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现在电动汽车普遍使用三元锂电池和磷酸铁锂电池作为动力电池。三元锂电池能量密度最高，对于对续航里程有要求的纯电动汽车来说，其应用前景更广，是目前动力电池的主流方向。三元锂电池就是三元材料电池，一般是指采用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂三元正极材料的锂电池，对镍盐、钴盐、锰盐（铝盐）三种不同的成分的比例进行调整，所以称为“三元”。
动力电池按正极材料可分为三元锂电池、磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池和钛酸锂电池等。钴酸锂电池可以说是锂电池的鼻祖，最先用在特斯拉电动汽车上，其循环寿命和安全性都较低，事实证明并不适合作为动力电池。为弥补这个缺点，特斯拉运用了号称世界上最顶尖的电池管理系统（BMS）来保证电池的稳定性。钴酸锂电池目前在电脑、通信和消费电子领域的市场份额很大。锰酸锂电池最先由电池企业AESC提出，使用锰酸锂电池的代表车型是日产聆风，其价格低，能量密度中等，安全性一般，逐步被替代。磷酸铁锂电池稳定性好，寿命长，具有成本优势，特别适用于需要经常充电、放电的插电式混合动力汽车，其缺点是能量密度一般。
动力电池用于吸收、存储和提供电能，以供电机驱动装置和高压车载网络使用。高压电池单元由多个电池单元模块组装而成，每个电池单元模块分别带有多个单体电池。电池单元模块相互串联在一起。电动汽车通过外部电网及制动能量回收，可以为高压电池单元充电。
1.锂电池的充电和放电
电池放电是将化学能转化为电能，而充电相反，将电能转化为化学能。电池通过电子在正极与负极之间的转移实现充电和放电。要想成为好的能量载体，电池就要以尽可能小的体积和质量存储和传送更多的能量。因此，电池需要满足原子相对质量小、电子转移比例高、得失电子能力强的基本条件，用锂做动力电池具备这三个条件。
图3-10所示为锂电池充电和放电过程。在锂电池充电和放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
当对锂电池充电时，在电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过聚合物电解质隔膜运动到负极。作为负极的碳呈层状结构，有很多微孔。到达负极的锂离子嵌入碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，电池充电容量越大。
在使用电动汽车（动力电池）的过程中，也就是锂电池放电时，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又回到正极。回到正极的锂离子越多，电池放电容量越大。这里所说的放电容量就是电池容量。
从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，锂电池通常采用两段式充电方法。第一阶段为恒流限压，第二阶段为恒压限流。锂电池充电的最高限压值根据正极材料不同而有一定的差别。
图3-10 锂电池充电和放电过程
2.锂电池的安全性
锂电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使电池内部压力增加，可能导致电池着火，甚至爆炸。
3.锂电池的热特性
锂电池放电电流越大，正极处的温度上升越快，并且温度极值越高。在环境温度较高，且电池大功率放电的情况下，必须采用散热措施，以避免安全问题。充电倍率越大，锂电池温度上升越快，温度峰值越高。
4.动力电池性能指标
动力电池性能指标如表3-1所示。
表3-1 动力电池性能指标
续表
不同正极材料的锂电池对比如表3-2所示。
表3-2 不同正极材料的锂电池对比
续表
表3-3所示为2020款小鹏P7动力电池指标参数。该电池分为长续航版与标准续航版。长续航版成组方式为2P96S，共192颗单体电池；标准续航版成组方式为4P96S，共384颗单体电池。
表3-3 2020款小鹏P7动力电池指标参数
1.总体结构
在实际维修中，我们一般不需要拆解动力电池进行维修，而是整体更换，但需要判断动力电池是否存在故障，所以需要更进一步地了解动力电池内部结构。动力电池如图3-11所示。动力电池组成部件分解如图3-12所示。
图3-11 动力电池
图3-12 动力电池组成部件分解
动力电池的下壳体为主要承重件，分为两个区域，大区域主要承载模组和冷却板等零件，中间布置纵梁和横梁，以加强壳体强度。小区域为维修测试区域，主要承载电源分配单元和电池管理系统等零件。上壳体分为大盖板和小盖板，大盖板主要用于防护模组，小盖板用于防护电源分配单元和电池管理系统区域。大盖板与下壳体通过密封胶进行密封，小盖板与下壳体通过密封垫进行密封，电池壳体密封满足高压水枪或高温水蒸气冲刷标准。
图3-13所示为蔚来ES8动力电池。该系统共有32个基础电池模组，通过串并联方式连接；模组与外壳体之间的固定是通过螺栓连接；每4个模组共用一块冷却板，系统共有8块独立的冷却板；电池管理系统、电源分配单元、高低压电气连接接口、冷却连接接口均布置在电池包的一侧。
1-顶部套筒；2-顶板；3-前盖板；4-防火垫；5-电池管理系统；6-电源分配单元；7-密封圈；8-铜排；9-模组；10-冷却水管；11-电池底壳；12-泄压阀；13-冷却板；14-导热垫
图3-13 蔚来ES8动力电池
2.单体电池和模组
动力电池由多个电池模组串联而成，每个电池模组内部有多个单体电池并联，构成电池模块，如图3-14～图3-16所示。
图3-14 多个模组组成整个动力电池（1）
一个电池模组可以看作一个模块，表示单独个体；一个单体电池组也可以看作一个模块，表示单独个体。
图3-15 多个模组组成整个动力电池（2）
图3-16 双层排布的电池模组
（1）单体电池。
单体电池是将化学能与电能相互进行转换的基本单元装置，通常包括正极、负极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电。单体电池通常称作电芯。单体电池结构如图3-17所示。
图3-17 单体电池结构
锂电池从外形上可以分为圆柱形、方形、软包和纽扣几种。其中圆柱形锂电池主要型号为18650、26650、21700等。电动汽车主要使用圆柱形和方形锂电池。纽扣锂电池在汽车上也比较常见，如在遥控钥匙上安装的电池。
按电解质不同，锂电池可以分为液态锂电池、聚合物锂电池、全固态锂电池，其中液态锂电池由有机溶剂和锂盐构成，目前仍是主流。
18650型号圆柱形锂电池：“18”代表电池的直径为18 mm，“65”代表不包含极柱的电池高度为65 mm，“0”代表圆柱形。
（2）电池模块。
电池模块是一组并联的单体电池，可能包含监测电路与保护装置（如熔断器等）。电池模块没有固定的封装外壳、电子控制装置，且没有确定极柱的布置，不能直接应用在车辆上。该组合额定电压与单体电池的额定电压相等，是单体电池在物理结构和电路上连接起来的最小分组，可作为一个单元替换。电池模块也称为电芯组。
（3）电池模组。
将一个以上单体电池或电池模块按照串联、并联或串并联混合方式组合，并作为电源使用的组合体，称为电池模组，如图3-18所示。
1-上盖；2-线束隔离板组件；3-单体电池；4-端板绝缘膜；5-输出级底座；6-端板；7-口字缓冲垫；8-侧板
图3-18 电池模组
单体电池组合成电池模组有并联、串联和混联三种方式，分别用P、S和SP来表示。采用这样的连接方式有以下目的。
（1）串联在一起，可提升电压。
（2）并联在一起，可提升电量。
（3）混联在一起，电压累积，容量累积；先并联，后串联。
下面用一些例子说明电池模组混联方式，如图3-19～图3-21所示。
①1P4S：1并4串，即1个单体电池并联，将4个单体电池串联在一起，组成一个电池模组。
②2P4S：2并4串，即2个单体电池并联组成一个独立的电池模块，再由4个电池模块串联在一起，组成一个电池模组。这样的连接方式可以把两个单体电池看作一个单体电池。
图3-19 1P4S
图3-20 2P4S
③3P4S：3并4串，即3个单体电池并联组成一个独立的电池模块，再将4个电池模块串联在一起，组成一个电池模组。这样的连接方式可以把三个单体电池看作一个单体电池。
图3-21 3P4S
动力电池额定电压÷串联数=电池模块电压。
例如，3P91S表示3个单体电池并联成1个电池模块，再将91个电池模块串联成电池模组。如果这个动力电池的额定电压为332 V，即电池模块电压为332 V÷91≈3.6 V，这里三个单体电池组成一个电池模块，那么单体电池电压为1.2 V。
3.电池管理系统
电池管理系统简称“BMS”。
（1）电池管理系统电气结构。
电池管理系统布局在动力电池总成内部，图3-22所示为电池管理系统插件端。电池管理系统和其他控制系统一样有硬件和软件，具有数据采集和控制功能。
①硬件：电池管理系统硬件有主板、从板及高压盒，还包括采集电压、电流、温度等数据的电子器件。
②软件：电池管理系统监测电池的电压、电流、SOC值、绝缘电阻值、温度值，功率集成单元（PEU）通信，来控制动力电池系统的充电和放电。
图3-22 电池管理系统插件端
图3-23所示为奥迪e-tron电池模组和电池模块控制单元，共有12个电池模块控制单元。每个电池模块控制单元管理三个电池模块。
电池模块控制单元1（J1208）控制电池模块1、2、3；电池模块控制单元2（J1209）控制电池模块4、5、6；电池模块控制单元3（J1210）控制电池模块7、8、9；电池模块控制单元4（J1211）控制电池模块10、11、12；电池模块控制单元5（J1212）控制电池模块13、14、15；电池模块控制单元6（J1213），控制电池模块16、17、18；电池模块控制单元7（J1214）控制电池模块19、20、21；电池模块控制单元8（J1215）控制电池模块22、23、24；电池模块控制单元9（J1216）控制电池模块25、26、27；电池模块控制单元10（J1217）控制电池模块28、29、30；电池模块控制单元11（J1218）控制电池模块31、32、33；电池模块控制单元12（J1219）控制电池模块34、35、36。
图3-23 奥迪e-tron电池模组和电池模块控制单元
电池模块控制单元通过CAN总线与电池调节控制单元（如图3-24所示）和高压电池开关盒进行通信。
图3-24 电池调节控制单元
（2）电池管理系统功能。
电池管理系统是电池保护和管理的核心部件。在动力电池系统中，它不仅要保证电池安全可靠地使用，而且要充分发挥电池的能力，延长电池的使用寿命。电池管理系统与其他控制器通信，根据采集到的驾驶信息和动力电池系统的基本参数及故障信息，通过控制继电器来控制动力电池的充电和放电。电池管理系统主要有以下功能。
①通过检测电压、电流及温度等实现对动力电池系统的过压、欠压、过流、过高温和过低温保护；
②继电器控制；
③SOC估算；
④充电管理；
⑤平衡控制；
⑥故障报警及处理；
⑦与其他控制器通信；
⑧高压回路绝缘检测；
⑨为动力电池系统加热。
图3-25所示为电池管理系统估算电池格电压及平衡控制示意图。
在这个例子中，3号单元100%充电，充电循环就结束了，尽管高压电池整体充电量只达到了92.5%。
电池管理系统让3号单元放电，使充电循环可以继续，高压电池的充电水平就可以上升到100%。
在充电时，电压差超过1%，电池管理系统进行平衡。在点火开关关闭，电池充电状态高于30%时，电池管理系统进行平衡。
图3-25 电池管理系统估算电池格电压及平衡控制示意图
各种车系电池管理系统的具体控制策略可能有所不同，名称也可能有所不同（例如，宝马车系称“蓄能器管理电子装置”，如图3-26所示），但具有控制电池的功能。例如，奥迪e-tron电池调节控制单元具有以下控制功能。
（1）确定高压电池的充电状态。
（2）确定并监控允许的充电电流和放电电流，以及电池充电的电压和电流。
（3）评估高压开关盒测得的高压系统绝缘电阻值。绝缘检查如图3-27所示。在高压系统处于激活状态时，高压电池开关盒（图3-28）每隔30 s就会进行一次绝缘检查。
（4）监控安全线。
（5）估算电池格电压及平衡。
（6）把要求高压电池加热的指令发给温度管理控制单元。
（7）按温度管理控制单元提供的参数激活高压电池冷却液泵。
（8）在车辆发生碰撞时促使接触器脱开。
图3-26 宝马车系蓄能器管理电子装置（宝马iX3 G08 BEV）
图3-27 绝缘检查
图3-28 高压电池开关盒
4.动力电池上的高压、低压接线和接口
（1）高压导线和插头。
高压导线将高压组件相互连接在一起。无论是各类高压组件上的高压接口，还是高压插头上的高压接口，都配备有带电部件的接触保护。
高压电缆不允许过度弯曲或者折叠，因为这样做可能导致导线屏蔽层损坏，继而导致高压系统出现绝缘故障。高压电缆最小弯曲半径取决于高压电缆的外径。高压电缆的弯曲半径如图3-29所示。
图3-29 高压电缆的弯曲半径
（2）动力电池高压电缆插头。
动力电池和电力驱动单元之间高压电缆的屏蔽层在插头外壳中，通过弹性触点过渡到对应高压组件的外壳。动力电池和充电接口之间的高压电缆没有屏蔽层。
对于配有专用插头的高压电缆中是否存在屏蔽层，可以通过插头外壳上两个塑料端盖的颜色进行识别。对于插头中高压触点的接触保护，宝马G08 BEV采用不同颜色来识别：如果高压插头端盖的颜色为灰色，就带有高压电缆屏蔽层；如果高压插头端盖的颜色为青绿色，就没有高压电缆屏蔽层。动力电池上的高压插头如图3-30所示，高压插头部件如图3-31所示。
图3-30 动力电池上的高压插头
A-插头；B-组件上的高压接口；1-外部设码；2-用于高压触点监控的插头外壳；3-高压触点的内部接触保护；4-屏蔽层的电触点；5-高压导线线脚2（负极）的电触点；6-螺栓连接；7-内部机械设码；8-高压导线线脚1（正极）的电触点；9-高压触点的外部接触保护
图3-31 高压插头部件
（3）动力电池电气接口。
除高压接口以外，动力电池同样具有一个连至低压车载网络的接口。通过它，为集成在动力电池中的管理系统供电，并且提供总线信号和其他信号。
动力电池上的电气接口如图3-32所示。动力电池具有一个连接低压车载网络的16芯接口。通过它，为集成在动力电池中的存储器电子管理系统供电，并且提供总线信号和其他信号。存储器电子管理系统同样通过该接口实现对高压电池单元冷却液截止阀的促动。
一个高压接口（插头）将动力电池和联合充电单元连接在一起。通过这个接口，向高压电池单元提供经过整流的充电电压。这个接口称为高压连接区。一个是高压接口（插头）将高压电池单元和电力驱动单元连接在一起，还有一个高压接口（插头）将高压电池单元直接和直流充电接口相连。
1-连接联合充电单元的高压接口；2-连接低压车载网络的接口；3-连接电力驱动单元的高压接口；4-直流充电高压接口
图3-32 动力电池上的电气接口
1.动力电池的水冷冷却方式
水冷冷却是电动汽车普遍采用的一种动力电池冷却方式。动力电池冷却系统组成结构如图3-33所示。
动力电池总是在不断地充电、放电，在这个热力学过程中放出热量。当动力电池温度过高时，除自身老化外，还会使相关导体上的电阻增大，导致电能没有转换为功，而是转换成热量损耗掉了。所以，动力电池系统必须进行冷却。当然，动力电池不仅需要冷却降温，也需要加热。冷却系统的作用就是通过冷却液循环为动力电池散热，并且通过热交换管理模块及整车管路在适当的时候给动力电池加热。
图3-33 动力电池冷却系统组成结构
图3-34所示为动力电池内部冷却系统部件结构：液冷板布置于下箱体和电池模组之间，布置方向同电池模组方向；连接管采用尼龙管并用快接头连接；液冷板与电池模组之间铺设导热硅胶垫；液冷板底部采用弹性支撑；在连接管上布置水温传感器。冷却液从A处分两条支路流入，从B处汇合流出。
图3-34 动力电池内部冷却系统部件结构
根据电池的特性要求，电池包内部用水冷方式实现内外热交换。动力电池冷却系统通过电池散热器与热交换管理模块实现对电池的冷却和加热，保证电池可以正常高效地工作。图3-35为动力电池水冷冷却系统运行示意图。
图3-35 动力电池水冷冷却系统运行示意图
图3-36所示为宝马G08 BEV动力电池的冷却液循环回路，对动力电池的冷却通过车辆冷却液循环回路进行。冷却液通过冷却液（制冷剂）热交换器和配套的制冷剂循环回路加以冷却。
1-电子暖风装置上的冷却液温度传感器；2-电加热装置；3-动力电池；4-单向阀；5-冷却液（制冷剂）热交换器；6-冷却液泵；7-冷却液截止阀
图3-36 宝马G08 BEV动力电池的冷却液循环回路
2.动力电池的风冷冷却方式
动力电池的风冷冷却方式是利用来自空调系统的冷气来冷却动力电池。电动汽车一般采用以电动压缩机为制冷源+密封管路+空气（冷热交换介质）+风扇构成的主动式风冷散热的解决方案。冷却系统一般通过空调系统和车厢引入冷气，并采用专用控制风门来控制进气。动力电池冷却鼓风机风扇引入的冷气，通过单格之间的缝隙从动力电池的上部流至下部，然后绕经DC/DC转换器进入行李箱。
在动力电池总成壳体内，蒸发器与承载“冷量”的空调管路关联，进行热量交换。单体电池产生的热量通过围绕模组设定的封闭管路内的空气进行热量交换，并循环至驾驶舱内的冷凝器。如此往复，在动力电池总成壳体内的风扇、管路、承载冷量的空气交互作用下，风冷冷却系统进行主动风冷热管理。
图3-37所示为动力电池风冷冷却系统运行示意图。
图3-37 动力电池风冷冷却系统运行示意图
以丰田C-HR纯电动汽车为例，动力电池内部设冷却管路，金属材质的冷风管被作为缓冲吸能区，保护单体电池及高压回路。
带有冷却管的动力电池在汽车上的布局如图3-38所示。图3-39为动力电池缓冲示意图。
图3-38 带有冷却管的动力电池在汽车上的布局
图3-39 动力电池缓冲示意图
在控制电池温度时，车载空调制冷系统同时应用于乘员舱和动力电池，而在低温环境下，每个单体电池下方都有独立的电池加热器，避免电池性能下降而影响续航里程，如图3-40所示。电池加热器在动力电池充电时也能让电池保持适宜的温度，并提高充电速率。
图3-40 每个单体电池下方都有独立的电池加热器
3.动力电池加热基本原理
在极端寒冷的环境中，锂离子的活性会降低，从而降低动力电池充电和放电的性能。电池加热系统通过加热冷却液，使动力电池的温度达到最佳值，以确保动力电池的充电和放电性能。用电加热器加热后的冷却液，流经电池冷却器，与电池侧的冷却液进行热交换，从而升高动力电池冷却液温度，实现电池加热功能。
（1）动力电池温度下降到指定值以下，系统会开启电加热器，并将来自动力电池的电能提供给加热器的电热丝。
（2）在动力电池充电时，启动电加热器，来自充电设备的电能将提供给电加热器。
（3）电加热器电路中有熔断器，由于车辆故障而无法关闭电加热器时，熔断器将烧断，电路被切断，以防止动力电池过热。
（4）当满足电加热器停止条件时，如动力电池温度升至特定温度时，系统将关闭电加热器并停止向电加热器供电。
（5）即使关闭主电源，当整车控制器（VCU）从电池控制单元接收到操作请求信号时，电加热器也会工作。