电动汽车技术 课件全套 第1-5章 绪论、动力电池技术 -热量管理技术

电动汽车技术所谓坚持“三个必须”，就是学生进入教室上课时，必须携带一本教材、必须携带一支笔、必须携带一个笔记本。上课要求

坚持“三个必须”，守住“十二字底线”：很多学生置上述基本要求于不顾，在课堂上沉迷于网络游戏、微信聊天、看电视剧、刷娱乐短视频，浑浑噩噩、慵懒无为，白白浪费大好时光。无底线地放纵自己，导致学业成绩一落千丈，陷入补考、重修的往复循环。所谓守住“十二字底线”，就是学生必须做到“上课认真听讲、课后仔细看书”。无底线地放纵自己，结果就是这样：第1章绪论

如图1-1所示，传统的燃油汽车以燃油为能源，以内燃机为动力源。燃油在内燃机气缸内燃烧，将燃油的化学能转变成机械能，经传动机构驱动汽车行驶。随着燃油的逐渐消耗，需在加油站视情补充、添加燃油。

经过100多年的持续发展，传统的燃油汽车技术已经相当成熟，但依然存在能源利用率低、车辆维护成本高、环境污染重、对化石类能源（石油）依赖度高等问题。

有鉴于此，为进一步节能减排、保护环境，打好“碧水、蓝天、净土”保卫战，并逐步摆脱对化石类能源高度依赖的被动局面，党中央、国务院适时提出了电动汽车发展战略。图1-1传统的燃油汽车1.1发展电动汽车的战略意义1.1.1环境保护与可持续发展

大力发展电动汽车，是基于国家能源安全、环境保护、技术创新、产业升级、提升国际竞争力等多方面的战略考量，是关系到国家民族未来发展的关键举措。1.减少温室气体排放

电动汽车使用电力作为动力源，相比于传统的燃油汽车，能显著降低二氧化碳等温室气体的排放，有助于缓解全球气候变暖问题。2.降低空气污染

发展电动汽车，可以有效减少汽车尾气排放，改善空气质量，缓解温室效应，实现绿色发展。

面对全球气候变化的严峻挑战，中国作为负责任的大国，积极履行减排承诺，推动绿色低碳发展。电动汽车的推广和应用，有助于减少汽车行业的碳排放，为实现“碳达峰”和“碳中和”目标提供有力支撑。1.1.2能源安全与多样性

1.降低对石油的依赖

中国是全球最大的石油进口国，70%以上的石油依赖进口，而交通运输领域消耗了全国70%左右的石油储备。这种高度依赖进口的能源结构，严重威胁着国家能源安全。

大力发展电动汽车，可以有效降低对石油的依赖，减少石油进口，保障国家能源安全。2.促进能源多样化

我国水电、火电资源丰富，足以支撑电动汽车产业的发展。同时，电动汽车可以与可再生能源（如太阳能、风能、潮汐能）相结合，形成清洁、高效的能源利用体系，提高能源利用的多样性和可持续性。石油储量富集区长江三峡水电站1.1.3技术创新与产业升级

1.推动技术创新

发展传统汽车，我国在技术上不占优势。立足于我国的现实国情（电力供应稳定，稀土、锂矿等资源丰富，电池、电机制造业实力强劲），适时改弦更张、另辟蹊径，大力发展电动汽车，可以充分发挥国情优势，并有力推动技术创新，走出一条优势在我的汽车产业发展之路。2.促进产业升级

电动汽车产业的发展将带动充电设施、智能电网、储能系统等相关产业的发展，形成新的经济增长点。同时，也将促进采矿行业、冶炼行业、电化学工业实现全面产业升级，推动社会经济良性发展。1.1.4提升国际竞争力1.抢占国际市场份额2.引领国际标准制定1.1.5促进经济社会协调发展1.创造就业机会2.提升民众生活质量

综上所述，发展电动汽车具有多重战略意义，不仅有助于环境保护和能源安全，还能推动技术创新、产业升级和国际竞争力的提升。1.2电动汽车的总体结构与关键技术1.2.1总体结构

按照GB/T19596-2017《电动汽车术语》的规定，以车载电源为车辆行驶的动力源（或兼有内燃机参与驱动），符合道路交通、安全法规各项要求的汽车，称为电动汽车。图1-2电动汽车的分类1.纯电动汽车（1）纯电动汽车的基本结构

纯电动汽车（BatteryElectricVehicle，BEV）主要由驱动电机系统、电源系统、车辆控制器和辅助系统等组成，驱动电机系统和电源系统如图1-3所示。图1-3纯电动汽车（单纯由动力电池供电）图1-3纯电动汽车（单纯由动力电池供电）

①驱动电机系统。驱动电机系统包括驱动电机、驱动电机控制器及其工作所必需的辅助装置。

②电源系统。电源系统主要包括动力电池、动力电池管理系统、车载充电器及辅助动力源等。

③车辆控制器。车辆控制器是电动汽车的“大脑”，是实现整车控制决策的核心电子控制单元。图1-3纯电动汽车（单纯由动力电池供电）

④辅助系统。辅助系统包括车载信息系统、电动转向系统、电控制动系统、电动空调系统、照明及除霜装置、刮水器和收音机等。（2）纯电动汽车的工作原理

如图1-4所示，纯电动汽车的电能由动力电池提供，并通过国家电网对动力电池进行补充电能，且有交流慢充和直流快充两种充电方法。

交流慢充由车载充电器（On-BoardCharger，OBC）完成，OBC先将来自国家电网的交流电整流、变换成直流电，再给动力电池充电；直流快充通过充电桩完成，可直接为电动汽车提供大功率高压直流电，充电效率高、充电速度快。图1-4

纯电动汽车工作原理

无论是快充还是慢充，抑或是动力电池向负载放电，均在电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）的控制之下进行，以确保动力电池的充放电电流处于正常范围之内，并有效延长其使用寿命。

纯电动汽车工作时，驾驶人通过加速踏板、制动踏板和选档手柄发出主令信号，加速踏板传感器和制动踏板传感器将踏板的行程位移量转变为电信号，通过车载网络系统（如动力CAN总线）输入车辆控制器VCU，经处理后VCU给电机控制器MCU发出控制指令信号，对驱动电机进行起动、加速、减速、制动等控制。图1-4

纯电动汽车工作原理

驱动电机多采用永磁同步电机或三相异步电机。来自动力电池的高压直流电，经逆变器（与MCU集成在一起）逆变成驱动电机所需的交流电，驱动电机将电能转化为机械能，经过单级减速器“减速增矩”后，传输给驱动桥，再由驱动桥驱动车辆行驶。

当驾驶人将选档手柄置于D档时，驱动电机正转，车辆向前行驶；当驾驶人将选档手柄置于R档时，驱动电机反转，车辆向后行驶（实现倒车）。图1-4

纯电动汽车工作原理

无论车辆前进还是后退，驱动电机均处于电动机工况，作为电动机使用。

当驾驶人踩下制动踏板，汽车进入制动、减速或下坡滑行工况时，车轮带动驱动电机旋转。此时，驱动电机在MCU的控制下，转入发电机工况，驱动电机作为发电机使用。发电机发出的交流电经过逆变器整流为直流电，并向动力电池充电，进行制动能量回收。与此同时，车辆的行驶速度得以迅速衰减——车辆的动能转化为电能，储存在动力电池中，可以有效延长车辆的续驶里程。

从上述分析可知，电动汽车采用的逆变器，属于双向可逆式逆变器，当驱动电机处于电动机工况时，作为DC-AC逆变器使用；当驱动电机处于发电机工况时，作为AC-DC整流器使用。图1-4

纯电动汽车工作原理

为降低制造成本，电动汽车的常规电器设备与传统的燃油汽车一样，仍然采用12V系统，并由一个12V的低压蓄电池供电。为此，在电动汽车上设有将动力电池的高压直流电变换成低压蓄电池以及常规电器设备所需低压直流电的DC-DC变换器。动力电池通过该DC-DC变换器给低压蓄电池供电。

电动汽车的热泵空调以及PTC加热器采用的高压电，均来自动力电池。图1-4

纯电动汽车工作原理

在电动汽车上专门设置有电力分配控制单元PDU，由PDU负责协调、管理整车的高压配电。（3）纯电动汽车的特点①起步特性好，恒转矩范围宽泛，加速能力强。

纯电动汽车多采用永磁同步电机或异步电机驱动，无论是永磁同步电机还是异步电机，其外特性均远远优于传统的内燃机。图1-5电机与内燃机外特性曲线的对比图1-6

某涡轮增压发动机万有特性图②恒功率输出范围宽泛，更适于高速行驶。

电机可以在更为宽泛的转速范围内实现恒功率调速，加之电机的工作转速比内燃机更高，且自身的高效率工作区域就很宽泛（图1-7），因此，对于纯电动乘用车而言，完全可以取消变速器，只需设置一个单级减速器，即可满足车辆高速、恒功率行驶的需要。图1-5电机与内燃机外特性曲线的对比图1-7

某永磁同步电机的万有特性图③能量利用率高，且可实现单踏板控制。

燃油车的减速、制动主要通过制动摩擦片的摩擦，将车辆动能转化为热能的形式来完成。在这一减速、制动过程中，大量的车辆动能被白白浪费了。

而纯电动汽车的驱动电机可以根据需要，在电动机工况和发电机工况之间做灵活的转换。

当车辆正常行驶时，驱动电机处于电动机工况，驱动电机消耗动力电池的电能，并驱动车辆行驶；而当车辆需要减速、制动时，则可在车辆控制器和（或）电机控制器的控制下，转入发电机工况，将车辆的动能转变成电能，并存储在动力电池中，以备车辆加速时使用——此即为电机的再生制动（RegenerativeBraking），或称回馈制动。

再生制动过程相当于传统燃油车的强制降档制动（亦称发动机制动），但其制动效果比强制降档制动还要显著。通过控制程序精准地控制再生制动过程，既可以做到车辆显著降速，又可以回收制动能量，增加车辆的续驶里程。

不难看出，再生制动过程既是一个制动过程，又是一个能量回收过程。

因此，这项技术也被称为制动能量回收技术（BrakingEnergyRecoveryTechnology，BERT）或动能回收技术（Kineticenergyrecoverytechnology，BERT）。

伴随着动能回收技术的出现，又导致了单踏板技术的出现。图1-8单踏板车速控制图1-9踏板行程变化与电机动力变化的关系此外，纯电动汽车（尤其是纯电动乘用车）由于取消了结构复杂的内燃机和自动变速器，动力系统结构紧凑，更适合在其平台上应用线控技术，再配以环境感知技术和决策控制技术，便形成了一种新的汽车形态——智能汽车。关于智能汽车技术的技术细节，可参阅机工社出版、凌永成主编的教材《智能汽车技术》。

将纯电动汽车的节能环保与燃油汽车的续驶里程长的优点结合起来，并在不同行驶工况下实现两者的优势互补，即为混合动力汽车（HybridElectricVehicle，HEV）。2.混合动力汽车（1）串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车（SeriesHybridElectricVehicle，S-HEV）的系统结构由内燃机、发电机、驱动电机三大主要部件总成组成。S-HEV由内燃机驱动发电动机所产生的电能和由动力电池输出的电能，共同提供给驱动电机，由驱动电机来驱动汽车行驶，电力驱动是其唯一的驱动模式。图1-10串联式混合动力汽车（2）并联式混合动力汽车

并联式混合动力汽车（ParallelHybridElectricVehicle，P-HEV）系统结构如图1-11所示，该结构主要由内燃机、驱动电机两大部件总成组成，有多种组合型式，可以根据使用要求选用。

并联式混合动力电动汽车有内燃机和驱动电机两个动力源。它们既可以独立工作，也可以一起协调工作，共同驱动车辆行驶。

在城际道路上行驶时，主要由内燃机驱动车辆行驶；在市区行驶时，主要由驱动电机驱动车辆行驶；而在其他工况，则可以由内燃机、驱动电机协力驱动车辆行驶。图1-11并联式混合动力汽车（3）混联式混合动力汽车

将串联式与并联式进行综合，即可得到串联-并联组合式混合动力汽车，简称混联式混合动力汽车（Series-ParallelHybridElectricVehicle，SP-HEV），其结构如图1-12所示。

混联式混合动力汽车兼有串联式和并联式的特点，但总体结构过于复杂，整车成本高，故障率也高，并非理想的构型。图1-12混联式混合动力汽车（4）增程式混合动力汽车

如图1-13所示，在串联式混合动力构型的基础上进行改造，采用小功率内燃机与发电机组合，构成增程器，则可得到增程式混合动力汽车（ExtendedRangeElectricVehicle，EREV）构型。图1-13增程式混合动力汽车

如图1-14所示，增程式电动汽车主要由驱动电机、动力电池、增程器和整车控制器（图中未示出）等组成。图1-14增程式电动汽车的整体布局1-驱动电机；2-高压电电缆；3-动力电池；4-增程器的燃油箱；5-增程器（内燃机和发电机的组合）

增程式电动汽车具有多种工作模式：当动力电池存电充足时，增程器关闭，车辆单纯由动力电池给驱动电机供电，由驱动电机驱动车辆行驶；当动力电池存电不足时，增程器投入工作，由内燃机驱动发电机发电，给动力电池充电，增程器和动力电池协力给驱动电机供电，由驱动电机驱动车辆行驶；在车辆停驶期间，还可通过车载充电器为动力电池进行补充充电。图1-14增程式电动汽车的整体布局1-驱动电机；2-高压电电缆；3-动力电池；4-增程器的燃油箱；5-增程器（内燃机和发电机的组合）

增程式电动汽车完全由电机驱动的特性，使得其在任何时候的驾驶体验都与纯电动汽车完全相同，增程器（内燃机）起动后只是增加了一些噪音和振动。另外，增程式电动汽车的动力电池的容量普遍更大，纯电驱动时其续驶里程也更远，

增程式电动汽车兼有串联式混合动力汽车和纯电动汽车的特征，又有效克服了纯电动汽车续驶里程不足的缺点。在动力电池技术未取得重大突破之前，增程式电动汽车是最理想、也是最现实的电动汽车构型。3.燃料电池电动汽车

随着燃料电池技术的发展，又出现了一种由燃料电池供电的纯电动汽车——燃料电池电动汽车（FuelCellElectricVehicle，FCEV），其结构如图1-15所示。图1-15燃料电池电动汽车

在燃料电池领域，相对成熟的是氢燃料电池技术。因此，目前投入商业化运营的燃料电池电动汽车，均采用氢燃料电池。氢燃料电池相当于一个发电厂，需要不断补充氢，才能持续发电，并给动力电池充电。

日本丰田汽车公司开发的质子交换膜氢燃料电池电动汽车——Mirai（图1-16）一直处于全球领先水平。

但受制于制氢、高压储氢的成本问题，以及高压氢气的补给站点过少，Mirai一直没能得到市场认可。

相应地，燃料电池电动汽车技术也处于进退两难、前途未卜的尴尬境地。图1-16丰田Mirai燃料电池电动汽车1-燃料电池升压变换器；2-燃料电池组；3-镍氢动力电池；4-高压储氢罐；5-驱动电机；6-电机控制器1.2.2关键技术

电动汽车的电池技术、电机技术和电控技术（简称“三电”技术）是电动汽车的关键技术，“三电”技术共同影响着电动汽车的动力性能、经济性、安全性和可靠性。1.电池技术

作为电动汽车的能量来源，动力电池的性能直接决定车辆的续驶里程（亦称续航能力），其成本约占整车成本的40%~60%。

电池管理系统（BMS）时刻监控、管理动力电池的状态，确保其能够高效、安全地为车辆提供电力。电池技术既包括动力电池的开发、设计、制造技术，也包括电池管理系统的软件、硬件以及模型、算法设计技术。（1）核心任务与关键技术

动力电池通过化学反应将化学能转化为电能。当电池放电时，内部的化学物质发生反应，产生电流和能量。同时，电池的电压、电流和温度等参数会随着工作状态的变化而发生相应的变化，这些参数的实时监控对于确保电池的安全与高效运行至关重要。

电池管理系统的核心任务是确保动力电池在运行过程中始终保持最优状态。为此，需要实时监控动力电池的电压、电流和温度，从而防范诸如过放电、过充电以及热失控等潜在风险。

BMS的三大关键技术包括：

①精确的SOC估算。借助复杂的算法，对动力电池的荷电状态（StateofCharge，SOC），即电池剩余电量进行准确预估，这是保障电动汽车正常行驶的重要一环。

②精准的均衡控制。维持单体电池之间的参数一致性，从而增强电池组的稳定性并提升输出功率。

③精细的热量管理策略。确保动力电池在适宜的温度范围内工作，以实现性能的提升和寿命的延长。（2）主要技术路线

动力电池的核心是单体电池（亦称电芯），它由正负极、隔膜和电解液构成。在电动汽车领域，电池技术路线呈现出明显的多样性特征。

目前，市场上主流的技术路线包括宁德时代主推的三元锂电池和比亚迪主推的磷酸铁锂电池。三元锂电池低温性能好，但生产成本高、高温安全性面临挑战。而磷酸铁锂电池安全性能好、循环寿命更长，但在低温下电池容量会出现较快衰减。项目磷酸铁锂电池三元锂电池动力电池总成价格（元/Wh）0.61动力电池总成体积能量密度（Wh/L）190~280240~400动力电池总成质量能量密度（Wh/kg）95~140，中位数120120~200，中位数160循环寿命（次）40001500使用安全性高温不着火，穿刺不爆炸容易发生热失控，安全性较差热失控温度（℃）500300低温性能低温下限为-20℃，0℃时SOC衰减约30%~40%低温下限为-30℃，冬季SOC衰减约15%标称电压（V）3.23.7快速充电能力快充技术成熟电导率低，快充时容易发热表1-1三元锂电池与磷酸铁锂电池的对比（3）新型电池技术

①固态电池。目前在电动汽车上，还在普遍使用液态电解质电池。固态电池多以钠或锂作为电池正极材料，其技术亮点在于固态电解质（多以硫化物作为固体电解质）的应用。

固态电池不仅显著提升了电池的安全性，降低了电池内部的短路风险，更在能量密度上达到了普通锂电池的3~5倍。

②石墨烯电池。石墨烯电池的超级快充能力极为突出，仅需充电10min，便可实现1000km的续驶里程。其碳原子结构的稳定性确保了电池的安全性。

此外，其循环寿命也极为出色，即便行驶50万千米后，电池衰减度仍能保持在5%以内，堪称锂电池技术的终极理想形态。比亚迪计划在2027年实现固态电池的量产装车。

尽管目前石墨烯电池的成本相对较高，但随着技术的不断进步和成本的逐步降低，其大规模应用值得期待。（4）最新研究方向

①电池健康状态监测技术。该技术能够实时追踪并评估电池的健康状态（StateofHealth，SOH），预测其剩余寿命，从而为电池的维护和替换提供有力的数据支持。

②数据驱动的BMS优化策略。借助大数据分析和人工智能技术，通过对海量电池使用数据的深入挖掘和学习，BMS系统能够更精细地调控电池的充放电过程，进而提升电池的使用效率和整体寿命。2.电机技术

驱动电机技术，主要体现在电机控制器上。电机控制器（MCU）作为电动汽车动力系统的核心控制部件，其性能的优劣直接关系到整车的动力性、经济性、安全性和可靠性。

电机控制器不仅承担着保障车辆安全与精准操控的重任，更是确保动力电池和驱动电机能够高效、稳定工作的关键。通过电机控制器的精准控制，整车动力系统的性能才能得以充分发挥，并为驾乘人员提供安全、舒适的驾乘体验。（1）核心功能

电机控制器的工作原理和结构形式根据电流形式和电机驱动方式的不同而有所差异，主要可分为直流电机控制器和交流电机控制器两大类。

如图1-17所示，交流电机控制器由低压和高压两部分组成，涵盖了输入/输出接口电路、控制主板、运算器、存储器、传感器等众多组件。图1-17交流电机控制器结构框图

绝缘栅双极型晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor，IGBT）模块作为其核心组件，承担着构建逆变器，并将直流电转化为交流电的重要任务（图1-18），从而驱动电机高效工作。图1-18IGBT模块将直流电变换为交流电（2）关键技术

①高效电力变换技术。旨在实现电能从动力电池到电机的顺畅且高效变换，为车辆提供稳定的能源。

②精准控制算法。通过先进的算法，实现对电机的精准控制，从而提升车辆的动力性和驾驶平顺性。

③先进的热量管理技术。针对动力电池、电机、电机控制器、车载充电器、DC-DC变换器等在工作时产生的热量进行科学管理，确保车辆能够长期稳定地工作。（3）最新研究方向

①多合一集成化。致力于推动将多个部件合成为一个部件，缩小驱动系统的体积，精简线束，从而提升整车的集成度和可靠性。

②双电机控制功能。探索实现驱动电机在电动机与发电机两种工况下，均能得到最优控制，以此进一步优化车辆的动力性能，并提升再生制动能量的利用率。

③高效能材料应用。研究新型高效能材料（如宽禁带半导体材料）在IGBT模块等核心组件中的应用，以提高逆变器的转换效率，并确保其运行的稳定性。3.电控技术

电控技术主要体现在车辆控制器上。车辆控制器（VCU）是车辆驱动、协调、控制系统的核心部件，承担着整车状态协调、满足驾驶人驾驶需求等至关重要的功能。图1-19VCU的控制功能（1）核心功能（2）主要结构

在主要结构方面，VCU涵盖了外壳、硬件电路、底层软件以及应用层软件等多个组成部分。其中，硬件电路作为其核心技术，采用了标准化的核心模块，包括32位主处理器、电源、存储器以及CAN接口，并辅以专用电路设计，如传感器信号采集电路等，以确保良好的可移植性和扩展性。

随着车规级处理器技术的不断进步，VCU采用32位处理器芯片，已经成为业界主流。

在软件层面，底层软件遵循汽车开放系统架构AUTOSAR标准，支持多样化的控制系统，并通过模块化设计来提升软件质量、缩短开发周期。（3）关键技术VCU的关键技术主要集中在应用层，包括驾驶人转矩需求解析、智能换档策略制定、多种驾驶模式顺畅切换、转矩精准分配以及先进的故障诊断策略等（图1-20）。这些技术的综合应用，将对电动汽车的动力性、经济性以及整车安全性产生显著而深远的影响。图1-20VCU的关键技术（4）最新研究方向

VCU已逐渐演变为整车核心域控制器（DomainController，DC），引领多域融合趋势，从而优化整车性能。随着“跨域融合”理念的深入推广，VCU正不断融入更多创新功能，如AC-DC车辆端充电主控和电动四轮驱动控制等，将进一步推动整车智能化和集成化水平的提升。1.3电动汽车开发平台1.3.1大众MEB开发平台MEB开发平台是大众汽车公司于2015年推出的电动汽车模块化开发平台。MEB的全称是ModularElectricDriveMatrix，即模块化电动驱动系统矩阵——通过MEB平台，可以设计、开发出各种型式的电动汽车。

MEB平台简化了底盘结构，将动力电池和电驱动系统按照相互独立的模块进行布置，可以根据实际需要进行灵活配置，从而最大程度的满足不同车型的开发需求。MEB平台采用驱动电机、电控（电力电子器件）、变（减）速器“三合一”的电驱动系统。目前，大众ID.4CROZZ、ID.4X、ID.6X等电动汽车都出自这一平台。图1-21大众MEB平台的关键组件1.动力电池MEB平台的动力电池位于底盘底部的中间位置，有效降低了底盘重心，亦有利于整车的轴荷分配，还可以给用户带来更好的动态驾驶体验。图1-21大众MEB平台的关键组件

动力电池采用模块化设计，由并联和串接的模组组成，每个模组又包含多个单体电池。这种设计使得单体电池数量可以根据能量需求进行灵活调整，从而适应不同的客户需求。

可以通过改变动力电池模组的数量衍生出不同的续驶里程，以满足不同车型对整车续航能力的要求。2.电驱动系统的组成

大众MEB平台支持双电动驱动系统，可实现单桥驱动或双桥驱动，以适应不同车型的需求。MEB平台提供了两种电驱动系统。其中，作为主驱系统的后驱动桥采用永磁同步电机。

如图1-22所示，后驱动桥将功率逆变器与驱动电机、单级减速器集成在一起，提供高达150kw的输出功率、310Nm的转矩以及16000r/min的最大转速。永磁同步电机不仅具有高功率密度，还能在宽调速范围内持续工作，确保动力源源不断。图1-22功率逆变器与驱动电机、单级减速器实现高度集成图1-21大众MEB平台的关键组件

前桥也可以作为驱动桥（前桥作为辅助驱动系统使用），前驱动桥装备感应电机（即三相异步电机）。该电机的最大输出功率为75kW、最大转矩为151Nm、最高转速为14000r/min，非常适合作为辅助驱动电机使用。

对于两轮驱动车型，仅后桥作为驱动桥使用；对于四轮驱动车型，前、后桥均作为驱动桥使用，且以后桥为主驱动桥，前桥为辅助驱动桥。3.驱动电机

在大众MEB平台中，主驱动桥（后桥）采用永磁同步电机，辅助驱动桥（前桥）采用异步电机。

永磁同步电机（图1-23a）具有高效率、高转矩特性，并且由于转子采用永磁体，无需额外励磁，因此能够降低能耗。但永磁同步电机的控制系统相对复杂，制造成本也较高。

异步电机（图1-23b）则以其结构简单、运行可靠而著称。其起动和运行性能均良好，能够适应不同的负载条件。但与永磁同步电机相比，异步电机效率稍低，转矩特性也略逊一筹。a）永磁同步电机b）异步电机

图1-23永磁同步电机与异步电机结构示意图（1）定子

如图1-24所示，定子铁心由多片外径为220mm的硅钢片（厚度为0.27mm）叠压而成。

图1-24定子结构

定子铁心内部嵌装三相发卡式绕组（定子绕组在定子铁心槽中按照一定的规律安装，外观颇似女士固定头发的发卡，故名发卡式绕组）。如图1-25所示，三相发卡式绕组的端部通过接线端子与功率逆变器的交流输出端子（U、V、W）连接。

在定子结构的末端，特别设计了一个用于安装温度传感器的装置（图中未示出），以确保实时监测定子绕组的温度状态。

为了进一步增强绝缘性能、优化热传导并固定绕组，定子绕组采用浸渍树脂进行处理。图1-25定子三相绕组与功率逆变器交流输出端子的连接（2）转子

如图1-26所示，转子由转子轴、嵌入V形永磁体的叠片、平衡盘（压板）以及旋转变压器转子（旋变转子）等多个部分组成，并被分为四段。其端面通过压板进行压紧，并借助四根穿心螺栓进行连接，这些螺栓贯穿叠片，确保转子的稳固性。

转子永磁体采用独特的“V+1”错位、倾斜布置方式，并覆盖一层可膨胀的磁性涂层，旨在提升电机的NVH性能。

硅钢叠片则是由硅钢片经过冲切精制而成，确保了转子的结构强度和稳定性。图1-26转子结构（3）旋转变压器与温度传感器

如图1-27所示，旋转变压器负责检测转子的位置和转速信息，为电机控制系统提供精确的反馈。而温度传感器则实时监测电机的工作温度，确保电机在安全温度范围内工作，防止定子绕组因过热损坏。旋转变压器与温度传感器两者的结合，为驱动电机的高效、稳定运行提供了有力保障。

旋变转子安装在电机转子轴的后端，其低压接线端子集成了定子绕组温度传感器和旋转变压器的输出信号，确保实时监测和精准控制。

在电机壳体的两端还设置了两个减速度传感器（碰撞检测元件），用于检测在行车过程中可能发生的碰撞事故。图1-27旋转变压器与温度传感器4.驱动桥总成

由于电机在低转速下即有很高的输出转矩，因此，在电动汽车，特别是电动乘用车中，一般不再需要设置结构复杂的多档变速器，仅需设置一个单级减速器即可。通过该单级减速器，对驱动电机的输出进行“衰减转速、增大转矩（减速增矩）”，即可满足乘用车的驱动要求。

为进一步简化结构、提高集成度，多将单级减速器与行星齿轮差速器结合成一个驱动桥总成，如图1-28所示。MEB平台的单级减速器可以具有不同的减速比，以满足各种驱动需求。在ID车型首次使用时，减速比为11.5:1，车辆的最高速度可达160km/h。图1-28MEB的后驱动桥总成（单级减速器+行星齿轮差速器）5.功率逆变器

如图1-29所示，功率逆变器负责将来自动力电池的高压直流电变换为三相交流电流，供给永磁同步电机使用。

此外，为了确保电磁兼容性，IGBT驱动板与控制电路板之间还加装了一层电磁屏蔽罩。

逆变器的三相逆变桥采用集成化的IGBT模块构成，为了确保IGBT模块不致过热，在IGBT模块周围设计有高效的冷却结构（冷却单元），通过冷却液对其进行可靠冷却。

在MEB平台中，DC-DC变换器被设计为一个独立的液冷组件，而非集成在逆变器中。这种灵活的设计使得DC-DC变换器可以方便地安装到车辆的其他部位，并且提供了两种功率等级供选择：1.8kW和3.0kW。图1-29功率逆变器的内部结构6.电驱动系统的冷却

如图1-30所示，整个电驱动系统采用液体冷却方式。

当冷却液流经电驱动系统时，首先会经过功率逆变器（确保IBGT等半导体器件的可靠冷却），然后通过一个密封管路进入电机外壳的冷却液流通孔道（冷却水套）。

对电机进行充分冷却后，冷却液在冷却水套的末端通过软管与车辆的外部冷却液流通回路相连。

图1-30电驱动系统采用液体冷却方式7.电驱动系统的技术参数项目MEB后驱动桥MEB前驱动桥电机类型永磁同步电机异步感应电机额定工作电压（V）320320持续30s峰值功率（kW）15075最大输出转矩（Nm）310151最高转速（r/min）1600014000重量*（kg）9060注：指逆变器+电机+驱动桥“三合一”的总重。表1-2大众MEB平台电驱动系统的技术参数1.3.2比亚迪e开发平台

比亚迪股份有限公司将其电动汽车开发平台称为e平台。比亚迪e平台历经多年发展，已经完成了多次重要的技术迭代。从最初的e平台1.0版本到2025年3月17日发布的超级e平台，每一次升级均为电动汽车的性能、效率带来大幅度的提升。1.e平台1.0版本2015年发布的e平台1.0版本是比亚迪在电动汽车领域的早期尝试。e平台1.0版本通过集成化设计，将驱动电机、电控系统和减速器进行集成化设计，形成电机、电控系统、单级减速器三个核心部件“三合一”，大幅提升了车辆的综合性能。2.e平台2.0版本2018年发布的e平台2.0版本进一步实现了关键系统的平台化设计，通过集成式技术创新，提升了纯电动汽车的整体性能。

这一阶段的技术升级为比亚迪在中低端市场的布局提供了有力的技术支撑。3.e平台3.0版本2021年发布的e平台3.0版本通过“八合一”电驱动系统（图1-31）、电池与车身融合设计的CTB整车安全架构、高效热泵、刀片电池等技术，实现了从A级车到D级车的全覆盖。

所谓“八合一”，就是将驱动电机、单级减速器、电机控制器、电力分配控制单元（PDU）、DC-DC变换器、双向车载充电器（Bi-OBC）、车辆控制器（VCU）和电池管理系统（BMS）这八个关键部件集成在一起。图1-31基于e平台3.0版本的“八合一”电驱动系统

这款基于e平台3.0版本的“八合一”电驱动系统，驱动电机的峰值功率达到了270kW，峰值转矩为360Nm，最高转速可达16000r/min。尽管电机转速如此之高，但系统的噪音却低于76dB，功率密度也提升了20%，综合工况效率高达89%。

在e平台3.0版本中，通过将硅基IGBT模块升级为宽禁带碳化硅（SiC）基电力电子器件，并将圆线电机改进为发卡式绕组扁线电机（图1-32）。以扁线定子绕组取代原来的圆线后，充分利用了定子铁心的内部空间（图1-33），定子绕组的满槽率提高8%、定子绕组减重22.6%、定子绕组总电阻下降8%，并大幅度拓展了驱动电机的高效率运行区间（图1-34）。图1-32发卡式绕组扁线电机（定子绕组）图1-33定子绕组圆线电机与扁线电机的比较图1-34大幅度拓展了驱动电机的高效率运行区间

从驱动电机系统的角度来看，除提高了1%的系统效率、最高效率达97.5%之外，还将额定功率提升40%、轴向空间减少17%、电机体积减少20%，综合成本降低15%——驱动电机系统更轻、更小、更强、更高效！

在e平台3.0版本中，比亚迪首次采用全新动力组合架构——主驱动桥采用永磁同步电机，辅助驱动系统采用异步电机：在加速工况，双电机同时发力；在稳定行驶工况，异步电机断电，仅靠永磁同步电机工作，既能输出四驱的澎湃动力，又能实现近于两驱的电量消耗。之所以如此设计，是因为异步电机的空载损耗要比永磁同步电机的空载损耗更低，仅为同步电机的20%（图1-35）。图1-35异步电机的空载损耗要比永磁同步电机的空载损耗更低

基于e平台3.0版本的比亚迪·宋L即采用“前桥异步电机+后桥永磁同步电机”的“同步+异步”高性能四驱架构，总输出功率为380kW，总转矩为670Nm，其0~100km/h加速时间仅为4.3s。图1-36采用“同步+异步”高性能四驱架构的比亚迪·宋L

除了“八合一”电驱动系统之外，强调电池与车身融合设计的CTB整车安全架构，也是e平台3.0版本的一大亮点。所谓CTB，即CellToBody——电池车身一体化。换言之，CTB技术将动力电池组与车身框架融合为一个整体，实现了动力电池组与车身的一体化设计。CTB电池、车身一体化技术，将动力电池上盖与车身地板合二为一，从原来动力电池组的“三明治”结构，进化成整车的“三明治”结构。动力电池系统既是能量载体，又是车身结构件。这种融合简化了车身结构和生产工艺，是对传统车身设计的一次重大变革。

作为首款搭载CTB技术的e平台3.0车型，比亚迪·海豹（图1-37）是电动汽车先进技术领域的集大成者——最高车速可达240km/h，空气阻力系数低至0.219，麋鹿测试通过车速为83.5km/h，单移线测试通过车速为133km/h，最大横向稳定加速度为1.05g，综合性能表现优异。

除上述特点之外，e平台3.0版本还支持800V高压平台，使充电效率大为提高——充电5min即可行驶150km。图1-37采用CTB技术的比亚迪·海豹4.e平台3.0

Evo版本2024年发布的e平台3.0Evo版本是e平台3.0的升级版本，包括CTB电池、车身融合设计、“十二合一”智能电驱动、智能宽温域高效热泵、全域智能快充和智能运动控制等五大技术集群。

当业界还在使用“三合一”电驱动系统时，比亚迪已采用“八合一”设计，而e平台3.0Evo版本则直接升级为“十二合一”智能电驱动系统（图1-38），具体包括转速达23000r/min的驱动电机、单级减速器、1200V碳化硅电控、车辆控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）、直流变换器（DC-DC）、车载充电器（OBC）、电力分配控制单元（PDU）、智能升压模块、智能升流模块、智能自加热模块、能量管理系统。图1-38比亚迪“十二合一”智能电驱动系统e平台3.0Evo版本已成功应用于比亚迪·海狮07EV（图1-39）、海豹06GT等车型，并计划陆续下放至更多入门级车型（如新款比亚迪·秦LEV等）。图1-39基于e平台3.0Evo版本的比亚迪·海狮07EV5.超级e平台版本2025年3月17日发布的超级e平台是比亚迪的最新技术成果（图1-40）。

超级e平台的核心亮点包括转速高达30511r/min的驱动电机、兆瓦级闪充技术和全新一代车规级碳化硅功率模块，核心“三电”全维升级，刷新多项全球之最。

在充电速度上，充电功率高达1兆瓦，实现全球量产车最高峰值充电速度——闪充5min，畅行400km；在动力性能上，达到单模块、单电机输出功率580kW，最高车速超过300km/h，首发搭载于划时代的旗舰车型比亚迪·汉L（图1-41）和比亚迪·唐L（图1-42）上。这两款车型的0~100km/h加速时间分别缩短至2.7s和3.9s。图1-40超级e平台是比亚迪的最新技术成果图1-41比亚迪·汉L图1-42比亚迪·唐L

比亚迪超级e平台的发布，不仅树立了纯电动时代新的技术标杆，更通过开放的供应链体系带动全产业链的技术升级。

从“三电”系统到智能座舱，比亚迪汽车始终践行“工业强国、产业报国”的发展理念，不断开拓创新，为全球汽车工业转型变轨提供“中国方案”。本章结束电动汽车技术第2章动力电池技术2.1概述2.1.1电池的分类

电池种类繁多、性能各异，大体上可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类（图2-1）。图2-1电池的分类1.化学电池

能够通过物质的化学反应发电的电池，称为化学电池。化学电池按工作性质可分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池等。（1）一次电池（2）二次电池（3）燃料电池

燃料电池又称连续电池，是指参加化学反应的活性物质从电池外部源源不断地输入电池，电池就能源源不断地工作而提供电能。燃料电池相当于一个发电厂，它不同于一般的二次电池，无法像二次电池那样进行充电。

化学电池按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。化学电池按电池的工作特性分为高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池等。

化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉系列、镍氢系列、铅酸系列、锂电池系列等。2.物理电池

物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。3.生物电池

生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池、酶解电池等。

从满足电动汽车使用性能要求的角度看，凡是能够为驱动电机提供足够电能、能够驱动电动汽车行驶的电池，统称为动力电池。

目前，在电动汽车领域应用的动力电池，主要有镍氢电池、锂电池、质子交换膜氢燃料电池、飞轮电池以及超级电容器等。其中，以锂电池的应用最为广泛。

2.1.2电池的性能指标

电池作为储能动力源，在电动汽车上发挥着非常重要的作用，评价电池的实际效能，主要是看电池的性能指标。

电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有差异。2.1.3电动汽车对动力电池的要求①比能量高。②比功率大。③循环寿命长。④产品一致性好。⑤温度特性好、环境适应性强。⑥

制造和使用成本低。⑦

环境友好，绿色环保。⑧

安全性好。GB38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》将动力电池“不起火、不爆炸”从企业技术储备层面上升为强制性要求，标志着国家对动力电池安全进入零容忍时代。GB38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》明确提出——单体电池出现热失控后，电池包（或动力电池系统）需至少在2h观察期内无起火、爆炸现象，且所有监测点的温度T≤60℃，即要求动力电池系统具备多层级热失控防护能力。GB38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》同时规定，动力电池出现热失控后，车辆在5min内必须向驾乘人员发出报警信号，且报警前后5min内应无可见烟气进入乘员舱，以便为驾乘人员留出足够的逃生时间。GB38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》对动力电池热失控检测项目（图2-2）提出了极为严苛的测试要求。图2-2动力电池热失控检测项目

在针刺（针刺速度为0.1~1mm/s）、外部加热基础上，新增了“内部加热片触发热失控”测试要求，以模拟电池内部短路等复杂故障场景。

图2-3动力电池底部撞击测试

针对超级快充技术，GB38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》明确指出——动力电池在完成300次快充循环（SOC区间20%~80%）之后，仍需通过外部短路测试，强化了动力电池快充性能的稳定性要求，以防止动力电池因高频充放电导致的性能衰减和安全隐患。

此外，GB38031-2025《电动汽车用动力蓄电池安全要求》还对动力电池的盐雾试验测试以及观察时长进行了优化，将盐雾试验之后的监测时间延长至2h，以确保动力电池延迟性爆燃的潜在风险居于可控状态。2.2镍氢电池2.2.1概述

镍氢电池（Ni-MHBattery。其中，字母M表示储氢合金）是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点。相对铅酸蓄电池，镍氢电池（图2-4和图2-5）在能量密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。图2-4镍氢电池

图2-5德国瓦尔塔（VARTA）车用镍氢电池

混合动力电动汽车需要动力电池有快速充电和放电性能，在这一点上镍氢电池的优点明显。在车用镍氢动力电池开发、生产领域，我国在技术和资源上均具有优势，我国的氢氧化镍性能世界领先，稀土资源丰富，具有得天独厚的资源优势。2.2.2镍氢电池结构与工作原理1.镍氢电池结构

按照外形不同，镍氢电池可以分为方块形镍氢电池、圆柱形镍氢电池等多种，但其基本结构都是相似的。

如图2-6所示，单体镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。图2-6圆柱形镍氢电池的结构1-正极端子；2-安全阀（卸压阀）；3-绝缘环；4-正极集电器；5-外壳；6-负极集电器；7-负极端子；8-负极；9-隔膜；10-正极

镍氢电池的正极由活性物质氢氧化镍Ni(OH)2构成（图2-7），负极是储氢合金。

可以作为储氢合金的稀土材料和金属化合物很多，如AB5型稀土储氢合金，主要以镧镍五（LaNi5）为代表；AB2型（Laves相）储氢合金，主要以锆基Ti-Zr-V-Cr-Ni合金为代表；AB型钛基储氢合金，主要以TiFe合金为代表；A2B型镁基储氢合金，主要以Mg2Ni为代表，等等。

电解液多采用氢氧化钾（KOH）水溶液，并加入少量的氢氧化锂（LiOH）。在正、负极之间有隔膜，隔膜多采用多孔维尼纶（Vinylon或Vinalon）无纺布或尼龙（Nylon）无纺布等制造。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。图2-7球形Ni(OH)2产品

镍氢电池在充、放电过程中，正、负极上在进行电化学反应时，不发生任何中间态的可溶性金属离子，也没有电解液中的任何组分消耗和生成，因而镍氢电池可以做成密封型结构。

拆解后的镍氢电池如图2-8所示，由于安全阀失效而爆裂的镍氢电池如图2-9所示。图2-8拆解后的镍氢电池1-正极端子；2-外金属外壳（也是负极端子）；3-正极；4-带集电极的负极（金属栅极，连接金属外壳）；5-隔膜（将正、负电极隔开）图2-9由于安全阀失效而爆裂的镍氢电池

镍氢电池的基本单元是单体电池，其标称电压为‌1.2V。在实际使用中，可按照具体的使用要求，通过“串联升压、并联扩容”的方式，将若干个单体电池组合成不同电压和不同容量的镍氢电池总成（图2-10）。图2-10288V镍氢电池总成2.镍氢电池的工作原理

镍氢电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液（30%的氢氧化钾溶液）组成。镍氢电池的性能主要取决于本身的电极反应。

图2-11

镍氢电池的化学反应2.2.3镍氢电池的应用与没落1.镍氢电池的应用

镍氢电池已经在电动工具、民用电信产品、便携式电源领域得到了广泛应用，在车用动力电池领域的应用，特别是混合动力汽车领域，曾一度占据相当的势。

日本从事电动汽车用镍氢电池开发的主要代表性厂商为松下电池、三洋电机和东芝电池三大公司。丰田普锐斯、雷克萨斯LS600h等混合动力汽车均曾采用镍氢动力电池（图2-12）。图2-12

丰田普锐斯混合动力汽车采用的镍氢动力电池总成2.镍氢电池趋于没落

尽管镍氢电池的安全性极好，但由于镍氢电池的能量密度不足，加之电动汽车技术升级、对动电池技术指标的要求不断提升，在与锂电池的竞争中，镍氢电池“败走麦城”，逐渐趋于没落。

自2021年开始，各主机厂相继放弃镍氢电池，转而采用综合技术指标更高的锂电池。其原因主要有以下几个方面：（1）锂电池优势明显‌锂电池的能量密度是镍氢电池的2~3倍，锂电池比镍氢电池轻约40%。锂电池的充电效率更高，支持更高倍率的充放电，快充时间缩短50%以上。（2）混动系统的技术升级

插电混动车型需要平衡纯电续航与动力输出，锂电池的能量/功率双优特性成为满足该要求的必然选择。（3）成本与产业环境

镍氢电池的价格优势并不突出。目前全球动力电池产业链90%以上产能都开始转向锂电池，镍氢电池供应链逐渐萎缩。（4）锂电池的安全性大为提升

镍氢电池曾在安全性上领先于锂电池。但近年来锂电池通过固态电解质、陶瓷隔膜、智能温控系统等技术创新手段，已实现与镍氢电池大致相当的安全性，补齐了安全性短板。2.3锂电池2.3.1概述

锂离子电池（Lithium-IonBattery，图2-13）简称锂电池，是1990年由日本索尼（SONY）公司率先推向市场的新型高能蓄电池。锂电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽泛和安全可靠等优点，已成为电动汽车最为理想的动力电池。

锂电池的主要原材料为锂，我国的锂矿资源（图2-14）非常丰富，已探明的锂矿储量居世界第2位，在发展锂电池方面，具有天然的资源优势。锂离子也存在于海水中，也可利用太阳能从海水中提取。

图2-1318650锂电池

图2-14高品位锂矿石2.3.2锂电池的分类与结构1.锂电池的分类

按照锂电池的外形不同，可以分为方块形、圆柱形以及异形锂离子电池等多种。

按照锂电池正极的材料不同，电动汽车用锂电池主要分为锰酸锂电池、镍钴锂电池和镍钴锰锂电池、磷酸铁锂电池几大类。

根据锂电池所用电解质材料不同，电动汽车用锂电池可以分为液态锂电池（LiquidLithium-IonBattery，LIB）、聚合物锂电池（PolymerLithium-IonBattery，LIP）和固态锂电池（solid-statelithium-ionbattery）三大类。

其主要区别在于电解质不同，液态锂电池使用的是液体电解质，而聚合物锂电池则以聚合物电解质来代替，固态锂电池则采用有机或无机陶瓷等固态材料作为电解质。不论是液态锂电池，聚合物电池，还是固态锂电池，其工作原理都是相同的，正极材料也基本一致。2.锂电池的结构

锂电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。方块形锂电池结构如图2-15所示。（1）正极

锂电池正极材料是具有能使锂离子较为容易地嵌入和脱出，并能同时保持结构稳定的一类化合物——嵌入式化合物。用作电极材料的嵌入式化合物均为过渡金属氧化物。在充放电循环过程中，锂离子会在金属氧化物电极上进行循环往复的嵌入和脱出，因此，金属氧化物结构内氧的排列及其稳定性是电极材料的一个重要指标。图2-15

方块形锂电池结构示意图

作为嵌入式电极材料的金属氧化物，依其空间结构的不同主要有层状化合物（如钴酸锂和镍酸锂）、尖晶石型结构（如锰酸锂）和橄榄石型结构（如磷酸铁锂）三大类。

正极物质在锰酸锂电池中以锰酸锂（LiMn2O4）为主要材料；在钴酸锂电池中以钴酸锂（LiCoO2）为主要材料；在镍钴锂电池中以镍钴酸锂（LiNi0.7Co0.3O2）为主要材料；在镍钴锰锂电池中以镍钴锰酸锂（LiNixCoyMn1-x-yO2）为主要材料；在磷酸铁锂电池中以磷酸铁锂（LiFePO4）为主要材料。

钴酸锂（LiCoO2）电池具有放电电压高、性能稳定、易于合成等优点。

但钴（Co）资源（图2-16）稀少，价格昂贵，并且有毒，对环境有污染。目前，钴酸锂电池主要应用在手机、笔记本电脑等中、小容量消费类电子产品中。图2-16高品位钴矿石

镍（Ni）与钴的性质非常相近，价格比钴略低，对环境污染也较小。但是，我国镍资源（图2-17）也很少。同时，还有相当一部分镍资源用于不锈钢的制造。因此，可用于发展高镍锂电池的镍资源并不多。

锰（Mn）资源（图2-18）储量丰富，价格也低，毒性远小于过渡金属钴、镍等。锰酸锂电池的主要缺点是电极的循环容量容易迅速衰减。

磷酸铁锂（LiFePO4）中的强共价键能使电池在充放电过程中保持晶体结构的高度稳定，因此，磷酸铁锂具有比其他正极材料更高的安全性能和更长的循环寿命。另外，磷酸铁锂电池具有原材料来源广泛、价格低廉、无环境污染、比容量高等优点。

在正极活性物质中还要加入导电剂、树脂黏合剂，并将其涂敷在铝基体（铝箔）上，使之呈薄层状分布。图2-17高品位镍矿石图2-18高品位锰矿石（菱锰矿晶体）（2）负极

负极材料是决定锂电池综合性能优劣的关键因素之一。比容量高、容量衰减率小、安全性能好是对负极材料的基本要求。

负极活性物质一般是由碳材料（石墨）与黏合剂的混合物，再加上有机溶剂调合制成糊状，并涂覆在铜基体（铜箔）上，使之呈薄层状分布。

石墨（图2-20）具有完整的层状晶体结构，是锂电池中应用最早、研究最深入的一种负极材料。石墨的层状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂-石墨层间化合物，其理论最大放电容量为372mAh/g，充放电效率通常在90％以上。

锂在石墨中的嵌入/脱嵌反应主要发生在0～0.25V之间（相对于Li+/Li），具有良好的充放电电压平台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂电池负极材料。

图2-19液态锂电池的负极材料图2-20

高品位天然石墨

氧化物是当前研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化物。前两者虽具有较高理论比容量，但因从氧化物中置换金属单质时会消耗大量锂而导致巨大的容量损失，反而抵消了其高容量的优点。

如图2-21所示，尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12）具有尖晶石结构，其晶体具有立方体对称结构。

在图2-21中，黄色四面体代表锂，绿色八面体代表无序锂和钛，红色小球代表氧离子。其中，锂离子占据四面体8a位，占八面体16d位的1/6，其余八面体16d位被四价Ti4+离子占据，锂离子与钛离子的比值为1：5。氧离子位于32E位。

以尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12）替代石墨后，电池充放电曲线平坦，放电容量为150mAh/g，具有非常好的耐过充/耐过放性能，充放电过程中晶体结构几乎无变化（零应变材料），循环寿命长，充放电效率接近100％，目前已在储能型锂电池中开始应用。图2-21尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12）的晶体结构

金属锂（Li）是最先采用的负极材料，理论比容量为3860mAh/g。20世纪70年代中期，金属锂在商业化电池中得到应用。但因充电时，负极表面会形成锂晶枝，导致电池短路，于是工程界开始寻找一种能够替代金属锂的负极材料——锂合金。

锂晶枝（DendritesofLithium）是指采用液态电解质的锂电池在充电时，锂离子还原时形成的树枝状金属锂单质晶体。

锂合金具有很高的比容量，相比碳材料，锂合金较大的密度使得其理论体积比容量也较大。同时，锂合金由于加工性能好、导电性好等优点，被认为是极具发展潜力的一种负极材料。

锂晶枝（图2-22）生长到一定程度时会刺破隔膜，造成电池内部短路，严重威胁人身安全。图2-22锂晶枝刺破电池隔膜（3）隔板

隔板的作用是关闭或阻断锂离子通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯微孔、多孔薄膜做成隔板。所谓关闭或阻断功能，是指当锂电池出现温度异常升高时，隔板能够阻塞或阻断作为锂离子通道的微孔，终止电池的充放电反应，实现锂电池的自我保护。（4）电解液

电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具与锂离子相性良好的溶剂，即以不阻碍锂离子移动的低黏度有机溶液为宜，而且在锂电池的工作温度范围内，必须呈液体状态，凝固点低，沸点高。

电解液对于活性物质必须具有化学稳定性，能够良好地适应充放电反应过程中发生的剧烈氧化还原反应。由于单一溶剂很难满足上述苛刻要求，因此一般将几种不同性质的溶剂混合在一起，作为电解液使用。

目前，国内企业生产的锂电池电解液的溶质均以六氟磷酸锂（LiPF6）为主，有机溶剂在碳酸乙烯酯（Ethylenecarbonate，EC，99%）、碳酸二烯酯（DiethylCarbonate，DEC，99%）和碳酸二甲酯（DimethylCarbonate，DMC）等材料中有不同的组合。溶剂碳酸乙烯酯（Ethylenecarbonate，EC）、碳酸二烯酯（DimethylCarbonate，DEC）、碳酸二甲酯(dimethylcarbonate，DMC)、脂肪酸甲酯（Methyl）、碳酸丙烯酯（PropyleneCarbonate，PC）以及1，4-丁丙酯（γ-Butyrolactone，GBL）等溶质六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、高氯酸锂（LiClO4）以及三氟甲烷磺酸锂（LiCF3SO3）等添加剂阻燃添加剂、导电添加剂、成膜添加剂、耐过充/耐过放添加剂以及耐高温/耐低温添加剂等表2-1锂电池电解液材料组成（5）PTC元件

在磷酸铁锂电池盖帽内部，还设有PTC热敏电阻元件，作为过热熔断器或过流熔断器使用，确保电池的安全使用。图2-23PTC形貌（6）安全阀

在实际使用过程中，如果锂电池内部压力出现异常升高，则安全阀会自动释放气体，以防止电池破裂或爆开。安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，安全阀是电池最后的保护手段。2.3.3锂电池的工作原理

锂电池是一种锂离子浓度差电池，其正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物（LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4），负极采用锂碳层间化合物LiC6，电解质为六氟磷酸锂（LiPF6）和六氟砷酸锂（LiAsF6）等有机溶液。

如图2-24所示，充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。

放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。

通过锂离子（Li+）在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。图2-24锂电池工作原理图2-24锂电池工作原理

正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构；在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。

因此，从充放电的可逆性看，锂电池反应是一种理想的可逆反应。

锂电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液。

如图2-25所示，充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。

对于以钴酸锂（LiCoO2）为正极材料，石墨为负极材料的钴酸锂电池而言，其放电时的电化学反应方程式为：正极反应：LiCoO2→Li（1-x）CoO2+xLi++xe-

（2-8）负极反应：6C+xLi++xe-→LixC6

（2-9）总反应为：LiCoO2+6C→Li（1-x）CoO2+LixC6

（2-10）

充电时，钴酸锂电池正、负极的反应与放电时相反，锂离子和电子从负极回到正极，恢复其原始状态。图2-25锂电池的晶格结构与锂离子运动图2-25锂电池的晶格结构与锂离子运动

对于以磷酸铁锂（LiFePO4）为正极材料，石墨为负极材料的磷酸铁锂电池而言，其放电时的电化学反应方程式为：正极反应：LiFePO4→Li（1-x）FePO4+xLi++xe-

（2-11）负极反应：6C+xLi++xe-→LixC6

（2-12）总反应为：LiFePO4+6C→Li（1-x）FePO4+LixC6

（2-13）

充电时，磷酸铁锂电池正、负极的反应与放电时相反，锂离子和电子从负极回到正极，恢复其原始状态。

锂电池在工作过程中只涉及锂离子的嵌入与脱嵌，而不涉及金属锂的充放电过程。因此，从根本上解决了由于锂晶枝的产生而导致的电池安全性和循环寿命问题，特别适合作为电动汽车动力电池使用。

如图2-26所示，锂电池犹如一张摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就像运动员一样在摇椅上来回跑动（嵌入与脱嵌）。因此，锂电池亦称摇椅电池（RockingChairBattery）。图2-26锂电池亦称摇椅电池2.3.4锂电池的特点锂电池有许多显著特点，其优点主要表现为：①工作电压高。钴酸锂单体电池电压为3.6V，锰酸锂单体电池电压为3.7V，磷酸铁锂单体电池电压为3.2V。②比能量高。理论比能量可达200Wh/kg以上，实际应用中也可达140Wh/kg。③循环寿命长。深度放电循环次数可达1000次以上；低放电深度循环次数可达上万次。④自放电率低。月自放电率仅为总容量5%～9%。⑤无记忆效应。