第四章：电池组设计标准和选择

也许电池设计中最具挑战性和最令人恐惧的方面之一，特别是对于非工程师来说，就是试图围绕一种新的电池解决方案进行初步计算。然而，有一些相对简单的计算是可以做到的，这将使你能够为你的应用适当地确定电池概念的尺寸。

首先必须了解的是，锂离子电池组是一个由相互关联的子系统组成的系统，这些子系统都是使电池组发挥作用并满足其寿命要求所必需的。电池组的核心是锂离子电池。电池的数量会因应用而异，但每个电池组都需要一组以不同方式连接的电池，以达到所需的电压和能量。为了“保持”和管理电池，需要安装一个机械结构。这个机械系统将包括连接和保持电池以及整体外壳的某种方式（图1）。

在这个外壳内，您还可以找到电池管理系统（BMS）。BMS是一个电子控制器，用于监控和管理电池运行的所有功能。BMS还可以在电池或模块级别安装单独的电子设备，用于监控电池的温度和电压，通常称为电压温度显示器（VTM）板。除此之外，还将有一个热管理系统，其范围可以从被动解决方案（例如使用外壳作为热同步）到主动管理的液体或风冷系统（强制冷却（或加热）空气或液体通过电池组）。当然，让我们不要忘记电子设备，开关来打开和关闭电流和布线。所有这些不同的系统必须整合到一个单一的系统解决方案中，以使电池功能齐全，安全，并满足其寿命和性能目标。

虽然我不会花太多时间试图给出成本或价格估计，因为有许多其他人在这方面进行了持续的研究，但我将提供一些关于这些组件构成电池的百分比的想法。请注意，与电动汽车（EV）或插电式混合动力汽车（PHEV）相比，小型动力电池组的电池占总电池组成本的比例要小得多。对于非常大的电网规模类型的系统也是如此，其中电池周围的硬件可能占总成本的较大百分比。在PHEV/EV应用中，电池可占整个电池组成本的60-70%（图2和3）。既然我们对系统的各个部分有了基本的了解，那么在给电池定尺寸时，接下来要了解的是它是什么类型的应用？电池基本上是一种电化学储能装置。我们可以将电池的使用分为两类：要么是动力，要么是能量。动力电池可以被描述为专注于为车辆加速提供“即时”动力的电池。动力电池并不打算提供长期的能量来运行一个系统。我们可以把动力电池想象成在非常短的时间内（通常从几秒到几十分钟）释放电能和能量的电池。能量电池的目的是提供长时间和相对缓慢的放电。可以把它看作是一种设计用于放电超过1小时或更长时间的电池。在汽车应用中，这通常是在全电动汽车中发现，旨在实现长距离行驶里程。在电网类型的应用中，这可能会作为一个电池备用系统来实现，该系统可以提供几个小时的电力。还有第三种不常被提及的应用。典型的PHEV使用我所说的“平衡”电池。在这种类型的应用中，电池需要在某些时候像纯电动汽车一样运行，而在其他时候像传统的混合动力汽车一样运行。在这种情况下，电池需要同时满足这两种性能要求。

动力电池的能量相对较少，通常小于1.5kWh。能量电池需要更高的能量，其范围

从7.5kWh到80kWh，甚至更大，用于非常大的应用，平均汽车EV电池约为24kWh。在附录A到E中，我包括了由美国先进电池联盟制定的电池目标。这些目标是为12V停止/启动型电池，48V停止/启动微型混合动力车，以及更高电压的HEV，PHEV和EV型电池系统设定的。

在所有应用中，电池必须与电池组串联连接，以获得系统电压，并并联，以获得容量。诀窍是首先弄清楚应用需要什么电压，这样你就可以反向计算出实现该电压所需的电池数量；当然，这是假设你已经知道你要使用什么类型的电池，或者至少是一般的化学知识。找到能量需求可能会有点困难。在交通运输应用中，如果车辆的效率是已知的，那么计算所需的能量就很容易了，但在其他应用中，这就不那么容易了。

关于锂离子电池，需要了解的另一件重要的事情是，由于高温、内部阻抗的增加以及其他决定电池实际工作时间的因素，锂离子电池在使用寿命期间自然会失去容量。而且，虽然锂离子电池不像某些镍基化学物质那样具有“记忆效应”，但持续的阻抗增长最终会将容量降低到不再适合在应用中使用的水平。

锂离子电池在储存过程中也会“自放电”或释放能量。自放电的基本形式有永久和临时两种。永久性自放电是指电池永远无法恢复到原来的容量。这通常是由于电池在储存过程中，电池内部的阻抗增加。临时容量损失是指在存储期间损失的容量，但一旦电池再次循环就会恢复。在这一类中，不同的化学物质有不同的表现。

在接下来的章节中，我们将开始深入研究电池设计中使用的基本计算。其中大部分是欧姆定律的推导。根据Georg欧姆在1825年和1826年所做的实验，欧姆定律基本上是说电流大约与电场成正比，换句话说，电压等于电流乘以电路的电阻（Ashby,2009）。这一基本定律构成了随后几乎所有基本计算的基础。本节将使用这个基础来定义一些用简单术语描述的核心计算，这些计算可以用来确定诸如电池需要多少个电池，需要多大容量的电池等等。

图1A123锂离子电池爆炸图。

图2PHEV/EV电池成本细目。BMS。

图3HEV电池成本分解。HEV，混合动力汽车。