发动机不能直接驱动车轮，因此只有一种工作模式。并联式混合动力汽车，由发动机和电动机共同驱动车轮，也可两种动力分开驱动，但是不能在驱动状态给电池充电。混联式混合动力汽车，可单独依靠电动机或发动机行驶，也可使用两种动力联合驱动，还能一边用电力驱动，一边给电池组充电，兼有串联式和并联式的优点，但是系统结构和运行策略也最为复杂。
  

1.2.2.3 插电式混动（PHEV）

系统结构：分为并联式、增程式、混联式：

• 并联式：发动机与电机可共同驱动车轮，结构相对简单，成本较低。
• 增程式：电机直接驱动车轮，发动机仅发电，无需变速箱，如理想 ONE 早期车型。
• 混联式：兼具串联和并联优势，可灵活切换工作模式，但结构复杂、成本较高。

1.2.2.3.1 并联式混动（PHEV）

• 定义：并联式混合动力汽车属于混合动力汽车中带插电式功能的车型，与传统油电混动汽车相比，最大的区别或许就是增加了“插电”二字。说白了就是在传统混动汽车基础上增加了一套给汽车电池连接电网充电的系统。这种模式综合了纯电动汽车和混动汽车的优点，既可实现纯电动、零排放行驶，也能通过混动模式增加车辆的续驶里程。**如果说油电混动是在油车基础上加上电机和电池来实现省油，那么插电混动更像是在电车基础上加上内燃机来解决里程焦虑。**插电混动汽车一般配备两种驱动系统，不仅有传统燃油汽车的发动机、变速箱、油箱等部件，还有纯电动汽车的电池、电动机等部件。能够实现真正的一车两用，而且在使用燃油驱动时还可以利用发动机带动电机反转给电池充电，变相提升了燃油的利用效率。
• 优点：
  • 插电式混合动力车型在有充电桩的时候可以单独使用电力驱动，当没有充电设备时还可以使用燃油驱动，它们的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出，所以没有功率浪费的情况。在电车领域，它的续航时间充足，又不受充电限制，还能享受新能源汽车政策优惠。
  • 一般PHEV车型会有纯电模式、纯油模式、混合驱动模式可供选择，混合驱动就是拥有传统油电混动汽车的优点的一种模式。
• 缺点：
  • 一辆车内要集成电动车、燃油车两套完整的动力系统，势必造成插电式混合动力汽车的成本较高、结构复杂、重量较大，相对于单纯的燃油车和电动车又有一些劣势。
  • 插电式混合动力车型因为有大容量电池和电机的存在，所以一般整车一般自重较大，不论是电驱还是燃油驱动都会增加相应的行驶成本。纯油模式下无法保证发动机始终处于良好状态运行，所以油耗会较高。
• 代表车型：比亚迪秦，唐，汉，宋系列，上汽荣威系列，领克PHEV系列等。

​ 我们平时所说的插电式混合动力汽车、并联式混合动力汽车，并联式插电式混合动力汽车其实指的都是这种电力和燃油两驱方式的汽车，所谓并联式就是电力系统和燃油驱动系统的联合形式在驱动上互不干扰，又有功率叠加的属性，所以动力性能会更优秀。

1.2.2.3.2 增程式混合动力系统（SHEV）

• 定义：增程式电动又叫做串联式混合动力，属于电动汽车类别。这一类插电混合动力，严格来说仍然是电动车。车内只有一套电力驱动系统，包括电机、控制电路、电池，其工作原理如图 1-19 所示。增程式插电混合动力车的电动机直接驱动车轮，发动机则用来驱动发电机给电池进行充电。因为发动机并不直接驱动车轮，因此也不需要变速箱。这相当于在普通的电动车上装载了一台汽油/柴油发电机，用来在电量不足的时候，给电池组充电。增程式电动汽车有助于新能源汽车产业发展，国标定义下属于电气化程度更高的纯电型PHEV中使用串联构型的一类。

• 优点：

  • 具有电动车行驶安静，提速快的优点，在充电方便的使用环境下，可以当做纯电动车使用，不用加油，使用成本很低。
  • 由于车辆有发动机发电，在无法进行充电的情况下，可以通过加油站加油来获得动力，也就是说只要有加油站，这类车辆就可以一直行驶(一直是依靠发电机的输出动力行驶，因为发动机的输出动力只是给发电机发电使用)。
  • 相比其他插电混合动力模式，增程式混合动力可以不用变速箱，成本略低。
  • 发动机不直接驱动车轮，所以发动机的转速和车轮转速、汽车速度没有直接关系，通过控制系统优化，可以让发动机移植工作在最佳转速，即使在充电不便时，市内堵车路况下油耗也比较低，发动机噪声也可以控制的非常小。

• 缺点：

  • 由于发动机和发电机并不直接驱动车轮，造成了这部分功率的浪费，而发动机和发电机的重量并不减少，比如一辆增程式插电混合动力汽车发动机功率50KW，发电机功率50KW，电动机功率100KW，整车携带了总功率200KW的发动机和电机，但是能驱动车轮的功率只有100KW。
  • 在高速路况下，油耗反而会偏高。在高速路况下，如果是发动机直接驱动车轮，可以让车辆保持最佳的工作状态，但增程式插电混合动力汽车需要一个转换过程，转换本身就消耗能量，造成油耗会偏高。

• 适用场景：适合充电条件有限但需高频短途出行的用户，纯电模式满足日常通勤，长途依赖燃油无续航焦虑10。

1.2.2.3.3 混联式插电混合动力系统（PSHEV）

• 定义：混动式汽车当中，根据是否可以外接充电接口，分为插电式和非插电式，根据系统组成可分为上述的串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车，其实还有一种结合了串联式和并联式的优缺点开发出的一种新车型。被称为混联式混合动力汽车！混联式混合动力汽车和并联式混动汽车一样，都是有两套驱动系统。但不同的是，混联式有两个电机，一个电机专职直接驱动车轮，另一个可以驱动车轮，也可以充当发电机给蓄电池充电。可以实现发电机与一个电动机驱动汽车的同时，用另一个电机来回收制动、怠速时的能量和发电机产生的能量来给电池充电。而并联式由于只有一个电机，因此只有在燃油驱动时才能将电动机当作发电机来给电池充电。
• 优点：混联式同时具有增程式和并联式的优点：
  • 在纯电模式下电动车安静、使用成本低;在增程模式下，没有“里程焦虑”，而且发动机可以一直控制在最佳转速，油耗低，噪声小，振动小；
  • 在并联模式下，两台电机，一台发动机可以一起工作，三者功率加起来具有非常好的起步和加速性能，是一种比较完美的组合。
• 缺点：两台电机、发动机、变速箱一个都不能少，配套的控制电路、电池、传动系统、油路也不能少，总体成本要高于其他类型的插电混合动力，车的总重量也会大一些。而因为要控制两个电机和一台发动机，还有不同的工作模式，控制系统也要相对复杂，这也会提高成本。

1.2.2.4 纯电动（BEV）

• 定义：纯电动汽车是指以车载电源为动力，完全用电机驱动车轮行驶，其动力系统一般就是简单的电动机和电池及其他相关器件，车载电源完全由可充电电池组成，虽然在19世纪中期就已经出现了世界上第一台电动车，但是电池容量，也就是续航里程这个致命的缺点导致纯电动汽车的发展几乎停滞。

  ​ 从燃油车向纯电动汽车的过渡中，混合动力汽车是个很好的跳板，或许在未来燃油、混动、纯电动汽车会共同存在一定的时间，但随着全球不可再生能源的消耗进程，最终的目标还是真正的“新能源汽车”——纯电动汽车！

• 优点：

  • 环保：运行过程中可以做到零污染。
  • 节能省钱：每公里行驶成本低于燃油车。
  • 噪声小：电动机在运行中的噪声和振动水平都要远远小于传统内燃机。
  • 结构简单，维护方便：电动汽车不再需要复杂的传动机构和占据了大量空间的排气系统，维修起来方便很多。
  • 驾驶体验好：起步加速性能更好。

• 缺点：

  • 技术发展还不够成熟
  • 存在续航短
  • 充电时间长
  • 充电网点少
  • 电池寿命衰减快
  • 可靠性和安全性有待提高

1.2.3 按安装位置划分

1.2.3.1 “工“字形和“T”字形

​ 基于燃油车底盘，如 “工” 字型（华晨宝马之诺 1E）、“T” 字型（雪佛兰 Volt），空间利用率低，续驶里程仅可以达到150km。

1.2.3.3 “土”字型:

​ 为了进一步提高里程，就必须要增加整车的电量，土字形电池包可以将电动汽车的续驶里程提升到200-300km。吉利帝豪EV车型便是一款”土“字型电池包。

1.2.3.3 一体式（滑板式）

​ 专为电动车设计，电池平铺底盘（特斯拉 Model S、大众 MEB 平台），空间利用率高，续航提升至 300-600km。

1.4 动力电池系统的关键技术

1.4.1 系统集成技术

​ 电池包（Pack）产品的开发和应用，最为核心的是机、电、热、化这四个方面。

1.4.1.1 机（机械）

​ 电池包装载在汽车上，首先得考虑和满足机械方面的特性。产品需要具有足够的强度和刚度，在震动、冲击等机械载荷下不发生形变和功能异常，在碰撞、挤压、翻滚、跌落等事故状态下有足够的安全防护。

1.4.1.2 电（电子和电气）

​ 因为需要高电压（100-800V）和大电流（± 几百 A）的充放电，电池包有很高的电气载荷要求，对导体截面积、连接抗阻、发热、绝缘、老化等都有非常严格的要求。

1.4.1.3 热（电池包的热管理）

​ 这里有两个层面的含义，首先针对外部环境的热管理要求，可以适应外界环境温度的要求。其次是针对内部的热管理要求，解决充放电下电池包内部产生的热量。

1.4.1.4 化（电化学）

​ 电池的化学机理，应对电芯充放电效率、寿命、安全性优化。

1.4.2 电芯设计及选型

• 电芯设计开发：在电池包产品的设计中，电芯的设计或选型最为关键。具备研发生产能力的企业，会依据客户需求开发特定电芯；多数企业则从市场选择合适的已量产或接近量产的电芯，部分有实力的企业还会推动电芯企业同步开发新产品。

  ​ 在电芯设计和选型工作中，首先要对市场上的主流电芯技术路线、产品性能、产品外形以及产品成本等有大致的了解。其次，我们要从整车和电池包层面的需求开始，采用合理的系统分析方法，逐步推导出电芯的设计需求，来指导我们的电芯设计和选型。

• 选型考虑因素：需综合考量电芯的电性能（能量及功率密度）、外形尺寸、循环和日历寿命、单体成本，同时兼顾技术成熟度、供货周期和产品生命周期等。常见电芯选型的流程如图1-31所示：

1.4.3 结构设计技术

• 电池模组设计：依据电芯型号、模组能量和电流密度等多种因素进行设计，要满足振动、挤压等多项安全要求。

• 电池包箱体设计：考虑电池包的尺寸、强度、接口、能量和功率密度等众多因素，在满足基本功能外，还需达到振动、冲击、密封、绝缘等防护标准。

1.4.4 电池包电子电气设计

• 电气设计：主要针对高低压线束、连接器等电气件进行设计选型，考虑载流能力、接触阻抗等多方面因素。

• 电子设计：主要指电池管理系统（BMS），其作为控制核心，承担数据采集、计算、通信等多种功能，未来还将朝着更智能化的方向发展。

1.4.5 电池包热设计

• 设计目标：有两个目标：控制电芯工作温度和控制不同电芯间的温度差。前者会影响整个电池包的性能和寿命，后者会严重影响电池包内部的短板效应，导致电池组一致性变差。要达到这两个目的，就要考虑加热、散热、热均衡、保温等4个方面的措施。
• 散热与加热方式：散热可采用自然冷却、风冷、液冷、冷媒直冷等方式；加热则有加热膜、PTC、液热等选择，需综合考虑多种因素确定合理方案。

对于电芯而言，最佳的工作温度范围在20～30摄氏度，电池包内部的电芯温度差控制在5摄氏度以内比较合理。

1.4.6 电池包安全设计

• 化学安全：确保电芯在各种工况和环境下的化学及热稳定性，防止电解液泄漏、起火等风险，同时考虑其他组件的化学腐蚀问题 。
• 电气安全：将电气安全放在首位，涵盖绝缘配合、等电位、短路防护等多方面，注重故障自诊断和主动防护。
• 机械安全：针对电池包箱体及内部结构件，确保在各类机械载荷和外部破坏因素作用下，机械特性稳定，消除安全隐患。
• 功能安全：确保电池管理系统在各种故障情况下，不会引发安全系统故障，保障人员和设备安全。

1.4.7 电池包仿真分析技术

• 技术分类：主要包括结构仿真、热流体仿真和电化学仿真，用于验证产品设计的合理性，减少设计变更成本和周期 。
• 应用阶段：在产品开发的不同阶段，综合运用多种仿真方法，快速查找设计问题，提高开发效率，降低成本。

1.4.8 电池包工艺设计

• 装配流程：电池包装配主要包括电池模组装配、电池包箱体装配和下线测试三个阶段，各阶段有不同的关键工艺。
• 工艺目标：确保电池包满足出货要求，同时提高生产效率和产品质量，部分环节可实现自动化生产。