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        蓄電池基礎知識——從“電池分類”到“動力蓄電池成組技術”
        05-17
        2022

        蓄電池基礎知識




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        一. 電池分類




        蓄電池通常簡稱電池,是將化學能轉化成電能的一種裝置,常見類別如圖 3-1 所示。電池內部的電化學特決定了該電池是否可以充電??沙潆婋姵貎炔拷Y構之間所發生的化學反應是可逆的,也叫做二次電池,新能源汽車上的動力蓄電池均為二次電池。一次電池只能作為一次 放電使用,它內部結構簡單且不支持這種變化,例如日常生活中使用的干電池。圣陽電源


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        圖 3- 1    電池分類




        曾經以日韓企業為首的電池技術企業,很早以前就將蓄電池的封裝種類歸為了三大形式:圓柱形、方形和軟包。直觀上, 它們的區別只是形狀不同, 但其在技術開發和應用上也有著顯著不同。


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        圓柱形電池

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        圓柱形電池內部采用螺旋繞制結構,用一種非常精細且滲透性很強的聚乙烯、聚丙烯或聚 乙烯與聚丙烯復合的薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成,如圖 3-2 所示。目前在制造標準上, 只有圓柱形電池具有一致性。例如,人們熟知的圓柱形電池分為 18650 、21700 等型號,型號 中的數字代表了圓柱形電池的尺寸標準。以 18650 型為例,它是目前最為成熟的圓柱形電池尺 寸標準,而 21700 型正在經歷不斷的技術進步,今后有可能取代 18650 型,成為新能源汽車的 首選圓柱形電池產品。


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        圖 3- 2    圓柱形電池結構




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        方形電池

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        方形電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池,其結構如圖 3-3 所示。隨著近些年汽車動力蓄電 池的興起, 續駛里程與電池容量之間的矛盾日漸凸顯, 國內動力蓄電池廠商多采用電池能量密 度較高的鋁殼方形電池, 因為方形電池的結構較為簡單, 不像圓柱形電池那樣需要采用強度較 高的不銹鋼殼體及防爆安全閥等附件,所以整體附件重量較輕,相對能量密度較高。

        與圓柱形電池相比,方形電池的可塑性更強,可以根據搭載產品的具體需求進行定制化設 計,從而導致了其尺寸規格不一。目前,無論是制造工藝或者應用標準,方形電池都沒有圓柱 形電池那樣清晰的標準劃分。但也正因為其靈活性高, 可以根據車型需求對方形電池尺寸進行 定制化設計,從而不會受到圓柱形電池尺寸標準的限制。圣陽蓄電池


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        圖 3- 3   方形電池結構




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        軟包電池

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        軟包電池只是液態鋰離子電池外套上一層聚合物外殼,采用鋁塑包裝膜,結構如圖 3-4 所示。軟包電池因為采用了疊加的制造方式,所以追求的是更加纖薄的體積,在相同的容量密度 下,其重量是最輕的。軟包電池也可以根據應用需求進行定制,小到手機電池的大小,大到可 以應用在新能源汽車上。
        軟包電池被視為移動設備上的首選,在汽車應用上,也因為其體積的可控性而被汽車品牌 所看重,尤其是針對插電式混合動力汽車,在兼顧整車布局和重量方面,軟包電池的體積優勢 更加明顯。


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        圖 3- 4   軟包電池結構




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        二. 鎳氫電池



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        鎳氫電池的結構

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        鎳氫(Ni-MH)電池是由氫離子和金屬鎳合成的,電量儲備比鎳鎘電池多 30%,比鎳鎘 電池更輕, 使用壽命也更長, 并且對環境無污染, 現主要應用于混合動力電動汽車。
        鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池高得多,性能要比鋰離子電池差一些。鎳氫電池中的金屬部分是金屬氫化物,主要分為兩大類,即 AB5 和 AB2。
        最常見的是 AB5,“A”表示稀土元素的混合物或者再加上鈦(Ti );“B”則表示鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn),或者還有鋁(Al)。一些含有多種成分的高容量電池,其電極主要由 AB2 構成,“A”表示鈦(Ti)或者釩(V);B 則表示鋯(Zr)或鎳(Ni),再加上一些鉻(Cr)、鈷(Co)、鐵(Fe)和錳( Mn )。鎳氫電池結構如圖 3-5 所示。


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        圖 3- 5   鎳氫電池結構




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        2. 鎳氫電池的工作原理


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        鎳氫電池的工作原理

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        鎳氫電池是一種堿性電池,其負極采用由儲氫材料作為活性物質的氫化物電極,正極采用 氫氧化鎳電極(簡稱鎳電極),電解質為氫氧化鉀水溶液。鎳氫電池充電時,氫氧化鉀電解液 中的氫離子會被釋放出來,由這些化合物將它吸收,避免形成氫氣,以保持電池內部的壓力和體積。當電池放電時,這些氫離子便會經由相反的過程而回到原來的地方。
        鎳鎘、鎳氫電池的充電過程非常相似,都要求恒流充電,以防止電池過充電。充電器對電 池進行恒流充電,同時檢測電池的電壓和其他參數。為避免損壞電池,電池溫度過低時不能開 始快速充電,當電池溫度低于 10℃時,應轉入涓流充電方式。而一旦電池溫度達到規定數值 后,必須立即停止充電。


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        3. 鎳氫電池型號說明


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        鎳氫電池型號說明

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        通常電池體上的 AAA、AA、C、D、N、F、SC 等標識都是美國型號標識。在我國,除了幾種電池按“號”稱呼之外,其他還是采用美國的命名方式。
        此外,二次鋰電池的型號采用五位數 (圓柱形)或六位數(方形)表示,如 14500、103450 等。常見電池型號、尺寸對照見表 3-1。

        序號
        美國型號
        我國俗稱
        尺寸(平頭)
        1

        AAAA

        AAAA

        高度( 41.5 ±0.5 )mm ,

        直徑( 8.1 ±0.2 )mm

        2

        AAA

        7 號

        高度( 43.6 ±0.5 )mm ,

        直徑( 10.1 ±0.2 )mm

        3

        AA

        5 號

        高度( 48.0 ±0.5 )mm ,

        直徑( 14.1 ±0.2 )mm

        4

        A

        A

        高度( 49.0 ±0.5 )mm ,

        直徑( 16.8 ±0.2 )mm

        5

        SC

        SC

        高度( 42.0 ±0.5 )mm ,

        直徑( 22.1 ±0.2 )mm

        6

        C

        2 號

        高度( 49.5 ±0.5 )mm ,

        直徑( 25.3 ±0.2 )mm

        7

        D

        1 號

        高度( 59.0 ±0.5 )mm ,

        直徑( 32.3 ±0.2 )mm

        8

        N

        N

        高度( 28.5 ±0.5 )mm ,

        直徑( 11.7 ±0.2 )mm

        9

        F

        F

        高度( 89.0 ±0.5 )mm ,

        直徑( 32.3 ±0.2 )mm

        表 3-1   常見電池型號、尺寸對照表


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        平頭電池是指電池正極是平的,沒有凸起,主要適合做電池組點焊使用的電池芯。一般同等型號的尖頭電池(可以用作單體電池供電的),在高度上比平頭電池多 0.5mm。有些電池并不是 AAA 、AA 、A 、SC 、C 、D 、N 、F 等主型號,而是帶有 1/3 、2/3 、1/2 、2/3 、4/5 、5/4、 7/5 等分數,這些分數表示電池體高度與標準型號電池高度的比值。例如, 2/3AA 表示電池高  度是一般AA 型電池的 2/3 ;4/5A 表示電池高度是一般A 型電池的 4/5。
        根據國際電工委員會(IEC)標準規定,鎳鎘和鎳氫電池標識由以下五部分組成。
        ( 1 )電池種類 :KR 表示鎳鎘電池;HF 表示方形鎳氫電池;HR 表示圓柱形鎳氫電池。
        (2 )電池尺寸 :包括圓柱形電池直徑 / 高度,方形電池寬度 /厚度/ 高度,各數值之間用 斜杠隔開,單位為 mm。
        (3 )放電特性符號:L 表示適宜放電電流倍率在 0.5C 以內;M 表示適宜放電電流倍率在 0.5 ~ 3.5C 范圍內;H 表示適宜放電電流倍率在 3.5 ~ 7.0C 范圍內;X 表示電池能在 7 ~ 15C 的高倍率放電電流下工作。
        (4 )高溫電池符號:用 T 表示。
        (5 )電池連接片種類:CF 代表無連接片;HH 表示電池帶串聯連接片;HB 表示電池帶并 聯連接片。
        例如, HF18/07/49 表示方形鎳氫電池,寬 18mm、厚 7mm、高 49mm;KRMT33/62CF表示鎳鎘電池,放電倍率在 0.5 ~ 3.5C 之間,高溫系列單體電池,無連接片,直徑 33mm、高度 62mm。




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        鎳氫電池的應用特性

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        大功率的鎳氫電池廣泛應用于油電混合動力車輛中,最具代表性的例子是豐田普銳斯,該車使用了特別的充放電程序, 電池充放電壽命可足夠車輛使用十年。
        雖然鎳氫電池的質量比鋰離子電池大,但仍然有部分新能源汽車使用鎳氫電池。從每個單體電池的電壓來看,鎳氫與鎳鎘電池的標稱電壓都是 1.2V。
        鎳氫電池的主要應用特性見表 3-2。

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        序號
        應用特性

        1

        質量比功率高,目前商業化的鎳氫功率型電池能達到 1350W ·h/kg

        2

        循環次數多,目前應用在電動汽車上的鎳氫動力蓄電池, 80% 放電深度(DOD)循環壽命可達 1000 次以上, 為鉛酸電池的 3倍以上;100%DOD 循環壽命在 500 次以上,在混合動力電動汽車中可使用 5 年以上

        3

        無污染,不含鉛、鎘等對人體有害的金屬,為 21 世紀綠色環保電源

        4

        耐過充電和過放電、無記憶效應

        5

        使用溫度范圍寬,正常使用溫度范圍為 ?30 ~ 55℃,儲存溫度范圍為 ?40 ~ 70℃

        6

        安全、可靠,在短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動等安全性和可靠性試驗中無爆 炸、燃燒現象

        表 3-2   鎳氫電池的主要應用特性


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