电动汽车动力电池关键技术的应用研究

黎 帅 李秋爽 朱恩旭

（信阳职业技术学院，信阳 464000）

随着全球能源危机的加剧和人们环境保护意识的提高，电动汽车作为一种绿色、清洁的交通工具，逐渐受到人们的关注和追捧。动力电池作为电动汽车的核心组成部分，其技术水平直接关系到整车的性能、安全性和成本。电动汽车发展和应用的关键在于动力电池技术，它直接决定着电动汽车的续航里程、充电速度和安全性等关键指标。动力电池是电动汽车的“心脏”，负责储存和释放电能，驱动电动汽车行驶。动力电池关键技术涉及电池材料、电池结构、电池管理系统和快速充电技术等[1]。本研究系统梳理电动汽车动力电池的关键技术，分析其在汽车产业的应用现状，通过全面剖析电动汽车动力电池技术的发展，为相关企业和研究机构提供有益的参考和指导。

1 电动汽车动力电池分类

1.1 锂离子电池

锂离子电池作为一种高性能的电动汽车动力电池，凭借其高能量密度、长循环寿命和相对较低的自放电率等优点，成为当前电动汽车的主流电池类型。锂离子电池采用锂离子在正负极之间来回嵌入与脱嵌的过程，实现电能的储存与释放。然而，锂离子电池也存在一定问题，如高温下稳定性较差、安全性相对较低，特别是在过充和过放的状态下，容易出现热失控和安全事故。

1.2 镍氢电池

镍氢电池作为一种成熟且应用广泛的电动汽车动力电池，具有较高的能量密度和较长的循环寿命[2]。镍氢电池采用氢氧化物作为正极材料，金属镍作为负极材料，实现镍氢氧化物与氢的相互转化。镍氢电池的优点还包括环境友好、低温性能良好等。然而，镍氢电池的能量密度相对较低，导致电动汽车的续航里程受限，同时其充放电速率较慢，快速充电能力较弱。

1.3 铁锂电池

铁锂电池是一种具有较高性价比的电动汽车动力电池，以其低成本、高安全性、长循环寿命等优势，在电动汽车市场中占有一席之地。铁锂电池的正极材料为锂铁磷酸盐，负极材料为石墨。相较于锂离子电池，铁锂电池在高温稳定性、安全性等方面具有明显优势，且具有较长的循环寿命。但是，铁锂电池的能量密度较低，在一定程度上影响了电动汽车的性能。

1.4 固态电池

固态电池作为一种具有巨大潜力的电动汽车动力电池，有望在未来的电动汽车电池市场中占据重要地位。与传统液态电解质电池相比，固态电池采用固态电解质，具有高能量密度、高安全性、长循环寿命等优点[3]。此外，固态电池有望进一步增强快充能力，进而提升电动汽车的使用便利性。然而，目前固态电池尚处于研发初期阶段，技术成熟度较低，成本较高，离规模化应用还有一段距离。

2 动力电池的组成

2.1 电池单体

电池单体是电动汽车动力电池系统的最小单元，通常由若干个电芯组成。电芯是电池单体的核心部分，承担着储存和输出电能的任务。电池单体的工作原理是基于化学反应将化学能转化为电能。在充电过程中，外部电源为电池单体中的电芯供给电能，使电芯内的化学物质发生还原反应，生成电子并储存能量。放电时，储存的电子通过外部电路流向负载，实现电能输出。

2.2 电池模块

电池模块是由多个电池单体组成的集合体，电池单体通常采用串联或并联方式连接。电池模块的主要作用是实现电池单体之间的均衡和安全保护。在电池模块中，每个电池单体都具备独立的蓄电池管理系统（Battery Management System，BMS），用于监测和控制电池单体的充放电状态及其他相关参数[4]。电池模块的工作原理是在充放电过程中，通过电池管理系统实时监测每个电池单体的状态，确保电池单体在安全、有效的工作范围内运行。

2.3 BMS

BMS 是电动汽车动力电池系统的重要组成部分，主要负责对电池单体或电池模块进行实时监测、控制和保护。BMS 的核心功能包括状态监测、充放电控制、故障诊断与保护、均衡管理和通信等。

首先，BMS 通过传感器和电流传感器等设备，实时监测电池单体或电池模块的电压、电流、温度等参数，确保电池在合适的工作状态下运行。其次，根据电池的状态参数，实时控制充放电过程，确保充电速率和放电速率在安全范围内。再次，能够及时发现电池单体或电池模块的异常情况，如过充、过放、短路等，并采取相应的保护措施，以防止事故发生。最后，针对电池单体之间的不一致性，采用均衡策略，如动态均衡和静态均衡，提升整个电池系统的性能和延长其使用寿命。BMS 还能与其他车载系统（如车载充电机、车辆控制系统）以及地面监测系统进行数据交换，远程监控和管理电池系统[5]。

2.4 电池热管理系统

电池热管理系统是电动汽车动力电池系统的另一个重要组成部分，主要负责控制电池单体或电池模块的温度，确保电池在合适的环境温度下工作。在充电过程中，电池热管理系统通过冷却装置，如风扇、泵等，将外部冷却介质（如水或乙二醇溶液）引入电池单体或电池模块，吸收电池内部产生的热量，防止电池过热；在放电过程中，电池热管理系统同样通过冷却装置将外部冷却介质引入电池单体或电池模块，以降低电池温度，避免过热现象。在低温环境下，电池热管理系统采用加热装置，如正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）加热器等，将外部加热介质引入电池单体或电池模块，提高电池的温度，确保电池在低温条件下正常工作。

3 动力电池的关键技术在汽车产业中的应用

3.1 驱动电机技术

驱动电机的性能直接影响车辆的性能、续航里程和安全性，它将电能转化为机械能，为电动汽车提供动力。在电动汽车动力电池系统中，驱动电机设计包括电机本体设计、控制策略设计和驱动系统集成，如图1 所示。

图1 电动汽车驱动系统结构设计

动力电池的关键技术在汽车产业中有着广泛的应用，驱动电机技术是电动汽车动力系统的核心技术之一。通过选择合适的驱动电机和优化控制策略，可以实现电动汽车的高效输出和低能耗运行。

电机本体的设计需要充分考虑电机的功率、效率、质量、体积和成本等因素。目前，市面上常见的驱动电机类型包括永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机等。其中：永磁同步电机具有较高的效率和功率密度，但成本相对较高，适合用于高性能电动汽车；感应电机成本较低，但效率和功率密度相对较低，适合用于大众化电动汽车。

设置控制策略的目的是实现电机的最大功率输出，同时保证电机运行在高效区域内。常见的控制策略有磁场定向控制（Field Oriented Control，FOC）、直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）等。这些控制策略通过实时监测电机的状态，调整电机输入电流和电压，精确控制电机[6]。驱动系统集成是将电机与减速器、控制器等部件结合，形成一个高效、紧凑的驱动系统。驱动系统集成需要充分考虑电机的布局、散热、噪声等因素，以提升整车的驾驶舒适性。在驱动系统集成过程中，需要考虑电机与电池、逆变器等部件的匹配，实现整个动力系统的优化。

此外，电池管理系统能够监测、控制和保护动力电池，确保电池安全运行，延长电池使用寿命。通过实时监测和预测电池状态，电池管理系统能够合理分配电池能量，提高电池的能量利用率，并在电池出现故障时及时采取措施，保证车辆安全运行。快速充电技术的发展，能够显著缩短电动汽车的充电时间，增强电动汽车的使用便捷性。

3.2 能量的存储与释放

传统的内燃机车依靠燃料的燃烧产生能量，并通过变速器和传动系统将能量传递到车轮上，从而驱动车辆行驶。而电动汽车则使用动力电池存储能量，并通过控制系统将能量转化为电能，从而驱动电机转动，推动车辆运行。动力电池需要具备高能量密度和高功率密度，以满足电动汽车长距离和高速行驶的需求。高能量密度意味着动力电池能够存储更多能量，从而延长电动汽车的续航里程；高功率密度则表示动力电池能够在短时间内释放更多能量，提供车辆需要的动力。

为了实现高能量密度和高功率密度，动力电池的设计涉及多个方面。第一，正极材料的选择。例如，锂离子电池常用的材料有锰酸锂、钴酸锂和磷酸铁锂等，不同的材料具有不同的特点和性能，可以根据需求选择合适的材料。第二，电池的结构设计。结构设计包括正、负极材料的配比、电池模块的组装方式等内容，可以优化电池内部的电荷传导和离子嵌入/脱嵌过程，提升电池性能。第三，电池的管理系统。通过监测电池的状态、均衡电池组内各单体的电荷和温度、控制充放电等，管理系统能够延长电池的使用寿命、提升其安全性能。

3.3 续航里程

电动汽车的续航里程一直是消费者关注的焦点，也是电动汽车产业急需解决的关键问题。动力电池作为电动汽车的核心部件，其性能直接影响电动汽车的续航里程。为了延长电动汽车的续航里程，在动力电池的设计与制造过程中，需要克服一系列关键技术难题。电芯的容量、能量密度、循环寿命以及安全性等因素直接决定了动力电池的性能，锂离子电池由于其具有高能量密度、长循环寿命和相对较低的成本，成为电动汽车动力电池的主流选择。在电芯设计过程中，需要充分考虑材料、结构、电极配方等多个方面的因素，实现高容量、高能量密度和低自放电率等的目标[7]。

电池包在充放电过程中会产生大量的热量，如果无法及时有效地进行热管理，将导致电池包温度升高，进而影响电池的性能和安全性。电池包热管理技术主要包括液冷技术、风冷技术和直冷技术等。其中，液冷技术具有冷却效果好、系统稳定性高等优点，已成为当前电动汽车电池包热管理的主流技术。液冷系统通过将电池包内部的热量先传递到冷却液中再散发到环境，实现对电池包的冷却。直冷技术是利用固态热传导材料将电池包内部的热量直接传递到冷却设备上，其具有结构简单、成本低等优点。风冷技术则通过风扇将空气吹过电池包表面，实现对电池包的冷却。

3.4 充电速和安全性

目前，电动汽车的充电方式主要分为3 种，分别为交流充电、直流充电和无线充电。其中，直流充电是快速充电的主要方式，能够大大提高电动汽车的充电效率和充电速度。当电动汽车进行直流充电时，将交流电转换为直流电，并通过BMS 对电池进行精确的控制和管理。加快充电速度的关键是提高充电功率和电池充电效率。充电功率的提高依赖于充电机的设计和电网的配电能力，而电池充电效率则与电池的特性和充电控制算法有关。充电控制算法可以通过动态调整充电电流和电压等参数，实现最佳的充电效果，并确保电池的安全性。

充电电流的计算公式为

式中：I为充电电流，A；C为电池的充电速率，通常为电池充电容量与充电时间的比值；Δt为充电时间，h；R为电池的内阻，Ω。电池的充电速率通常由电池制造商提供，充电时间则取决于电池的容量和充电电流的大小。

4 动力电池优化对电动汽车行业的影响

4.1 能量密度提高，提升消费者购买欲望

动力电池的能量密度指单位体积或单位质量所存储的能量，能量密度越高，电动汽车的续航里程越长。电动汽车制造商不断研发新的电池技术，以提高电池的能量密度，延长续航里程，提升消费者的购买欲望[8]。

4.2 安全性提升，提高用户体验和信心

过去，动力电池在高温、过充和过放等情况下存在安全隐患，容易发生火灾和爆炸等事故。电动汽车制造商加强了动力电池的安全措施，如增加防护装置和热管理系统，确保电池在极端情况下能够保持安全稳定的工作状态。安全技术的提升对电动汽车产业的发展产生了积极作用。

4.3 使用寿命延长，提高二手电动汽车的价值

动力电池的寿命指电池能够保持满足使用条件的时间。过去，电动汽车的动力电池寿命相对较短，容易出现容量衰减和性能下降等问题，影响了电动汽车的使用寿命和二手价值。为了延长电动电池的寿命，电动汽车制造商采取了多种措施，如优化电池管理系统和采用更耐久的电池材料等。

5 结语

随着电动汽车市场的不断扩大，动力电池技术在不断进步，在能量密度和续航里程优化、安全性提升、电池寿命延长等方面取得了显著成效。未来，随着电动汽车市场的进一步发展，动力电池技术将扮演更加重要的角色，为绿色出行提供更多可能性。