电动汽车核心技术之动力电池及管理系统介绍（一）动力电池的主要种类及性能特点

轻型汽车技术20129总277技术纵横35电动汽车核心技术之动力电池及管理系统介绍一动力电池的主要种类及性能特点司康1引言一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0069，还不足干分之一。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薪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；完善标准体系和准人制度管理等。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16万辆，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36技术纵横轻型汽车技术20129总277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。2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。21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SONNENSEHEIN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“TORGUESTARTER”再化合免维护汽车电池，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PH，电解液是稀硫酸H2S04。1859年，GPLANTE发明铅酸电池之后20年，JHGLADSTONE和ATRIBE于1882年提出了解释电流成流反应的“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负极反应PBHSO4PBSOH2E一正极反应PB023HHSO42EPBSO42HZO电池反应PBPBO22H2HSO4,2PBSO42H20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，PBS04已基本还原为PB02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。电解水的反应2H2OO4H4E一铅酸电池可分为两大类注水式铅酸电池FLABFLOODEDLEADACIDBATTERY和阀控式铅酸电池VRLABVALVEREGULATEDLEADACIDBATTERY。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一1、S一10皮卡，F0RD公司的EVRANGER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35WHKG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。22镍氢电池镍氢NIMH电池属于碱性电池，它的许多基本特性和镍镉NICD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7O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，进轻型汽车技术20129总277技术纵横37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产品型号主要技术特点节油效果排放达标市场状况串联式，锂离子蓄电池，4个轮毂电机，48L柴奔驰CITAROG铰接式30欧2009年初开始量产油机三菱扶桑锂离子蓄电池30欧V欧2004年进入亚洲市场全球共销售近2000辆，主要在戴姆勒AEROSTARECO0NION串联式，铅酸蓄电池51O欧V，欧美国B5L双层装备ISM集成式变频启动电机，ISHIFT变3O欧2009年底开始量产，首批在伦速器，5L4缸柴油机；并联式，锂离子蓄电池敦运营沃尔沃2010年初开始量产，首批在卢770O同上3O欧森堡运营曼LJI0NSCITV串联式，超级电容器3O欧2010年初开始量产依维柯CIVIS装备西门子开发的电子导向系统，锂离子蓄电池在美国和欧洲销售200多辆展很慢。20世纪8O年代PHILIPS公司制成了LANI25CO25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L来说明。IE_1TML一，E电一麓电图1镍氢电池工作原理示意图镍氢电池正极的活性物质为NIOOH放电时和NIOH充电时，负极的活性物质为H放电时和HO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负极反应MH2OEMHXOH一正极反应N。0H2OHNIOOHH2OE一总反应MNIOH2MHNIOOH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12V；能量密度3H为5570WHKG；功率密度为160500WKG；快速充电从满容量的40充到80为15MIN；工作温度为一3050C；循环使用寿命超过1000次DOD100镍氢电池的优点是能量密度、功率密度均高于铅酸电池和NICD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58倍；单体电池电压低12V；自放电损耗大；对环境温度敏感，电池组热管理任务重。近几年来，由于电动汽车产业化和燃料电池汽车的研制开发，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一13本丰田公司的RAV4EV和本田公司的EVPLUS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、13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。23锂离子电池1工作原理锂离子电池LITHIUMIONBATTERY是在二次锂R”KI38技术纵横轻型汽车技术20129总277表2日本PANASONIC公司镍氢电池性能下项目EV95EV28EV65容量AH952865额定电压，V12L272质量KG1876511能量密度635344WHKG功率密度20O3005O0WKG8ODOD8OD0D50DOD注DO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SAR公司镍氢电池性能电池型号NH122NH124额定容量AH96109能量密度WHKG6670功率密度WKG150162表4美国COBASYS公司10O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128L额定容量9AH体积能量密度52WH几额定功率27KW质量功率密度1125WKG额定能量1C放电125WH体积功率密度21OOW几模块重量24KG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LIMO，MCO、MN或NI等跃迁金属；负极，可嵌人LI的碳形成了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正极LIMO2LILMOXLIXE一负极CXLIXELICLIION电池的表达通式为LICLILXMOFCLIMO2锂子离电池的工作原理如图2所示以CO表5日本SONY公司电动车用锂离子电池的技术指标圆柱形单体电池方形组合电池性能参数高能量型高功率型高能量型高功率型重量KG331229125尺寸MM击67X410击50250292X150工作电压厂V3636288288额定容量AH1OO2210055能量密度WHGL1062L0O55功率密度WKG30080030070O循环寿命，次12OO120OL2OO1200轻型汽车技术20129总277技术纵横39电池有两种一种是用于电动汽车EV、容量为100AH的圆柱高能量电池，8只电池串联成一个模块，12个模块组成完整的车用电池组；另一种是用于混合动力电动汽车HEV、容量为22AH的圆柱形高功率型电池，虽然其能量密度仅为61WHKG仅为前者的564，但其功率密度为800WKG是前者的27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。ET本的主要电池厂商，包括日立HITACHIHVE、汤浅GSYUASA、松下PANASONIC，都是该项目的成员。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。表6日本研制的锂离子电池性能指标项目日立汤浅松下容量规格AH15L07质量功率密度WKG21O023402600质量能量密度WHKG698078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。表7SAFF公司2003年高能量型锂离子电池性能性能当前锂离子电池系统目标质量功率密度18S放电WKG900625体积功率密度WL1450780质量能量密度WHKG7575寿命，年1515产量为10万套年时的价格大约是目标值的S套24倍5003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。表8不同锂离子电池正极材料性能比较理论容量实际容量工作电压安全性能成本正极材料MAHMAH曲RV1LICO0，27414015537一般高LINI2741902102542差居中LMN204L489O一12O34好低LIFEP017012O一16O32很好低显然，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0V，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，4OOQC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，LI十二维移动，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人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1315，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。下转第60页6O企业管理轻型汽车技术20129总277表1车身各大总成测量频次总成名称测量频次次天测量频次次周车身本体总成1发仓总成2前部地板总成2后部地板总成2大地板总成2左侧围总成L右侧围总成L数据统计分析系统数据采集后，立即形成当日数据分析报告尺寸合格率表、数据趋势分布地毯图、TOP问题列表，并利用数据分析模块对各问题点进行数据趋势、各数据点相关性分析，直至形成问题改进报告，具体合格率数据、趋势及尺寸问题分布图。3工作标准的实施效果31功能尺寸质量水平目前我们全体员工正以满足客户需求、以制造自主品牌精品车身为目标，坚持质量的持续改进。经过不懈的努力，已经取得了很好的效果，功能尺寸合格率始终保持在较高的水平，平均合格率高于控制目标值5以上，为提升荣威350和MG5的整车质量水平提供了关键的保障。32经济效益由于荣威350和MG5整条车身加工线的各个分总成及整车的功能尺寸在正式生产后的不久，都达到了很高的水平，整车质量也达到了或超过了国内合资汽车厂同类产品同期的质量水平，因此，生产线速得以快速提升。在正式生产的当月，生产线速就达到了设计能力为27J