电动汽车核心技术之动力电池及管理系统介绍（二）——电动汽车对动力电池性能的要求

38技术纵横轻型汽车技术201210总278电动汽车核心技术之动力电池及管理系统介绍二一一电动汽车对动力电池性能的要求司康1电动汽车对动力电池性能的共性要求11比能量高比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，它是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能。不同类型电动汽车对于动力电池的比能量要求是不同的。对于目前已经十分成熟的油电双驱动混合动力车，因为有电和内燃机两种动力，电动部分只在车辆静止以及低速等情况下的时候才单独使用，其他情况下都主要依靠内燃发动机来工作，同时给电池充电，所以并不需要携带太多的电量，12度电的电量就可以了。对于插电式的混合动力车PHEV来说，一般在起始的一段距离完全依靠电动驱动，内燃机不起任何作用，等到电池电量降低到一定程度以后，内燃机才进行辅助或者仅进行充电。这样，这种车需要携带的电量就要多一些。根据所需要全电驾驶的行程距离不同，这类插电式混合动力车命名的时候，也可以直接把这个距离写上去，比如PHEV10说的是可以全电模式下行驶L0英里的车，PHEV40就是全电模式下可以行驶40英里的车。根据这个全电模式下行驶的距离不同，所需要携带的电量也就不同，差不多是在6到30度的范围。对于纯电动汽车BEV来说，因为任何状态下都是需要全电模式操作的，为了保证一定的行程，自然就需要携带更多的电量。有很多文献都认为BEV的行程应该在100200英里的范围，那么差不多就需要携带3O一50度电。假若全电模式行驶的距离再加长，那么电池的重量就要再增加，如此能量效率、车辆本身的经济性，都会是问题。这样，对电池的要求呢，就是携带同样的电量，电池本身重量和体积越小越好，这个指标就是单位重量或单位体积可以储存的能量，即比能量。这个指标直接决定了固定总重情况下，全电模式可以行驶的距离；当然也决定了需要行驶一定里程的话，所需要携带的电池的重量和体积，是设计电动车非常重要的一个参数了。不同电池的比能量，数据来源不同还是有些区别的。按照WIKI维基百科数据上面列出的数字，一般来说铅酸电池每公斤可以携带003到004度电，这样携带30度电就需要将近1000公斤，再加上结构支撑、冷却系统、管理系统等辅助系统，整个电池系统的重要有可能达到15吨，电池本身与一辆中型车相当；而磷酸铁锂电池可以携带的电量是每公斤008到012度，同样携带30度电，所需要的电池重量就少了一倍，只需要250400公斤。这里面可以看出高比能量的优势是非常明显的。有计算说车辆每增加100公斤的重量，每百公里电耗就需要增加0607度，这样如果电池就多了500公斤重量，同样性能的车每百公里就要增加电耗3度多，差不多是增加1520的用电量了。体积比能量也很重要，毕竟车的体积有限，若电池占据了太大的空间也无实用价值。还是WIKI的数字，铅酸电池是在每升006008度，磷酸铁锂电池在每升017度，这样计算每度电，铅酸电池的体积是L2一L7升，磷酸铁锂电池只要6升。30度电呢，铅酸电池就需要400500升，体积很惊人了，磷酸铁锂电池在这方面就可以节省一半的空间。电池系统体积大，所需要的支撑结构就要大，也就会导致车辆的重量增加，对提高能量效率不利。12连续放电率高、自放电率低电池能够适应快速放电的要求，连续1H放电轻型汽车技术201210总278技术纵横39率又称放电深度可以达到额定容量的70或更高。自放电率要低，电池能够长期存放。电池所携带的电不是所有都可以拿来使用的，至少说，在正常情况下，不是所有的都可以拿来使用的，过渡的放电会直接影响电池的使用寿命，应该是尽可能避免的。放电深度这个指标对于车辆的能耗本身影响不大，不过对于车辆所需要携带的电池的数量是有影响的。比如同样需要30度的可用电量，如果放电深度只有50，那么实际上需要携带60度电，相应的电池重量也就要增加一倍，如果碰巧有人非要使用铅酸电池的话，整个电池系统的重量可能达到将近3吨，这可是惊人的重量；而如果放电深度能够达到70，那么携带43度电就够了，比50的放电深度节约了将近30的重量。很明显这个指标直接关系到电池系统的重量。对于同样类型的电池，设计制造上的不同可以导致不同的放电深度，自然也会影响到电池本身的成本。一般锂离子电池这个指标都在65或者70的样子。13输出功率高这个主要是对于在全电模式情况下提出的要求，这个时候车辆的动力完全依赖电力，就需要保证一定的输出功率，否则动力不够，车走不动，有再多的能量也没用。不同电池单位重量可以输出的功率也是不同的。还是引用WIKI的数据，铅酸电池的峰值输出功率是每公斤180W，磷酸铁锂电池可以达到每公斤1400W。比如同样输出50KW功率，也就是一个微型轿车需要的功率水平，铅酸电池需要的电池组重量要达到至少278公斤，磷酸铁锂电池则只需要36公斤，差距十分明显。14充电技术成熟、时间短，充放电次数足够高电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够实现感应充电。在充电时间上能够实现快速充电，电池的正常充电时间应小于6H，电池快速充电达到额定容量50的时间应为20MIN以下。和这个数字相关的是可充电次数。这个指标，不同种类的电动汽车要求也是很不同的，主要的原因就是不同种类的电动车的充电模式不同，特别是对深度充放电与微循环充放电两类充放电的次数的要求有区别。比如传统内燃机车辆使用的启动铅酸电池，可以充放电的次数至少有数万次，但是都是很浅幅度的充放电，一旦车辆启动就立刻充电进行补充，很少有进行深度放电的时候。所以实际上应用的这类铅酸电池，的确就是对深度充放电循环没有什么要求，但是对浅度的微循环充放电次数要求很高。普通铅酸电池在进行深度充放电的时候，能够经受的次数很少。往往一辆车如果很久没开，电池就会处于深度放电状态，如果电池质量相对不好，那么这块电池很可能就要报废了。但是传统内燃机车辆因为实际需要并不高，故对这个深度充放电循环的要求也不高。当然，铅酸电池价格低廉，技术成熟，目前仍然是较大规模储存电能的首选，比如太阳能发电、风能发电如果需要配备电池组，一般还是选用铅酸电池。甚至办公室里面比较常用的UPS，使用的大多仍然是铅酸电池。铅酸电池用作动力电池时，设计与普通车用的启动电池是很不同的，需要保证有足够的深度充放电循环次数。比如高尔夫球车使用的动力铅酸电池，其电池的使用寿命在2到5年，差不多是500800次的深度充放电循环。对于偶尔才需要全电模式行驶的油电混合动力车来讲，所需要的只是充放电幅度比较浅的充放电循环，对深度充放电次数并没有具体要求，与普通车启动电池的要求很相似。而对于需要经常进行全电模式运行的插电式混合动力车PHEV，一般认为至少要有2500次的深度充放电循环次数。假设一个电池15年寿命的话，循环充电2500次，差不多就是2天一次，如果车辆使用频繁，充电频繁，那么2500次显然是不能够保证15年的使用寿命。对于纯电动汽车BEV来说，如果车主有经常充电的好习惯，很多时候都是在浅充的，这个指标似乎可以放松，不过这也表示BEV的充电模式可能会更加复杂。目前磷酸铁锂电池的深度循环充电次数差不多是2000以上，算是可以符合基本要求，不过距离更高的要求还有差距。实验室里面有一些电池达到了万次循环，一些类型的锂电池甚至可以达到4万次，不过那些技术距离工业应用还有很长的路要走，当然也是业界的努力方向。油电混合以及插电式混合动力车因为可能经常在微循环充放电的模式下操作，所以对于微循环的充放电次数的要求，怎么也需要二三十万次，BEV对40技术纵横轻型汽车技术201210总278这方面的要求要小一些，不过也是有要求的，因为其可以把车辆减速、下坡的时候的能量变成电能，这样在行驶的时候也有很多的微充放电循环。总之，对于不同电动汽车用动力电池，一般需要同时要求深度充放电次数和浅度充放电次数，而同时满足这两个指标有的时候会有比较矛盾的设计要求，这就给电池设计增加了很多挑战。15适应车辆运行环境电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。16安全可靠电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱、外壳。应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。17寿命长、免维护电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。这方面，目前丰田的混合动力车对电池的保修是L0年，有调查认为用户的想法是15年会更好一些。18价格合适无疑，动力电池的价格不能太贵，否则，相应电动汽车产品就无法市场化。目前，锂离子电池的价格在每度电7001000美元之间，显然这个价格仍然太贵了，30度电就需要23万美元。尽管人们希望随着锂电池工艺成熟，市场扩大，这个价格能降下来，不过从过去的十年来看，这个价格比较稳定，很难说短期内市场会真得把价格降下来。一些文献估计的合理的价格应该在每度电300美元以下，这样30度电电池成本就在1万美元以内，市场能基本接受。不过不同数据来源给出的价格数字相差很大，如果相信WIKI的数字，WIKI上说磷酸铁锂电池的价格是每美元0730WH，折合每度电3001400美元。若相信中国制造的成本在价格低端的话，那么这个价格就比较接近市场可以认可的价格了。2不同电动汽车对动力电池性能的要求由于不同种类电动汽车的构型和工作模式不同，因此对动力电池的性能要求也大不相同。前面已经有不少这方面的描述，下面结合不同的车型再作进一步的探讨。21纯电动汽车对动力电池的性能要求纯电动汽车行驶完全依赖电池的能量，电池容量越大，可以实现的续驶里程越长，但电池的体积、重量也越大。纯电动汽车要根据设计目标、道路情况和行驶工况的不同来选配电池。具体要求归纳如下1电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过LC，典型峰值放电一般不超过3C；如果电动汽车上安装回馈制动，电池组必须能够接受高达5C的脉冲电流充电。2电池要能够实现深度放电例如80而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功率和全放电。3需要安装电池管理系统和热管理系统，显示电池组的剩余电量和实现温度控制。4由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。22混合动力汽车对动力电池的性能要求这里的混合动力汽车，主要指普通油电混合动力汽车HEV，现在被划人节能汽车的范畴。与纯电动汽车BEV与PHEV一起目前被划人新能源汽车范畴相比，HEV对电池的容量要求有所降低，但要能够根据整车要求实时提供更大的瞬时功率，即要实现“小电池提供大电流”。由于混合动力汽车构型的不同，串联式和并联式混合动力汽车对动力电池的要求又有差别。串联式混合动力汽车完全由电机驱动，内燃发动机总成与电池组一起提供电机需要的电能，电池SOC电池的荷电状态，即电池剩余容量占额定容量的百分比处于较高的水平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要小一些。并联式混合动力汽车内燃机和电机都可直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶需求可以由不同的动力组合结构来满足。动力电池的容量可以更小，但是电池组瞬时提供的功率要满足汽车加速或爬坡要求，电池的最大放电电流有时可能高达20C以上。轻型汽车技术201210总278技术纵横41在不同构型的混合动力汽车上，由于工作环境、汽车构型、工作模式的复杂性，对混合动力汽车用动力电池提出统一的要求是比较困难的，但一些典型的、共性的要求可以归纳如下1电池的峰值功率要大，能短时大功率充放电。2循环寿命要求，达到1000次以上的深度放电循环和40万次以上的浅度放电循环。3电池的SOC应尽可能保持在50一85的范围内。4需要配备电池管理系统和热管理系统。23插电式混合动力汽车对动力电池的性能要求PHEV对动力电池的要求要兼顾纯电动和混合动力两种模式。如图1所示，PHEV在设计上既要实现在城市里以纯电动汽车模式的行驶，又要实现在高速公路上以混合动力汽车模式的行驶电池电量也在消耗。PHEV期望纯电动工作模式的行驶里程达到几十公里，而且期望电池在低SOC时也能提供很高的功率水平。行驶里L曼，L图1PHEV的工作模式图2BEV、HEV和PHEV对电池性能要求的差别图2给出了BEV、HEV和PHEV对电池的要求在功率密度和能量密度上的差别。而从成本角度来讲，由于电池成本高，PHEV的售价会比传统汽车和无纯电动里程的混合动力汽车高，用户也会期望PHEV电池性能好，寿命长。可见，PHEV对电池的要求是非常高的。24电动汽车用动力电池的具体指标要求示例世界各主要工业国家都对电动汽车用动力电池的研究给予高度重视，通过设立专门机构，制定具体的技术指标推动动力电池的研究工作。表1和表2所列为典型的动力电池技术指标。表1是美国能源部FREEDOMCAR项目在2002年9月制定的功率辅助型混合动力汽车用动力电池的指标要求；表2是美国先进电池联合会USABC制定的面向纯电动汽车用动力电池的性能指标要求；表1功率辅助型混合动力汽车HEV储能电源目标特性单位最小值最大值脉冲放电功率16LW254O最大回馈脉冲功率10SL【W205H脉冲3597KH脉冲总可用能量1C放电KHO305循环能量效率9025LVH循环905O砒H循环一3O冷启动功率3个2S脉冲，脉冲问隔KW57为10S搁置循环次数3O00OO3OO0OO寿命在确定的SOC变化范围放电功率75H15瑚H寿命年1515重量KG4O60体积L3245允许的自放电率WH天5O50正常工作温度范围一3O523052安全工作温度范围46664666年产LO万套时的价格500800霉S要，簟融42技术纵横轻型汽车技术201210总278表3是我国863计划现代交通技术领域“节能与新能源汽车”重大项目2006年度课题申请指南中的电池性能参考指标，这是要求电池研制单