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蓄电池基础知识——从“电池分类”到“动力蓄电池成组技术”

发布于：2022-10-17 13:12:17 来自：电气工程/成套电气设备 [复制转发]

知识点：蓄电池车

一. 电池分类

蓄电池通常简称电池，是将化学能转化成电能的一种装置，常见类别如图 3-1 所示。电池内部的电化学特决定了该电池是否可以充电。可充电电池内部结构之间所发生的化学反应是可逆的，也叫做二次电池，新能源汽车上的动力蓄电池均为二次电池。一次电池只能作为一次放电使用，它内部结构简单且不支持这种变化，例如日常生活中使用的干电池。

图 3- 1 电池分类

曾经以日韩企业为首的电池技术企业，很早以前就将蓄电池的封装种类归为了三大形式：圆柱形、方形和软包。直观上，它们的区别只是形状不同，但其在技术开发和应用上也有着显著不同。

圆柱形电池

圆柱形电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细且渗透性很强的聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯与聚丙烯复合的薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成，如图 3-2 所示。目前在制造标准上，只有圆柱形电池具有一致性。例如，人们熟知的圆柱形电池分为 18650 、21700 等型号，型号中的数字代表了圆柱形电池的尺寸标准。以 18650 型为例，它是目前最为成熟的圆柱形电池尺寸标准，而 21700 型正在经历不断的技术进步，今后有可能取代 18650 型，成为新能源汽车的首选圆柱形电池产品。

图 3- 2 圆柱形电池结构

方形电池

方形电池通常是指铝壳或钢壳方形电池，其结构如图 3-3 所示。随着近些年汽车动力蓄电池的兴起，续驶里程与电池容量之间的矛盾日渐凸显，国内动力蓄电池厂商多采用电池能量密度较高的铝壳方形电池，因为方形电池的结构较为简单，不像圆柱形电池那样需要采用强度较高的不锈钢壳体及防爆安全阀等附件，所以整体附件重量较轻，相对能量密度较高。

与圆柱形电池相比，方形电池的可塑性更强，可以根据搭载产品的具体需求进行定制化设计，从而导致了其尺寸规格不一。目前，无论是制造工艺或者应用标准，方形电池都没有圆柱形电池那样清晰的标准划分。但也正因为其灵活性高，可以根据车型需求对方形电池尺寸进行定制化设计，从而不会受到圆柱形电池尺寸标准的限制。

图 3- 3 方形电池结构

软包电池

软包电池只是液态锂离子电池外套上一层聚合物外壳，采用铝塑包装膜，结构如图 3-4 所示。软包电池因为采用了叠加的制造方式，所以追求的是更加纤薄的体积，在相同的容量密度下，其重量是最轻的。软包电池也可以根据应用需求进行定制，小到手机电池的大小，大到可以应用在新能源汽车上。

软包电池被视为移动设备上的首选，在汽车应用上，也因为其体积的可控性而被汽车品牌所看重，尤其是针对插电式混合动力汽车，在兼顾整车布局和重量方面，软包电池的体积优势更加明显。

图 3- 4 软包电池结构

二. 镍氢电池

镍氢电池的结构

镍氢（Ni-MH）电池是由氢离子和金属镍合成的，电量储备比镍镉电池多 30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染，现主要应用于混合动力电动汽车。

镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池高得多，性能要比锂离子电池差一些。镍氢电池中的金属部分是金属氢化物，主要分为两大类，即 AB5 和 AB2。

最常见的是 AB5，“A”表示稀土元素的混合物或者再加上钛（Ti ）；“B”则表示镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn），或者还有铝（Al）。一些含有多种成分的高容量电池，其电极主要由 AB2 构成，“A”表示钛（Ti）或者钒（V）；B 则表示锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和锰（ Mn ）。镍氢电池结构如图 3-5 所示。

图 3- 5 镍氢电池结构

2. 镍氢电池的工作原理

镍氢电池的工作原理

镍氢电池是一种碱性电池，其负极采用由储氢材料作为活性物质的氢化物电极，正极采用氢氧化镍电极（简称镍电极），电解质为氢氧化钾水溶液。镍氢电池充电时，氢氧化钾电解液中的氢离子会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气，以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。

镍镉、镍氢电池的充电过程非常相似，都要求恒流充电，以防止电池过充电。充电器对电池进行恒流充电，同时检测电池的电压和其他参数。为避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，当电池温度低于 10℃时，应转入涓流充电方式。而一旦电池温度达到规定数值后，必须立即停止充电。

3. 镍氢电池型号说明

镍氢电池型号说明

通常电池体上的 AAA、AA、C、D、N、F、SC 等标识都是美国型号标识。在我国，除了几种电池按“号”称呼之外，其他还是采用美国的命名方式。

此外，二次锂电池的型号采用五位数（圆柱形）或六位数（方形）表示，如 14500、103450 等。常见电池型号、尺寸对照见表 3-1。

序号	美国型号	我国俗称	尺寸（平头）
1	AAAA	AAAA	高度（ 41.5 ±0.5 ）mm ，直径（ 8.1 ±0.2 ）mm
2	AAA	7 号	高度（ 43.6 ±0.5 ）mm ，直径（ 10.1 ±0.2 ）mm
3	AA	5 号	高度（ 48.0 ±0.5 ）mm ，直径（ 14.1 ±0.2 ）mm
4	A	A	高度（ 49.0 ±0.5 ）mm ，直径（ 16.8 ±0.2 ）mm
5	SC	SC	高度（ 42.0 ±0.5 ）mm ，直径（ 22.1 ±0.2 ）mm
6	C	2 号	高度（ 49.5 ±0.5 ）mm ，直径（ 25.3 ±0.2 ）mm
7	D	1 号	高度（ 59.0 ±0.5 ）mm ，直径（ 32.3 ±0.2 ）mm
8	N	N	高度（ 28.5 ±0.5 ）mm ，直径（ 11.7 ±0.2 ）mm
9	F	F	高度（ 89.0 ±0.5 ）mm ，直径（ 32.3 ±0.2 ）mm

表 3-1 常见电池型号、尺寸对照表

平头电池是指电池正极是平的，没有凸起，主要适合做电池组点焊使用的电池芯。一般同等型号的尖头电池（可以用作单体电池供电的），在高度上比平头电池多 0.5mm。有些电池并不是 AAA 、AA 、A 、SC 、C 、D 、N 、F 等主型号，而是带有 1/3 、2/3 、1/2 、2/3 、4/5 、5/4、 7/5 等分数，这些分数表示电池体高度与标准型号电池高度的比值。例如， 2/3AA 表示电池高度是一般AA 型电池的 2/3 ；4/5A 表示电池高度是一般A 型电池的 4/5。

根据国际电工委员会（IEC）标准规定，镍镉和镍氢电池标识由以下五部分组成。

（ 1 ）电池种类：KR 表示镍镉电池；HF 表示方形镍氢电池；HR 表示圆柱形镍氢电池。

（2 ）电池尺寸：包括圆柱形电池直径 / 高度，方形电池宽度 /厚度/ 高度，各数值之间用斜杠隔开，单位为 mm。

（3 ）放电特性符号：L 表示适宜放电电流倍率在 0.5C 以内；M 表示适宜放电电流倍率在 0.5 ~ 3.5C 范围内；H 表示适宜放电电流倍率在 3.5 ~ 7.0C 范围内；X 表示电池能在 7 ~ 15C 的高倍率放电电流下工作。

（4 ）高温电池符号：用 T 表示。

（5 ）电池连接片种类：CF 代表无连接片；HH 表示电池带串联连接片；HB 表示电池带并联连接片。

例如， HF18/07/49 表示方形镍氢电池，宽 18mm、厚 7mm、高 49mm；KRMT33/62CF表示镍镉电池，放电倍率在 0.5 ~ 3.5C 之间，高温系列单体电池，无连接片，直径 33mm、高度 62mm。

镍氢电池的应用特性

大功率的镍氢电池广泛应用于油电混合动力车辆中，最具代表性的例子是丰田普锐斯，该车使用了特别的充放电程序，电池充放电寿命可足够车辆使用十年。

虽然镍氢电池的质量比锂离子电池大，但仍然有部分新能源汽车使用镍氢电池。从每个单体电池的电压来看，镍氢与镍镉电池的标称电压都是 1.2V。

镍氢电池的主要应用特性见表 3-2。

序号	应用特性
1	质量比功率高，目前商业化的镍氢功率型电池能达到 1350W ·h/kg
2	循环次数多，目前应用在电动汽车上的镍氢动力蓄电池， 80% 放电深度（DOD）循环寿命可达 1000 次以上，为铅酸电池的 3倍以上；100%DOD 循环寿命在 500 次以上，在混合动力电动汽车中可使用 5 年以上
3	无污染，不含铅、镉等对人体有害的金属，为 21 世纪绿色环保电源
4	耐过充电和过放电、无记忆效应
5	使用温度范围宽，正常使用温度范围为 ?30 ~ 55℃，储存温度范围为 ?40 ~ 70℃
6	安全、可靠，在短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性和可靠性试验中无爆炸、燃烧现象