动力电池是纯电动汽车驱动能量的唯一来源，直接关系到电动汽车的动力性能，续航能力和安全性。从纯电动汽车成本构成看，电池系统占据了其成本的30%~50%。动力电池技术一直影响着电动汽车的实用化进程。作为新能源汽车当中最核心的零部件和动力来源，电池包不仅自重大，且结构比较复杂，它由多个电芯模组构成，每个模组有几个到十几个不等的电芯组成。其中，模组之间、电芯之间以及管理电芯的电池管理系统（BMS)内部的电流传输和信号传输需要各种连接以及电流、温度的监控，而电池对外输电要有高压的连接器。
本文着重介绍动力电池系统的基本结构与工作原理，由电池单体到系统，结构到原理层面一一展开，目的是帮助读者对电池系统有总体的了解，为后续的学习做好铺垫。
01动力电池基本结构
传统的动力电池，可分为电池单体/电芯(Cell)、模组(Module)、电池系统/电池包(Pack)三个层面，下面就对动力电池结构进行逐一介绍。
1.1单体电池基本结构
目前所有种类的单体电池（电芯），主要都由以下几个部分组成：正极、负极、隔膜、电解液。正负极，正负极上的集流体与外电路相连，用来收集电流，集流体上涂有正负极的活性材料。正负极之间会有隔膜，隔膜用于隔离电子，防止内短路并允许电子通过。正负极和隔膜之间充斥着电解液，为电子和离子提供自由迁徙的路径。正极，负极，隔膜叠在一起后，注入电解液就组成了单体电池。实际上量产的电芯结构没这么简单，但还是涵盖了这些基本结构。
封装分析
单体电池根据结构不同，构成了不同的封装，目前主要由三种封装形式：圆柱电池、软包电池和棱柱电池。其中圆柱电池和棱柱电池均为硬壳封装。
圆柱电池
典型的圆柱电芯结构包括：正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外壳、盖帽/正极帽、垫片、安全阀等。圆柱电芯一般以盖帽为电池正极，以外壳为电池负极。
圆柱电芯标准化程度较高，常见的型号有：、（5号电池）、、等。型号的的前两位数字代表圆柱电芯的直径（单位mm），第3、4位代表圆柱电芯的高度（单位mm），0指的是圆柱。
解剖结构如图所示，可以看到，正极负极隔膜叠在一起，叠完后卷绕成圆柱，再塞到圆柱壳里，上部封口处会留有一个安全阀，安全阀在封上之前，会通过它给电池注电解液。其中安全阀的作用是：当电池内部内压过高时，阀会打开，防止电池爆炸，相当于安全保护措施。其中型圆柱电池，是目前生产工艺最成熟的一种方式，这就意味着它的生产批次一致性和稳定性非常好，电池单体的一致性对于整个系统的性能影响非常大，可以理解为木桶效应，即便单体性能很好，一致性不好，整个系统收到的影响也会非常大。所以很多车型选用很大程度就是因为生产工艺成熟度高。从结构看，圆柱形封装在镜像上受压比较均匀，有明确的释放压力的值，不足就是当用圆柱形电池进行系统成组的时候，成组效率比较低，圆柱电池在成组之后们会有无法使用的空间（可以想象一下圆柱体叠在一起时的场景），而且圆柱很少能做大，因为圆柱做大之后，在充放电的时候，内外温差比较大，对电池热管理不利。
软包电池
如解剖图所示，软包电池是这样形成的：正极负极隔膜叠到一起后，正极的集流体拉到一起引出来形成极耳，负极同理，然后外面套铝塑膜，抽真空，注液，封口（现在很多是用胶来实现），于是带来很多特性：做不了太厚，基本上都是扁平化设计，所以软包电池内部温度分布比较一致，内部导热很好，做热管理系统的效率比较好，而且设计尺寸比较灵活，结构紧凑，实现比较好的空间利用率，不足就是由于用胶封口，导致比较容易破裂，破裂的一致性也很难控制，而且受压不均，所以没有明确的释放压力的值，容易鼓包。
棱柱电池
方形硬壳电池的封装形式有两种，第一种如图，正极负极隔膜叠一起再卷绕，压扁，然后塞进硬壳，另一种类似软包电池，叠完后直接塞到硬壳里。硬壳电池和元组电池类似，顶端也会设一个安全阀，注液后封上，也是防止电芯爆炸。和软包电池类似，硬壳电池也是比较紧凑的设计，结构设计比软包可能还容易一些，结构利用率也很高，不足就是外壳会对内部施加一定的机械应力，这个机械应力比较难控制，对电池性能和老化会有一定影响。
1.2电池模组基本结构
单个电芯并不足以驱动电动车，需将多个电芯串并联，才能实现驱动电动车所需的高电压、大电量。模组，就是将多个电芯串并联，再加上起到汇集电流、收集数据、固定保护电芯等作用的辅助结构件，所形成的模块化电池组。
基本拓扑
拓扑指的就是电路的组成架构。目前电池包的内部连接主要有两类拓扑：先并后串和先串后并。至于为什么不能直接做一整块符合应用需求的电池，是由于技术现状的问题。目前单体电池电压做不到太高，基本上都在4.5伏之内，容量只能做到安时左右。对于现在的电动汽车来讲，电压需要在三四百伏以上才能满足使用需求，显然单体的4.5伏远远不能达到这样的要求。为了增加续航里程，电动汽车的动力电池储存的能量一般要求在30度电以上，假如我们是三百伏的系统，这就意味着要求我们的电量是安时以上，如果要求是60度电，那就是安时，显然单体是无法满足这样的需求的，所以就需要通过串并联来满足使用需求。
先并后串：小的电池单体通过并联，形成大的电池整体，也可以看成新的单体因为并联后所以的端电压都是一致的，新的单体再通过串联的变成系统（电池包）。
先串后并：电池单体先串联形成一个电池模块（此时不能看出新的单体，是新的子系统），整个电池系统就是由新的子系统并联而成。
1.3单体电池基本结构
对于电池系统来讲，不能光有电池，还得有其他的辅助系统。一个典型的电池系统的基本组成部分除了电池部分以外，还要有其他设备配合，主要有电子系统、电气系统和机械系统。一个完整的电池系统耦合了流场、电场、力场，是多物理场耦合的系统，设计制造一个完整的电池系统需要具备的能力是跨学科的。电子系统（BMS，即电池管理系统）：电子系统用于信息处理。现在的电池管理系统一般都是分布式的架构，它有一个中央控制单元（电池系统控制器），还有从控（电池模块控制器），从控会把电池单体的状态传送给中央控制单元，也就是说从控主要是为了获取单体的状态，同时做一些均衡之类的工作，中央的控制单元主要是针对系统层面做管理和控制。电气系统：包括各类传感器，继电器，熔断器，安全回路和保护装置，维护开关等。电气系统相当于电子系统的外设，一方面为电子系统提供外部信息，一方面输出控制单元的指令，做相应的保护和控制。机械系统：提供机械支撑，为电池单体、电池模组及其他部件提供固定安装，同时为电池热管理提供流道，使电池单体流场分布尽量一致以控制其一致性。
02动力电池基本工作原理锂离子电池又被称为“摇椅电池”。放电过程中，锂离子从负极出来，进入正极材料空隙里面，充电就相反。充放电过程锂离子就在正负极之间来回走，很像一个摇椅。
具体工作原理可以进一步细化，可以回顾一下之前讲的，电池由正极负极隔膜组成，正极集流体是铝箔，负极的是铜箔，正极的材料就涂在铝箔上，负极的就涂在铜箔上。隔膜的作用就是让离子自由通过，让电子不能通过。电解液就是给电子和离子一个通道。
具体工作原理：我们就以放电过程为例，先看外电路，放电的时候电流从正极往正负极跑，因为电流方向和电子方向相反，所以电子从负极往负正极跑。再看内部：首先，锂是由负极的活性颗粒往外跑，跑到固液相界面（活性颗粒是固体，它外面充斥着电解液（液相），所以称交界处为固液相界面），到了固液相界面会发生一个化学反应，锂会失去一个电子变成锂离子，然后锂离子和电子一起到了电解液里面，锂离子是可以正常穿过隔膜，而电子穿不过，所以电子只能从集流体通过外电路往正极走。锂离子穿过隔膜到达正极，电子通过外电路也到达正极，两者到达正极后，在正极的固液相界面处再次相遇发生化学反映，锂离子得到一个电子后生成活性锂，活性锂在正极颗粒由外向内扩散。在持续放电的过程中，就是锂不断得从负极颗粒往外扩散，到达界面处失去一个电子，电子从外电路到正极，离子穿过隔膜到正极，两者在正极颗粒固液相界面处再发生反应，锂离子得到这个电子，得到电子后生成的活性锂再往颗粒里扩散。充电过程也是同样的，只不过方向相反。
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