电动汽车动力电池技术研发核心：提高功率密度、能量密度、使用寿命及降低成本

电动汽车动力电池技术研发核心：提高功率密度、能量密度、使用寿命及降低成本

自电动汽车诞生以来，提高动力电池的功率密度、能量密度、使用寿命、降低成本一直是电动汽车动力电池技术研发的核心。电池应用过程是将电能输入转化为化学能储存再以电能形式输出的能量转换过程。

1、动力电池基本结构

电池是把化学反应释放的能量直接转换成直流电能的装置。要实现化学能转化为电能的过程，必须满足以下条件：

化学反应中失去电子的氧化过程（发生在负极）与获得电子的还原过程（发生在正极）必须在两个独立的区域内进行，这与一般的氧化还原反应不同。

两个电极必须是离子导电材料。

化学变化过程中电子的转移必须经过外电路。

动力电池基本结构

（1）正极：通常由正极活性物质、导电剂、粘结剂组成。正极活性物质可以是氧化物、钴酸锂等，视电池类型而定。

（2）负极：负极也包括负极活性物质、导电剂和粘结剂等，在锂离子电池中，通常采用石墨作为负极活性物质。

（3）电解质：电解质是正极与负极之间的介质，通常为液体或固体形式。它使离子在充电和放电过程中在正极和负极之间移动，完成电荷的转移。

（4）隔膜：隔膜用于将正极与负极隔开，防止短路。它通常是一种多孔材料，允许离子通过，但阻止电极直接接触。

（5）外壳（）：电池通常封闭在外壳或壳体内，以提供机械保护并封装电池的内部组件。外壳通常由金属或塑料制成。

（6）安全阀：用于维护电池内部安全的装置，通常用于封闭的电池系统，特别是在高压或高温环境下使用。其主要作用是当电池内部产生过大内压时泄压，防止电池过热甚至爆炸。

（7）端子：通常由金属或合金制成，是电池内部的重要部件，用于连接电池的正极和负极，将电池与外部电路连接起来，并有助于传导电流和维持电池的稳定性。

2.动力电池分类

根据正负极材料的特性和电化学成分，电动汽车使用的动力电池有三种常见的分类方法。不同类型的电池具有不同的性能、优点和局限性。为特定应用选择合适的电池类型需要考虑多种因素，包括能量密度、成本、循环寿命、安全性和环境因素。

3.动力电池充电功能

电池充电一般应完成3个功能：

①尽快使电池恢复到额定容量。即在保证电池容量恢复的前提下，充电时间越短越好。

②消除电池在放电和使用过程中造成的不良后果，即修复因深度放电、极化等损坏的电池性能。

③对电池重新进行充电，以克服电池自放电带来的不良影响。

动力电池充电过程

4.典型动力电池充电方法

不同类型的动力电池，其充电方式可能有所不同，根据充电设备的性能和特性，充电方式也可能有所不同。本文主要介绍以下8种充电方式。

（1）恒流充电（ ）

恒流充电法是通过调节充电装置的输出电压或改变串联在电池上的电阻来保持充电电流强度恒定的充电方法。这种方法控制简单，但由于电池可接受的电流量随着充电过程的进行而逐渐减小，在充电后期，充电电流大多用于电解水并产生气体。此时电能不能有效地转化为化学能，大多以热能的形式消耗掉。

恒流充电曲线

（2）恒压充电（ ）

恒压充电过程中，充电电源电压始终保持恒定。充电初期，电池电动势较小，因此充电电流较大，对电池的寿命影响很大，易造成电池极板弯曲，造成电池报废；充电中后期，由于电池极化的影响，正极电位变高，负极电位变低，因此电动势增大，充电电流过小，造成长期充电不足，影响电池寿命。

恒压充电曲线

（3）阶段充电方式

它包括各种充电方式的组合，例如先恒流后恒压充电法、多阶段恒流充电法、先恒流后恒压充电法等。最常用的充电方式是先恒流后恒压充电法，例如铅酸电池和锂离子电池常常采用此方法充电。

（4）脉冲充电法

先用脉冲电流给电池充电，然后停充一段时间，再用脉冲电流给电池充电，重复这个循环，间歇的脉冲给予电池更充足的反应时间，减少气化量，提高电池的充电电流接受率。

脉冲充电曲线

（5）TM快速充电方式

TM快速充电方式最早应用于镍镉电池充电，缓解了镍镉电池的记忆效应问题，大大缩短了电池快速充电的时间。

TM充电法一个工作周期包括正向充电脉冲、反向瞬时放电脉冲和停止充电三个阶段，与脉冲充电相比增加了负脉冲的思路，这种充电方式近年来也被广泛应用于其他类型的电池中，以提高充电速度，减少充电过程中的极化。

TM充电方式

（6）变电流间歇充电法

变电流间歇充电法是在恒流充电和脉冲充电的基础上改进而来，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。

充电前期：各阶段采用变电流间歇充电方式，保证充电电流增大，获得大部分充电容量。

充电后期：利用恒压充电阶段获取过充电量，使电池恢复到满充电状态。

通过间歇性停止充电，电池化学反应产生的氧气和氢气有时间重新结合并被吸收，浓差极化和欧姆极化自然消除，从而降低电池内压，使下一轮恒流充电能够更加顺利地进行，让电池吸收更多的电量。

可变电流间歇充电法

（7）可变电压间歇充电方式

在可变电流间歇充电法的基础上，提出了可变电压间歇充电法，如图3-12所示。可变电压间歇充电法与可变电流间歇充电法的区别在于第一阶段不是间歇恒流，而是间歇恒压。

可变电压间歇充电方式

（8）变电压变电流波型间歇正负零脉冲快速充电法

综合脉冲充电法、TM快速充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法的优点，开发并应用了变电压变电流波型间歇正负零脉冲快速充电法。

如下图所示，波型间歇正负零脉冲快速充电方式，脉冲电流幅值和PWM信号频率固定，PWM占空比可调，在此基础上增加间歇充电停止阶段，可以在更短的时间内充入更多的电量，提高电池的充电接受能力。

波浪式间歇正负零脉冲快速充电

综上所述，动力电池充电方法的研究有利于优化电池性能、延长电池寿命、提高能量效率、保证充电过程的安全性，以满足日益增多的电动汽车、可再生能源系统等高能量需求应用的要求，有助于促进电气化技术的发展，减少对有限的化石燃料的依赖，减少环境污染和碳排放。