电动汽车核心技术之动力电池及管理省略一动力电池的主要种类及性能特点

2023年12月15日发(作者：12123交通违章查询平台)

N新能源汽车EW ENERGY VEHICLE电动汽车核心技术之动力电池及管理系统（一）——动力电池的主要种类及性能特点文/司 康引言面对交通能源与环境问题的巨大挑战，以能源多元化、排放洁净化、燃料节约化为主要特征的新能源汽车在全球迅速发展，并成为近年各国政府支持和车企提升品牌形象、争取技术领先的热点和焦点。然而，尽管北京、上海等地大型汽车展上各种新能源车型频频亮相，但在目前中国实际的销售市场上却难觅新能源汽车的踪影。来自中国汽车工业协会的统计数据显示，今年一季度中国国内的纯电动汽车销量仅有1830辆，混合动力汽车也只有区区1499辆，二者之和占同期中国汽车总销量的比重为0.069%，还不足千分之一。然而，这种状况可能很快就有改观，今年6月在商用车领域率先实行以旧换新的刺激消费政策以后，新能源汽车或将快接“第二棒”。近日，工信部装备工业司司长张相木在全球节能与新能源汽车峰会上表示，《节能与新能源汽车产业发展规划》近期将由国务院发布实施。该规划将带着一系列产业扶持政策浮出水面，其中包括新能源汽车免征车辆购置税、增值税税率降至13%等。据以上规划，中国新能源汽车未来的主要战略取向将是纯电动汽车；而当前重点推进的是纯电动车和插电式混合动力车。在产销规模上，至2015年，中国纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量将达50万辆，到2020年则要超500万辆。而完成上述目标的主要措施包括：实施技术创新，突破核心零部件研发；加快推广应用和试点示范；建设充电桩和公共充电设施；完善标准体系和准入制度管理等。在产业格局方面，到2020年，中国将培育形成1至2家新能源汽车产销规模超过100万辆的汽车集团。迄今为止，中国已在25个城市进行了公共服务领域新能源汽车的示范推广，并在6个城市开展了私人购买新能源车补贴试点工作。期间，示范推广各类节能与新能源汽车累计已达1.6万辆，其中新能源汽车超过8000辆。但同时，在市场培育及推广过程中，由于一些配套政策没有跟进，实际推广的数量未达到预期目标。工信部装备司司长张相木表示，中国汽车保有量刚超过1亿辆，占全球的一成，未来中国汽车的保有量还会有稳定的增长，预计到2020年时保有量将会再翻两番。如果那时还是在目前的水平，那么排放和油耗还会翻两番，届时能源供应显然满足不了需求。故此，对中国而言，发展节能与新2012年第14期

(7月下)《交通世界》37N新能源汽车EW ENERGY VEHICLE产品型号Citaro G铰接式扶桑Aero Star Eco OnionB5L双层主要技术特点串联式，锂离子蓄电池，4个轮毂电机，4.8L柴油机锂离子蓄电池串联式，铅酸蓄电池装备I-SM集成式变频启动电机，I-SHIFT变速器，5L 4缸柴油机；并联式，锂离子蓄电池7700同上串联式，超级电容器装备西门子开发的电子导向系统，锂离子蓄电池30%30%——欧Ⅵ欧Ⅵ——2010年初开始量产，首批在卢森堡运营。2010年初开始量产在美国和欧洲销售200多辆节油效果30%30%5%～10%30%排放达标欧Ⅵ欧Ⅴ/欧Ⅵ欧Ⅴ/欧Ⅵ欧Ⅵ市场状况2009年初开始量产2004年进入亚洲市场全球共销售近2000辆，主要在美国2009年底开始量产，首批在伦敦运营表1 欧洲主要商用车企业近年推出的混合动力公交车产品情况制造商奔驰三菱戴姆勒沃尔沃曼依维柯Lion’s CityCivis能源汽车不是跟风赶潮流，也不完全是汽车业转型升级的需要，而是一个国家战略。今后中国将坚定不移地发展节能和新能源汽车。中国汽车工业协会常务副会长董扬强调，电动车的推广不能因不久前的比亚迪电动出租车被追尾后起火事件而因噎废食。同时，对电动车的发展也不宜操之过急，应积极探索，认真研究。在动力电池的研究中，安全性问题要摆放在与性能同样重要、甚至更为优先的地位。此外，下一步应加大对中国节能与新能源汽车技术创新力度的投入，加强税收政策对产业发展的杠杆调节与引导作用，从而建立起长期稳定的鼓励和约束政策体系。众所周知，动力电池及其管理系统、驱动电机及其控制系统、整车控制系统是现代新能源电动汽车的三大核心技术零部件，目前，不仅在国内，在国外这三大核心技术也依然处在研究探索和发展中。本文所阐述的新能源电动汽车，如果没有特殊说明，则主要指混合动力汽车HEV（含插电式混合动力汽车PHEV）和纯电动汽车BEV两大类车型。本文主要就新能源电动汽车几种常用的动力电池的性能和特点作一简要介绍。辆和邮电、电力、铁路、矿山、采掘、计算机（UPS）等国民经济许多部门。但是，以往的铅酸电池均为开口式或防酸隔爆式，充放电时析出的酸雾污染及腐蚀严重，又需经常维护即补加酸和水。1957年，联邦德国Sonnenschein公司首次将凝胶电解质技术用于铅酸电池，制成接触变性凝胶工业电池并投入市场。英国Chloride公司发明了“Tovgue-starter”再化合免维护汽车电沁，标志着实用密封铅酸电池的诞生。到了20世纪70年代，密封铅酸电池的生产为古老的铅酸电池带来了勃勃生机，它以优良的性能价格比、安全可靠的使用性能迅速占领了市场。1971年，美国Gates公司首次将超细玻璃纤维用于密封铅酸电池中，生产出吸液式卷绕极板圆筒形电池，获得专利并批量生产，第一次把氧气复合原理在商品电池中实现，实现了铅酸电池技术上的重大突破。这种吸液式密封铅酸电池在美、日、欧等地得到了飞速发展。铅酸电池的正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状的金属铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4）。1859年，发明铅酸电池之后20年，one和于1882年提出了解释电流成流反应电动汽车用动力电池的主要种类及性能特点目前电动汽车常用的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池三类，下面就其工作原理、性能和特点作一简要介绍。的“双硫酸盐化理论”，至今仍广为应用。按照这一理论，铅酸电流的电极反应和电池反应的工作原理如下：铅酸电池自1859年Plante发明铅酸电池至今已有140多年的历史，铅酸电池的有关理论与技术取得了许多突破性进展。铅酸电池由于其成本低、适用性宽、可逆性好、大电流放电性能良好、可制成密封免维护结构等优点，被广泛地应用于车因为放电时，在正负极上都生成了硫酸盐，所以叫“双硫酸盐化理论”。分析反应过程，随着放电的进行，硫酸不断减少，与此同时电池中又有水生成，这样就使电池中电解液浓度不断降低；在充电时，硫酸不断生成，电解液浓度不38TRANSPOWORLD

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(Jul)图1 镍氢电池工作原理示意图断增加。这就是可以用比重计测量硫酸浓度，从而估计铅酸电池荷电状态的原因。充电末期，PbSO4已基本还原为PbO2和Pb，这时部分充电电流将可电解水，使正极冒出氧气，负极冒出氢气。充电电流越大，冒气越多。铅酸电池可分为两大类：注水式铅酸电池FLAB

(Flooded Lead –Acid Battery)和阀控式铅酸电池VRLAB(Valve Regulated Lead-Acid Battery)。后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内充电和工作异常产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。使用铅酸电池的电动汽车有美国GM公司开发的EV-1、S-10皮卡，Ford公司的EV Ranger等。使用铅酸电池的混合动力汽车有戴姆勒公司开发生产的Onion等(见表1）。作为电动汽车动力使用，铅酸电池必须解决三大问题：提高能量密度和功率密度；提高循环使用寿命；快速充电。为了解决电动车用铅酸电池的三大主要技术难关，国际铅锌研究组织于1992年成立了先进铅酸电池联合会（ALABC），主要目的是推动铅酸电池在电动车中的应用。目前电动汽车使用的铅酸电池循环使用寿命达400次以上，能量密度为35W.h/kg左右。铅酸动力电池比较有名的供应商有英国Hawker公司、美国Delphi公司、Electrosource公司和GNB公司，法国Exide公司，日本Panasonic公司等。镍氢电池镍氢（Ni-MH）电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉（Ni-Cd）电池相似，但镍氢电池不存在重金属污染问题，称为“绿色电池”。20世纪70年代荷兰Philips公司成功运用LaNi5储氢合金开发了镍氢电池，但是由于容量衰减太快，进展很慢。20世纪80年代Philips公司制成了LaNi2.5CO2.5储氢合金材料，成功研制了镍氢电池。20世90年代随着电动汽车研究开发的需要，镍氢电池向高能量动力电池的方向迅速发展。镍氢电池充放电反应机理可以由图1来说明。表2 日本Panasonic公司镍氢电池性能项目EV95EV28EV6.5容量/A.h95286.5额定电压/V12127.2质量/kg18.76.51.1能量密度/635344（W.h/kg）功率密度/200300500（W/kg）（80%DOD*）（80%DOD*）（50%DOD*）*注：DOD——放电深度，是电池已经放出的电量与电池额定容量的比值。表3 法国Saft公司镍氢电池性能电池型号NH12.2NH12.4额定容量/A·h96109能量密度/（W·h/kg）6670功率密度（W/kg）150162表4 美国COBASYS公司100系列镍氢电池性能指标数值指标数值额定电压12V模块体积1.28L额定容量9A.h体积能量密度52W.h/L额定功率2.7kW质量功率密度1125W/kg额定能量125W.h体积功率密度2100W/L（1C放电）模块重量2.4kg镍氢电池正极的活性物质为NiOOH（放电时）和Ni（OH）2（充电时），负极的活性物质为H2（放电时）和H2O（充电时），电解质一般采用KOH碱性水溶液。充放电时镍氢电池负极化学反应、正极化学反应和总反应方程如下所示。目前镍氢电池所能达到的性能指标为：单体电池的标称电压为1.2V；能量密度（3h）为55～70W.h/kg；功率密度为160～500W/kg；快速充电从满容量的40%充到80%为15min；工作温度为-30～+50℃；循环使用寿命超过1000次（DOD=100%）。镍氢电池的优点是：能量密度、功率密度均高于铅酸电池和Ni-Cd电池，循环使用寿命在实际电动汽车用电池中是最高的；快速充电和深度放电性能好，充放电效率高；无重金属污染，全密封免维护。镍氢电池的缺点为：成本高，价格为相同容量铅酸电池的5～8倍；单体电池电压低（1.2V）；自放电损耗大；对环境温度敏感，电池组热管理任务重。2012年第14期

(7月下)《交通世界》39N新能源汽车EW ENERGY VEHICLE近几年来，随着电动汽车的产业化和燃料电池汽车的研明）。在电池充电时，Li+从正极脱出，经过电解质嵌入负极；电池放电时，Li+则从负极脱出，经过电解质再嵌入正极。电池的操作过程实际上是Li+在两电极之间来回嵌入和脱出的过程，故Li+电池也称为“摇椅式电池”。由于锂离子在正负极中有相对固定的空间和位置，因此锂离子电池充放电反应的可逆性很好。制开发，镍氢电池受到了非常普遍的关注，随着镍氢电池技术的不断发展，其能量密度、功率密度、循环寿命和快速充电能力会大幅度提高，价格将会降低。许多公司都把镍氢电池作为今后电动汽车和燃料电池汽车使用的首选电池。世界上最早的两款商业化混合动力汽车丰田Prius和本田Insight配备的都是镍氢动力电池。世界上最早的两款商业化电动汽车 — 日本丰田公司的RAV4 EV和本田公司的EV Plus配备的也是镍氢动力电池。目前镍氢动力电池已经批量生产，主要厂商有美国Ovonic、法国Saft、日本Panasonic、德国Varta等。国内镍氢电池的主要研制单位可查阅国家“863”电动汽车重大专项的相关资料。国外主要电池公司镍氢电池性能指标见表2～表4。锂离子电池工作原理锂离子电池（Lithium Ion Battery）是在二次锂电池的基础上发展起来的。它从原理上解决了二次锂电池安全性差和充放电寿命短两个技术难题。典型的电池体系构成如下：电池的正负极均由可以嵌入和脱出Li+的化合物或材料组成，其中，正极，锂化跃迁金属氧化物（LiMO2,M-Co、Mn或Ni等跃迁金属）；负极，可嵌入Li+的碳（形成LixC碳化锂）；电解质，有机溶液或固体聚合物。在充放电过程锂离子电池的反应方程式如下：图2 锂离子电池工作原理示意图性能特点锂离子电池是所有可充电电池中，综合性能最优的一种新型电池。与其他电池相比，锂离子电池应用于电动汽车，在容量、功率方面均具有较大优势。国内外许多单位对锂离子电池在电动汽车方面的应用都表现出特别的关注。1995年，日本索尼能源技术公司（Sony .）与日产汽车公司（Nissan Motor）联合研制成功用锂离子电池组驱动的电动汽车。索尼公司研制的车用锂离子电池有两种。一种是用于电动汽车（EV）、容量为100A.h的圆柱高能量电池，8只电池串联成一个模块，12个模块组成完整的锂子离电池的工作原理如图2所示（以Co金属为例说车用电池组；另一种是用于混合动力电动汽车（HEV）、表5 日本Sony公司电动车用锂离子电池的技术指标性能参数圆柱形单体电池高能量型重量/kg尺寸/mm工作电压/V额定容量/A.h能量密度/（W.h/kg）功率密度（W/kg）循环寿命/次3.3φ67×4103.61高功率型1.2φ50×2503.622628001200方形组合电池高能量型29292×150×14028.81高功率型12.5220×300×16028.855557001200表6 日本研制的锂离子电池性能指标项目容量规格/A.h质量功率密度（W/kg）质量能量密度（W.h/kg）日立15210069汤浅10234080松下726007840TRANSPOWORLD

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(Jul)容量为22A.h的圆柱形高功率型电池，虽然其能量密度仅为61W.h/kg（仅为前者的56.4%），但其功率密度为800W/kg（是前者的2.7倍）。表5列出了这两种电池的主要技术指标。日本近年来一直在大力研究锂离子电池。日本政府在2002年以来设立了多个国家级锂离子研究项目，主要目标是研制用于“燃料电池汽车”及其他电动汽车用的锂离子电池。日本的主要电池厂商，包括日立（Hitachi-HVE）、汤浅（GS-Yuasa）、松下（Panasonic），都是该项目的成员。在2006年，日立、汤浅、松下公司受资助研究的锂离子电池达到了表6所示的性能指标。法国Saft公司受美国能源部资助，一直在进行锂离子电池的研究工作。表7所示为Saft公司在2003年向美国能源部提供的锂离子电池组的性能。与FreedomCAR项目对储能电源的目标要求相比，除了成本外，Saft公司的锂离子电池都已经达标。正负极材料锂离子电池的性能主要取决于电池内部所用材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格，因此，廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。负极材料一般选用碳材料，目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。目前锂离子电池正极材料主要有: 锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，负极材料主要有石墨、钛酸锂等。不同锂离子电池正极材料性能比较见表8。显然，从整车安全和电池成本考虑， 磷酸铁锂是汽车用动力电池上应用最理想的锂电池正极材料，其优点有:

一是安全性好、稳定：即使在过充电情况下也不会产生游离氧，不和电解液反应；可以放电到 0 V，电池无大的损伤；与有机电解液反应活性低；热力学稳定状态，400℃ 以下无变化。二是稳定性高: 充放电过程中，晶体结构不会发生变化；三维结构，L i +二维移动， 利于锂的嵌入；充电电压低，电解液更稳定，电池副反应少；循环寿命长。三是环保: 整个生产过程清洁无毒，所有原料都无毒。四是价格低: 磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，价格便宜。当然，磷酸铁锂材料也存在以下缺点:

一是导电性差: 磷酸铁锂不能得到大范围应用的主要问题是需往磷酸铁锂颗粒内部掺入导电碳材料或导电金属微粒，或颗粒表面包覆导电碳材料，提高材料的电子电导率。二是振实密度较低：一般只能达到 1. 3～1. 5，该缺点决定了其在小型电池如手机电池等没有优势，主要用来制作动力电池。三是电压平台低：一般为 3. 2 V。

此外，目前磷酸铁锂正极材料生产技术有以下三种：在粉体颗粒表面以碳元素涂布；用金属氧化物包覆颗粒；采用纳米制程技术细化材料颗粒，使之微粒化。总之，目前锂离子电池的能量密度、放电率、充放电寿命及密封性等，均可以满足美国USABC制定的电动汽车用动力电池的中期目标。当前，锂离子电池仍然存在的主要问题是：快充放电性能差、价格高和过充放电保护问题。在过充或滥用的条件下，锂电池可能发生火灾或爆炸。因此，为确保锂离子电池的安全性，必须使用电池管理系统。此法虽然有效，但增大了电池的成本和体积。（未完待续）表7 Saft公司2003年高能量型锂离子电池性能性能质量功率密度（18s放电）（W/kg）体积功率密度（W/L）质量能量密度（W.h/kg）寿命/年产量为10万套/年时的价格（S/套）当前锂离子电池9大约是目标值的2～4倍系统目标6257807515500表8 不同锂离子电池正极材料性能比较正极材料LiCoO2LiNiO2LMn2O4LiFePO4理论容量(mAh / g)274274148170实际容量(mAh / g)140－155190－21090－120120－160工作电压(V )3.72.5－4.23－43.2安全性能一般差好很好成本高居中低低2012年第14期

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