三元锂电池在新能源汽车上的设计与应用分析

三元锂电池在新能源汽车上的设计与应用分析

白龙飞[1]，王娟萍[2]，郭敬荣[3]

中国电器科学研究院股份有限公司 广东广州 510800[1][2]；广州理工学院 广东广州 510800[3]

摘要：汽车以常规能源为动力，产生了大量的温室气体，并对环境产生了一定的影响，使得新能源汽车成为汽车行业发展的大势趋。因此，对新型能源在汽车能源领域的应用进行深入的研究是十分必要的。新能源汽车在国内的应用越来越成熟，越来越受到市场的青睐。锂离子电池作为一种新的材料，也是一种新的能源，是新型汽车的重要动力来源，其优劣程度直接关系到新能源汽车的使用寿命和质量。

关键词：三元锂电池；新能源汽车；设计；应用

1、新能源汽车产业与三元锂电池概述

1.1新能源汽车产业概述

新能源汽车产业是一个庞大的系统产业，可分为上中下三游。其中，上游产业是指为新能源汽车电池提供基本原料的矿石产业；中游产业是指新能源汽车的电池、电机、电控三大核心技术的研发与制造产业；下游产业是指新能源汽车的销售、售后、配套等产业。新能源汽车产业涵盖范围广，各个产业之间紧密联系，共同影响着新能源汽车产业的发展。

1.2三元锂电池概述

锂元素在自然领域中属于重量最低、原子质量最小的金属，能量比较高，性质非常活泼，很容易失去电子被氧化成为Li+，其中的标准电极电位极为－3.045V，电化学当量是0.26g/Ah。对于三元锂电池而言，其中的正极是由锰、钴、镍所组合而成，这三种过渡金属氧化物的比例有所不同，镍占有80%，具有影响电池设备存储电量容量的作用，锰占有10%，直接影响着电池的稳定性，钴占有10%，有着影响电池倍率高低的作用。目前我国所生产的三元锂电池在应用的过程中性能良好、安全性较高，具备一定稳定性，能量密度也很高，可以起到高倍率放电的支持作用，成本较为适中，有着很大的市场发展前景和潜力。

2、在新能源汽车上使用锂电池的必要性

在新能源汽车发展中，动力锂电池是一个非常关键的环节。当今世界，都在关注环保这个问题。人类的发展不仅带来了严重的环境问题，而且还带来了相当严峻的能源状况。为了解决这个问题，世界上正在逐渐将发展重点转向环保与能源安全。与燃油车相比，新能源车更具环保优势，主要包括电控系统、电机、电池等，而锂电池在市场上占有重要地位。锂电池是一种新的材料，也是一种新的能源。过去，锂电池是一种小型储能系统的动力来源，但是它的适用范围没有今天这么广泛。随着锂离子电池的材料问题逐渐被解决，其优势逐渐显现并被广泛地运用。锂电池以其资源的丰富、价格低廉、性能优良等诸多优点，将会是新能源汽车发展的重要动力来源。

3、三元锂电池在新能源汽车上的设计

3.1合理设计续航里程

续航里程主要就是在新能源汽车动力电池组充满电之后能够持续性行驶的里程指标。按照虚续航里程具体的放电深度进行划分，可以将其分成理论类型、有效类型、经济类型三种。其中，第三种经济类型的续航里程能够最高程度上确保电池具备较长的应用寿命，能够有效控制成本，确保电池组在良好的工作状态，此情况下的充电深度在90%左右，放电深度在70%以内。而经济类型的续航里程，能够确保电池组的运行较为可靠、较为稳定，延长使用寿命，充电效率和放电效率很高，因此在新能源汽车中设计三元锂电池，应采用经济续航里程的设计方式，满足在电池组方面的应用需求。

3.2合理设计单位里程能耗与比能耗指标

首先，对于单位里程能耗而言主要是在单位里程范围之内的电量消耗指标，可以将其分成电网交流、电池组直流两种类型的能耗指标，在设计此类指标的过程中无需考虑到充电机所带来的影响，只需将电池组的能量状态当做参考标准即可，直接将新能源汽车的经济性能展现出来。其次，由于新能源汽车的车型不同，电池的容量、车身的重量存在一定的差异性，不能直接进行经济性能的对比，因此在设计的工作中可以采用直流比能耗的概念对比各类车型的能耗情况，也就是分析单位里程范围之内的单位重量能耗，此类参数的应用可以将各类车型的传动系统匹配优化性、能源的利用率等直接反映出来，并且将直流比能耗当做是对新能源汽车的能耗经济评价指标，可以准确评价各类车型的能耗情况，具备一定的可比性。

4、三元锂电池在新能源汽车中的应用价值

4.1电池在应用的过程中所占用的面积很小

目前三元锂电池的单体能量密度在200-300Wh/kg之间，包体能量密度在160-200Wh/kg，而对于磷酸铁锂电池的单体能量密度为每千克150Wh左右，包体能量密度在每千克100Wh左右，由此可见相同容量之下三元锂电池的占用空间面积很小，适合应用在空间有限的新能源汽车中。

4.2三元锂电池本身具有很高的能量密度

得益于三元锂电池的能量密度更大，所以同样体积下质量更轻，同样电池容量下占用空间更小。新能源乘用车多数会选用三元锂电池，同样体积的动力电池可以有更长的续航里程，更快的车速，也可长途高速驾驶。目前在新能源客车中使用磷酸铁锂电池，续航的时间长度和距离长度较低，需要在一定的距离范围之内设置充电桩进行充电，这也是磷酸铁锂电池局限应用在城市大巴中的重要原因。而三元锂电池就能够凭借续航里程高的优势应用在新能源汽车中提供一定的续航支持。

4.3三元锂电池可在低温环境下持续使用

在零下20摄氏度的测试条件下，三元锂电池能够释放75.34%的容量，并且其极限工作温度可达零下30摄氏度，而磷酸铁锂电池极限工作温度只有零下20摄氏度，释放的电池容量仅55.64%%在低温条件下，三元锂电池的放电平台远远高于磷酸铁锂电池电压平台，启动也更快。由此可见三元锂电池在低温的环境中也可以保证放电水平，耐低温的性能很高。

4.4确保充电的可靠性和安全性

常见的三元锂电池的充电方法叫做限流限压法，分为2个阶段。首先恒流充电，然后再恒压充电。所谓恒流充电，就是保持电流不变，此时充电电流大，充电效率高；所谓恒压充电，就是保持电压不变，此时电流变小，析气量较低。为了方便对比，引入恒流比的概念，即恒流充电电量与电池总容量的比值。换句话说，目前在三元锂电池充电的过程中主要使用限流与限压的方式处理，首先可以进行恒流充电操作之后恒压充电，前者主要就是在电流不变的情况下保持最高的充电电流，提升整体的充电效率，后者是在保持电压稳定的状态下减小电流，降低析气量。经过实验测量，在20C放电时，三元锂电池可达52.75%的恒流比。在20c放电的情况下三元锂电池恒流比能够达到53%左右，而磷酸铁锂电池只能达到10%左右，两者之间的差异性很高，可见三元锂电池在应用期间能够确保充电的可靠性和安全性，预防出现充电方面的问题或是不足。

5、关于三元锂电池的技术前景展望

5.1电压平台的提高

同等条件下（同等的体积、质量与容量的电池），三元锂电池的电压平台越高，则三元材料锂电池的续航时间就会越长，所以可以去优化这一重要参数。要提高三元锂电池放电平台电压，可以从提高电子供给能力和锂离子扩散能力方面着手，并且还需要在两者之间找到平衡。但是实施起来还是很有难度的，目前最大的突破口应该在于新材料的应用，最新的进展是在石墨烯材料的应用上。

5.2动力性能的提升

电池的动力性能是非常重要的评价指标，它受电解液材质、隔膜厚度，活性颗粒的直径、活性材料的类型等诸多因素的影响，与电池的设计密切相关。有相关研究表明，可以通过颗粒包覆和改性等方法，从而提升锂电池的动力性能。

结束语：

目前，无论是在国内还是在全球范围内，传统的资源都相对匮乏，使得发展新能源成为今后发展的大势所趋。将三元锂电池应用于汽车领域，可以在有效降低非再生能源的消耗的同时，大大降低了对环境的污染。

参考文献：

[1]周璇.锂电池在新能源汽车中的应用[J].南方农机,2020,51(22):140-141.

[2]王相宇.基于锂电池技术演化的新能源汽车产业技术整合创新问题研究[J].中国集体经济,2022(3):163-164.

[3]呼升.三元锂电池在新能源汽车上的设计与应用[J].时代汽车,2022(14):122-124.

[4]苑凯.三元锂离子电池状态估计及管理系统技术研究[D].广东:汕头大学,2021.