3.1 动力电池系统
3.1.1 锂离子电池基本知识
锂离子电池是目前电动车上最常用的电池种类之一，从1970年诞生至今时间并不算长，但相对于铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池，凭借其能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速在电动汽车上广泛应用。目前在电动汽车上配备的锂电池主要有锰酸锂电池、磷酸铁锂电池及三元锂聚合物电池。
锂（Lithium）是一种化学元素，化学符号是Li，它的原子序数是3，三个电子其中两个分布在K层，另一个在L层，是化学活动性较强的金属。原子量6.941，是最轻的碱金属元素。锂是银白色金属，质较软，可用刀切割。锂的密度非常小，仅有0.534g/cm3，非气态单质中最小的一个。密度比所有的油和液态烃都小，是最轻的金属，故应存于固体石蜡或者白凡士林中（在液体石蜡中锂也会浮起）。锂Li很容易分解成Li+和e-，即锂离子和电子。锂可与许多金属形成晶状锂合金结构物质，锂合金活性要小许多。锂Li在许多晶状结构的物质中可逆地以离子Li+形式嵌入和脱出。锂以这些晶状结构的材料为载体就安全多了。这是锂离子电池的应用的重要基础。
1.锂离子电池组成与结构
无论是方形电池还是圆柱形锂离子电池基本都由正极、负极、电解液及隔膜组成，另外加上正负极引线、安全阀、PTC（正温度控制端子）、外壳等，具体材料及作用见表3-1。
表3-1 锂离子电池组成、材料及作用
2.锂离子电池的充放电过程
当对电池进行充电时（图3-1），电池的正极上有锂离子脱出，脱出的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。放电过程（图3-2）则正好相反，电子和Li+同时行动，电子从负极经过外电路导体跑到正极，锂离子Li+从晶状体结构负极“脱插”进入电解液，“穿过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”嵌入正极晶体空隙，与外电路过来的电子结合在一起。
图3-1 锂离子电池的充电过程
图3-2 锂离子电池的放电过程
从中不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。如果把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。因此，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。
放电时锂离子不能完全移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证下次充电时的锂离子畅通嵌入通道，否则，电池寿命就相当短。为了保证碳层中放电后留有部分锂离子，也就是锂离子电池不能过放电，这就要严格限制放电终止最低电压；同时，根据锂离子工作原理最高充电终止应为4.2V，不能过充电，否则会因正极材料中的Li离子脱出太多造成晶型瘫塌，而使电池表现出寿命终结状态。由此可见，锂离子充/放电控制精度要求相当高，既不能过充电，也不能过放电，否则都将影响电池寿命，这是由锂离子电池工作机理所决定的。
3.1.2 动力电池系统组成部件
动力电池系统主要由电池模组、电池管理系统、动力电池箱及辅助元器件等四部分组成，如图3-3所示。
1.电池模组
由一个或多个单体并联再串联成一个组合，称电池模组；把每个电池组串联起来形成动力电池总成。例如：3P91S即3个并联组成一个单体，再由91个单体串联成动力电池总成。其中P的含义是并联，S的含义是串联。图3-4所示是一款实车采用动力电池的基本性能参数，该动力电池的型号为BESK-E305-3P91S-001。
图3-3 动力电池的内部组成
图3-4 动力电池性能参数
2.电池管理系统BMS（Battery Management System）
电池管理系统BMS是电池的管理核心，它的作用、功能及组成见表3-2。
表3-2 电池管理系统作用、功能及组成
3.辅助元器件
主要包括动力电池系统内部的电子电器元件，如熔断器、继电器、电流传感器、接插件、烟雾传感器以及电子电器元件以外的辅助元器件，如密封条、绝缘材料等。
（1）预充继电器与电阻（图3-5）。预充流程在充、放电初期闭合预充继电器，串进预充电阻对外部容性负载进行预充电，预充完成后断开预充继电器。
BMS控制预充继电器闭合或断开。放电模式低电压、小电流给各控制器电容充电。电容两端电压接近电池总电压时，闭合总正极继电器。充电模式给各单体进行预充电，确定单体无短路后闭合总正极继电器。
（2）电流传感器与熔断器（图3-6）。电流传感器监测充、放电电流；熔断器防止能量回收过压过流或放电过流。
（3）加热继电器与熔断器（图3-7）。充电过程当单体温度低于设定值，BMS控制加热继电器闭合，通过加热熔断器接通加热膜电路。
图3-5 动力电池内的预充系统
图3-6 电流传感器与熔断器
图3-7 加热继电器与熔断器
（4）继电器集成器（PRA），如图3-8所示。
（5）维护开关如图3-9所示。
图3-8 继电器集成器
图3-9 维护开关
3.1.3 动力电池相关术语及性能指标
（1）动力电池相关术语见表3-3所示，参照国标GB/T 19596—2017的规定。
表3-3 动力电池相关术语
（续）
2.不同电池类型的性能对比（表3-4）
表3-4 不同电池类型的性能对比
3.1.4 动力电池IP防护等级
IP表示Ingress Protection（进入防护），防护等级多以IP后跟随两个数字来表述，数字用来明确防护的等级。第一位数字表明设备抗微尘的范围，或者是人们在密封环境中免受危害的程度，代表防止固体异物进入的等级（表3-5），最高级别是6；第二位数字表明设备防水的程度，代表防止进水的等级（表3-6），最高级别是8。目前很多动力电池采用的防护等级为IP67。
表3-5 第一特性（防尘等级）
表3-6 第二特性（防水等级）
