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2.2 电池和超级电容器的结构

2.2.1 电池单体、电池模块、电池包与电池系统

电池单体、电池模块、电池包与电池系统如图2-8所示。下面根据《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(GB 38031—2020),对相关术语和定义进行介绍。

(1)电池单体(Battery Cell):将化学能与电能进行相互转化的基本单元装置。电池单体又称“电芯”。通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子等。电池单体如图2-8(a)所示。

(2)电池模块(Battery Module):将一个以上电池单体按照串联、并联或串并联方式组合,并作为电源使用的组合体。例如,汽车起动机使用的12V铅酸电池是由6个标称电压为2V的电池单体串联而成的。在电动汽车中,通常将多个电池单体并联构成电池模块,以增大容量。电池模块如图2-8(b)所示。

(3)电池包(Battery Pack):可从外部获得电能并对外输出电能的单元。通常包括电池单体、电池管理模块(不含主控单元)、电池箱及相应附件(冷却部件、连接线缆等)。电池包如图2-8(c)所示。

(4)电池系统(Battery System):由一个或一个以上的电池包及相应附件(管理系统、高压电路、低压电路及机械总成等)构成的能量存储装置。电池系统如图2-8(d)所示。

此外,某些情况下,电动汽车的动力电池系统不完全根据上述定义划分。例如,乘用车电池系统通常仅由一个电池包构成,电池包直接集成了高压电路、机械总成等附件。由多个电池包构成的电池系统通常用于动力电池容量较大的商用车。

图2-8 电池单体、电池模块、电池包与电池系统

适用于电动汽车的电池单体通常有圆柱形、方形和软包3种,图2-8(a)为圆柱形电池单体,方形电池单体和软包电池单体如图2-9所示。

图2-9 方形电池单体和软包电池单体

方形电池单体和软包电池单体一般应用于大容量场合,因此能获得较高的能量密度。但由于标准结构尺寸共识度不高,不同厂家生产工艺不统一,一般应用于定制场合。圆柱形电池单体的优点包括:①卷绕工艺成熟,自动化及标准化程度高,生产效率高,一致性好,成本较低;②成组时,单体间有较大空间,易于散热,可以采用风冷等低成本冷却方式;③单体容量较小,安全性较高且成组方式灵活。圆柱形电池单体广泛适用于各类电动汽车。其缺点是能量密度较低,导致连接损耗较大、管理成本较高;径向导热差,导致温度分布不均匀。

方形电池单体、软包电池单体和圆柱形电池单体的原理完全一致,仅形状和部分材料略有不同。圆柱形电池单体结构如图2-10所示,主要包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液、集流体、正极极帽、负极壳体、安全阀及CID(Current Interrupt Device,电流切断装置)、PTC(Positive Temperature Coefficient,正温度系数)电阻等部件。正极材料、隔膜、负极材料和集流体均匀卷绕在充有电解液的圆柱形壳体内,壳体充当负极,正极通过极帽引出。

安全阀及CID、PTC电阻是电池单体的重要安全防线,安全阀及CID的工作原理为:受过充、短路等因素的影响,单体内部产生大量气体,当压力升高至一定程度时,安全阀上方的碗形铝片会向上弹起,与下方的铝片脱离接触,使电路立即断开;如果压力继续升高,安全阀将破裂,内部压力得以释放,可以避免因压力过高而导致爆炸。

图2-10 圆柱形电池单体结构

PTC电阻的工作原理为:当电池充放电电流过高时,PTC电阻发热升温;当温度达到相应阈值时,PTC电阻会突然增大,从而切断电流。

根据《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》(GB/T 34013—2017),常见的18650型、21700型圆柱形电池单体的直径分别为18mm和21mm,高度分别为65mm和70mm。 3WYtUB1M8V1K0UaDN++24BLL46uE+7lXdkvYlwywHlMsBySABkI2A2NFP44Ic1Df

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