第三节 动力蓄电池
动力蓄电池是为混合动力汽车的电驱动系统提供电能的，主要有锂离子蓄电池和金属氢化物镍蓄电池两种。
一、动力蓄电池的分类
1.锂离子蓄电池
锂离子蓄电池是用锰酸锂、磷酸铁锂或钴酸锂等锂的化合物作为正极，用可嵌入锂离子的碳材料作为负极，使用有机电解质的蓄电池。锂离子单体电池的额定电压为3.6V。
根据锂离子蓄电池的形状，可以分为方形锂离子蓄电池和圆柱形锂离子蓄电池，如图2-3-1所示。
锂离子蓄电池主要由正极、负极、隔膜和电解液等组成，如图2-3-2所示。
（1）正极
正极材料作为锂离子蓄电池中Li+的唯一供给者，对锂离子蓄电池能量密度的提高及成本的降低起着决定性作用。被广泛采用的正极材料主要有锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰锂等。
（2）负极
负极材料影响锂离子蓄电池的安全性，目前，广泛应用的碳基负极材料，可将锂在负极表面的沉积/溶解转变为在碳材料中的嵌入/脱出，从而大幅度地减少锂枝晶的形成，提高了锂离子蓄电池安全性。
图2-3-1 锂离子蓄电池的类型
（3）隔膜
隔膜的主要作用是隔绝正负极以防止两电极短路及自放电，同时为两电极间提供良好的离子通道。目前，应用比较广泛的隔膜主要有PP-PE-PP多层隔膜、聚合物陶瓷涂覆隔膜，以及无纺布隔膜等。
（4）电解液
锂离子蓄电池采用的是非水有机溶剂体系的电解液。混合动力汽车用锂离子蓄电池的基本单元是单体电池，按使用要求组合成不同电压和不同电量的锂离子蓄电池组。
图2-3-2 锂离子蓄电池的结构
2.金属氢化物镍蓄电池
金属氢化物镍蓄电池是指正极使用镍氧化物、负极使用可吸收释放氢的贮氢合金，以氢氧化钾为电解质的蓄电池。金属氢化物镍蓄电池的额定电压为1.2V。
电动汽车用金属氢化物镍蓄电池可分为圆柱形和方形两种，如图2-3-3所示。
金属氢化物镍蓄电池主要由电池正极、电池负极、分离层、金属外壳、氢氧化镍、金属氢化物和密封橡胶等组成。金属氢化物镍蓄电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，分离层是隔膜纸，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有分离层，共同组成金属氢化物镍单体电池。在金属铂的催化作用下，蓄电池完成充电和放电的可逆反应。在圆柱形金属氢化物镍蓄电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在金属外壳中。在方形金属氢化物镍蓄电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在外壳中，如图2-3-4所示。
图2-3-3 金属氢化物镍蓄电池的分类
图2-3-4 金属氢化物镍蓄电池结构
1—外壳（-） 2—绝缘衬垫 3—盖帽（+） 4—安全排气口 5—封盘 6—绝缘围 7—负极 8—隔膜 9—正极 10—绝缘体
二、动力蓄电池的冷却系统
为了尽可能延长动力蓄电池的使用寿命并获得最大功率，需在规定温度范围内使用动力蓄电池。原则上在-40℃至+55℃范围内（实际电池温度）动力蓄电池单元都必须处于可运行状态。
动力蓄电池冷却系统有空调循环冷却式、水冷式和风冷式几种。
1.空调循环冷却式
下面以宝马X1xDrive25Le（F49PHEV）插电式混动车型动力电池冷却系统为例讲解。
（1）组成
动力蓄电池单元直接通过冷却液进行冷却，冷却液循环回路与制冷剂循环回路通过冷却液制冷剂热交换器（即冷却单元）连接。
因此，空调系统制冷剂循环回路由两个并联支路构成，一个用于冷却车内空间，一个用于冷却动力蓄电池单元。两个支路各有一个膨胀和截止组合阀，用于相互独立地控制空调功能。蓄电池管理电子装置可通过施加电压打开冷却单元上的膨胀和截止组合阀。这样可使制冷剂流入冷却单元内，在此膨胀、蒸发并冷却流经动力蓄电池的冷却液。车内空间冷却同样根据需要来进行。热交换器前的膨胀和截止组合阀也能够通过电机电子装置（EME）以电气方式控制，如图2-3-5所示。
图2-3-5 空调循环冷却式系统
1—冷凝器 2—电动空调压缩机（EKK） 3—车内空间热交换器 4—至动力蓄电池冷却单元的制冷剂管路 5—用于热交换器的膨胀和截止组合阀 6—动力蓄电池单元 7—冷却单元（冷却液制冷剂热交换器） 8—膨胀和截止组合阀 9—冷却液膨胀箱 10—电动冷却液泵（50W） 11—冷却液管路连接法兰 12—壳体上部件 13—动力蓄电池模块 14—主要冷却液通道
（2）工作原理
电动冷却液泵通过冷却液循环回路输送冷却液。只要冷却液的温度低于电池模块，仅利用冷却液的循环流动便可冷却电池模块。如果冷却液温度上升，不足以使电池模块的温度保持在预期范围内，就必须降低冷却液的温度，这需借助冷却液制冷剂热交换器（即冷却单元）完成。它是动力蓄电池冷却液循环回路与空调系统制冷剂循环回路之间的接口，如图2-3-6所示。
2.水冷式
下面以路虎混合动力车型为例讲解。
（1）组成
图2-3-6 空调循环冷却式工作原理
1—干燥器瓶 2—冷凝器 3—电动风扇 4—电动空调压缩机（EKK） 5—车内空间鼓风机 6—膨胀和截止组合阀（车内空间） 7—车内空间热交换器 8—膨胀和截止组合阀（动力蓄电池） 9—冷却单元（冷却液制冷剂热交换器）10—冷却液膨胀箱（动力蓄电池单元冷却液循环回路） 11—电动冷却液泵（50W） 12—动力蓄电池单元
电池管理系统监控蓄电池温度，当混合动力系统处于激活状态时，通过使用专用冷却回路，蓄电池温度会保持在28～32℃的范围内。
冷却回路包含体积分数50%水和50%乙二醇的混合物（防冻剂），它完全独立于发动机冷却回路。冷却回路应独立加注，并通过储液罐进行液位检查，如图2-3-7所示。
图2-3-7 动力蓄电池冷却回路组成
1—储液罐 2—制冷管 3—动力蓄电池 4—冷却液软管 5—电动泵 6—动力蓄电池冷却器和恒温膨胀阀
（2）工作原理
蓄电池电量控制模块（BECM）通过一个热敏电阻监控冷却液的温度，将冷却液温度和蓄电池单元温度进行比较。BECM通过改变电动泵的速度来调节和保持正确的冷却效果，从而控制冷却液流量。电动泵速度根据PWM信号的占空比变化而发生变化。电动泵可通过PWM信号线提供诊断反馈，如图2-3-8所示。
图2-3-8 水冷式系统工作原理
1—动力蓄电池单元 2—冷却液管路输入 3—冷却液管路输出 4—冷却液温度传感器 5—BECM 6—动力蓄电池单元温度传感器（通过CSC） 7—动力蓄电池外壳 8—水泵 9—动力蓄电池冷却器 10—连接至AC系统 11—储液罐
3.风冷式
下面以丰田普锐斯为例讲解。
风冷式动力蓄电池冷却系统利用散热风扇将来自车厢内部的空气吸入动力蓄电池箱，以冷却动力蓄电池以及动力蓄电池的控制单元等部件，如图2-3-9所示。
图2-3-9 风冷式组成及工作原理
车厢内部的空气通过位于后窗台装饰板上的进气管流入，向下流经动力蓄电池或DC/DC变换器（混合动力车辆变换器），以降低动力蓄电池和DC/DC变换器（混合动力车辆变换器）的温度。空气通过排气管从车内排出。
三、丰田镍氢蓄电池结构与原理
1.结构
下面以丰田凯美瑞2.5L混合动力为例讲解。
丰田凯美瑞动力蓄电池为镍氢（Ni-MH）蓄电池。
动力蓄电池主要包括动力蓄电池模块、动力蓄电池热敏电阻、混合动力蓄电池接线盒总成、蓄电池冷却鼓风机总成、蓄电池智能单元（蓄电池电压传感器）、动力蓄电池端子盒和维修塞把手，如图2-3-10所示。
图2-3-10 丰田凯美瑞动力蓄电池结构
1—蓄电池冷却鼓风机总成 2—动力蓄电池热敏电阻 3—混合动力蓄电池接线盒总成 4—维修塞把手5—动力蓄电池模块 6—蓄电池智能单元（蓄电池电压传感器）
动力蓄电池由34个单独的蓄电池模块组成，其通过2个母线模块互相串联在一起。
每个蓄电池模块均由6个单体电池组成。动力蓄电池共有204个单体电池（6个单体电池×34个模块），公称电压为244.8V（1.2V×204个单体电池），如图2-3-11所示。
图2-3-11 动力蓄电池的组成
动力蓄电池热敏电阻包括三个动力蓄电池温度传感器和动力蓄电池进气温度传感器。
混合动力车辆ECU总成通过蓄电池智能单元（蓄电池电压传感器）接收的温度信息对冷却系统进行优化控制，从而使动力蓄电池温度处于规定范围内，如图2-3-12所示。
图2-3-12 动力蓄电池热敏电阻
1—动力蓄电池热敏电阻 a—动力蓄电池温度传感器 b—动力蓄电池进气温度传感器
2.工作原理
NiMH蓄电池对过度充放电、过热和电极错误较为敏感。此外，它对温度也比较敏感，当温度达到冰点附近时会出现明显的容量损失。
阳极由能够可逆存储氢的金属合金制成，氢以晶格形式存储在该合金内，这样就形成了一个氢金属电池。由氢氧化镍制成的阴极位于电解液中。
放电时氢被氧化，同时在两个电极处产生1.32V的电压。一般情况下，负电极的尺寸比正电极大得多。
混合动力车辆ECU总成估算动力蓄电池的SOC。为了使SOC始终保持在正确水平，混合动力车辆ECU总成优化控制混合动力系统，如图2-3-13所示。
图2-3-13 充电状态（SOC）
四、奥迪锂离子蓄电池结构与原理
下面以奥迪Q7插电式混动车型为例讲解。
1.结构
奥迪Q7e-tronquattro的混合动力蓄电池单元AX1安装在车内空间第2排座椅后方。
混合动力蓄电池单元AX1的外壳由铸铝和一个铝制盖板构成。盖板采用旋接的方式，依靠弹性密封圈密封，如图2-3-14所示。因温度波动产生的压力变化通过从汽车底板下方穿过的通风管平衡。混合动力蓄电池单元AX1经由一根电位均衡导线与车身相连。
图2-3-14 奥迪锂离子蓄电池的结构
蓄电池电解槽通过蓄电池回路中的冷却液冷却。冷却液流经外壳和中间底板中铸造的冷却液管路，通过与电解槽底板之间的接触面吸收热量。冷却液流入和流出的接口中装有温度传感器。
每个蓄电池模块拥有一个自己的电解槽控制器。电解槽控制器测量各个电解槽的电压并通过NTC电阻测量蓄电池模块的温度。这些数值通过一条子CAN发送至蓄电池调节装置控制器J840。
蓄电池调节装置控制器J840分析电解槽电压，并促使电解槽控制器通过约44Ω的电阻对电压较高的电解槽进行放电。这样，所有电解槽可实现相同的电解槽电压，混合动力蓄电池单元AX1可达到最大的蓄电池容量。电解槽的平衡在混合动力蓄电池充电和端子关闭时进行，如图2-3-15所示。
2.工作原理
常见锂离子蓄电池的正极由多层锂金属氧化物制成（例如LiCoO2或LiNiO2）。负极则由多层石墨制成。两个电极都位于无水电解液中。隔板安装在两个电极之间。
图2-3-15 蓄电池模块
通过锂离子的移动在锂离子蓄电池上可以产生一个源电压。在电池充电过程中，带有正电荷的锂离子通过电解液由正极移动至负极的石墨层。锂离子与石墨（碳）进行化合，同时不破坏石墨的分子结构。放电时锂离子重新返回至金属氧化物中，电子可以通过外部电路流至正极。锂离子和石墨层反应后在负极上可以产生一个保护层，该保护层可以让较小的锂离子通过，而电解液中的分子则无法通过。
锂离子蓄电池的自放电较小，且因为锂离子的移动力较高，所以其效率可达96%。该效率的大小取决于温度，在低温下将会大幅下降，如图2-3-16所示。
图2-3-16 锂离子蓄电池槽的结构
1—正极 2—带有电解液的壳体 3—锂金属氧化物 4—隔板 5—石墨层 6—负极 7—锂离子
一个普通锂离子蓄电池槽可以提供的额定电压为3.6V。锂离子蓄电池槽的电压是镍氢蓄电池的三倍。过度放电至2.4V会导致电池出现不可逆损坏和容量损失，因此不允许过度放电。
锂离子蓄电池的能量密度为300～1500W·h/kg，几乎是镍镉蓄电池的两倍，后者只有95～190W·h/kg。
应避免锂离子蓄电池40%容量以下的放电，因为在电极中的不可逆化学反应会造成较大的容量损失。此外，电池槽电压越高，蓄电池老化也就越快。因此，还要避免对锂离子蓄电池进行100%的充电。最佳充电范围应在50%～80%。