大学生电动方程式赛车设计：电芯选型及常见电池参数对比

常用于电动汽车的电池有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。

（1）铅酸蓄电池是相对古老和成熟的技术，目前占据了40%～45%的电池市场份额，广泛用于小汽车、卡车和公交车的启动、照明和点火。铅酸蓄电池的充放电效率为75%～80%，因此也用于混合动力汽车（HEV）和储能领域（图9－7）。

图9－7　铅酸蓄电池

（2）镍氢电池的性能和成本比铅酸蓄电池高，具备很好的循环寿命、容量和快速充电能力，已经大量用于混合动力应用，包括丰田普锐斯。然而镍氢电池的一个缺点就是自放电相对较快。

（3）锂离子电池因循环寿命长、能量转化率高、自放电率低等一系列优点，市场占有率不断提高，成了电动汽车的最佳选择。然而，相对于其他储能元件来说，锂离子电池的成本较高，且需要设计保护电路以防止过充过放。其电芯原理如图9－8所示。

图9－8　电芯原理

表9－1对铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池在几个主要方面进行了比较。可以看出，锂离子电池在能量密度等方面具备绝对的优势，成了电动汽车和混合动力汽车的首要选择。

参考2021年《中国大学生方程式汽车大赛规则》第5章相关规定：

规则6.1.1　驱动系统电池是所有用于存储驱动系统所用电能的单体电池或超级电容。(www.xing528.com)

规则6.2.1　可用任何类型的电池作为能量存储装置（如动力蓄电池、超级电容等），熔盐电池和热电池除外。

规则6.2.2　禁止使用燃料电池。

因此，对于轻量化有巨大需求的FSAE赛车，各车队一般选择锂离子电池作为储能元件。

表9－1　3种常见电池参数对比

根据正极材料的不同对锂离子电池进行分类，目前电动汽车主要使用的有磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池的标称电压为3.2 V，具有安全性能高、高温稳定性好、成本低廉的优点，但存在着理论能量密度较低的问题，目前由比亚迪基于磷酸铁锂材料制造的“刀片电池”在电动汽车领域大放异彩。钴酸锂电池的额定电压为3.7 V，最高电压为4.2 V，具有结构稳定、容量比高、综合性能突出的优点，是最早开始研究的锂离子电池，但是其安全性差、成本非常高。三元锂电池工作电压一般为3.6～4.3 V，在容量和安全性方面都比较均衡，理论能达到的能量密度较高，在电动汽车行业的装机量也是3种电池中最多的。出于能量密度方面的考虑，大多FSAE车队选用的电芯为钴酸锂电池或三元锂电池。

图9－9　按形状划分的锂离子电池

根据形态进行分类，锂离子电池可以分为圆柱电池、方壳电池、软包电池（图9－9）。圆柱电池是外表为圆柱形钢壳的电池，具有容量高、循环寿命长、使用温度范围广的特点，特斯拉就采用了圆柱电池的技术路线，以18650型号的圆柱电池组装为动力电池。方壳电池是指金属外壳包裹的方形电池，多为铝合金外壳，能量密度较圆柱电池有所提升，且由于形状统一，适合应用在规则的电池包壳体中，便于利用空间，在国内动力电池的装机量超过了八成。软包电池是将液态锂离子电池套上了一层聚合物外壳，结构上使用了铝塑膜包装，在发生安全隐患情况下软包电池只会鼓气裂开，不会发生爆炸，能量密度是三者中最高的，并且可以根据需求进行定制，在电池包的设计上能够更加灵活；但一致性较差且成本高。在FSAE赛事中，以软包电池居多，部分车队使用方壳电池和圆柱电池。

厂商选择上，FSAE赛事软包电池三巨头为浩泰、Melasta和格氏，占据的市场份额逐年增加，各车队的电芯选择也逐渐趋同。此外，还有车队选用了三星、索尼等其他品牌的电池，但所占比例较小。