纯电动汽车用动力电池分类及应用探讨

纯电动汽车用动力电池分类及应用探讨 蔡 松， 霍伟强 （ 湖北省电力公司洪湖供电公司，湖北 洪湖 ；湖北省电力公司，湖北 武汉 ） 摘 要 介绍了纯电动汽车用动力蓄电池的种类及原理、 各种充电电池的参数及其应用情况、 国 家和国网电力公司对动力电池的强制认证和技术标准， 文章还简要介绍了当前主流电动汽车动力电池 的配置参数， 并探讨了直流快充、 交流慢充、 更换电池等各种充换电方式的优、 缺点。 关键词 纯电动汽车；动力电池；蓄电池；充换电 中图分类号 文献标识码 文章编号 （ ） ， （ ， ， ； ， ， ） （ ） ， ， ； ； ； 收稿日期 作者简介 蔡 松（ ） ， 男， 湖北洪湖人， 助理工程师。 电动汽车蓄电池的种类 铅酸电池 铅酸电池是采用金属铅作为负极， 二氧化铅作 为正极， 用硫酸作为电解液， 放电时， 铅和二氧化铅 都与电解液反应生成硫酸铅。充电时反应过程正好 相反。现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电 池（ ） 。 总体上说， 铅酸电池具有可靠性好、 原材料易 得、 价格便宜等优点， 比功率也基本上能满足电动汽 车的动力性要求。但它有两大缺点； 一是比能量低， 所占的质量和体积太大， 且一次充电行驶里程较短； 另一个是使用寿命短， 使用成本过高。由于铅酸电 池的技术比较成熟， 经过进一步改进后的铅酸电池 仍将是近期电动汽车的主要电源。 镍金属电池 镍氢蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍， 负极 活性物质为贮氢合金， 电解液为氢氧化钾溶液， 电池 充电时， 正极的氢进入负极贮氢合金中， 放电时过程 正好相反。在此过程中， 正、 负极的活性物质都伴随 着结构、 成分、 体积的变化， 电解液也发生变化。 相对于其他电池， 电池的优异特性表现 在： 高比能量（ 衡量电动车一次充电行驶里程） 已与 锂离子电池水平相当； 高比功率（ 赋予电动车良好的 启动、 加速、 爬坡性能） 其性能已高于锂离子电池； 长 寿命特性（ 赋予电池良好的经济性） 平均寿命 次； 安全性能高， 无污染物， 被誉为“ 绿色电源” 。 但是目前阻碍其应用的一个重要问题是初始成本太 高， 而且还有记忆效应和充电发热等问题， 充电发热 会引发安全问题， 因此， 要求发展相应可靠的能量管 理系统。 锂离子蓄电池 锂离子电池使用锂碳化合物作负极， 锂化过渡金 属氧化物作正极， 液体有机溶液或固体聚合物作为电 解液。在充放电过程中， 锂离子在电池正极和负极之 间往返流动。放电时， 锂离子由电池负极通过电解液 流向正极并被吸收， 充电时， 过程正好相反。 锂离子电池基本上解决了蓄电池的个技术难 题， 即安全性差和充放电寿命短的问题。同时锂离 子电池具有高电池单体电压、 高比能量和能量密度， 可以说是当前比能量最高的电池， 工作稳定。它的 性能指标都可以满足 制定的电动车中期目 第 卷第期 年月 湖 北 电 力 标。缺点是自放电率高， 初始成本较高。 锂聚合物电池 锂聚合物电池又称高分子锂电池， 它也是锂离 子电池的一种， 但是与液锂电池（ ） 相比具有 能量密度高、 更小型化、 超薄化、 轻量化以及高安全 性和低成本等多种明显优势。在形状上， 锂聚合物 电池具有超薄化特征， 可以配合各种产品的需要， 制 作成任何形状与容量的电池。聚合物锂离子电池所 用的正负极材料与液态锂离子都是相同的， 电池的 工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质 的不同， 锂离子电池使用的是液体电解质， 而聚合物 锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替， 这种聚 合物可以是“ 干态” 的， 也可以是“ 胶态” 的， 目前大部 分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池可以 采用高分子作正极材料， 其质量比能量将会比目前 的液态锂离子电池提高 以上。此外， 聚合物锂 离子电池在工作电压、 充放电循环寿命等方面都比 锂离子电池有所提高。基于以上优点， 聚合物锂离 子电池被誉为下一代锂离子电池。 高温钠电池 高温钠电池主要包括钠氯化镍电池（ ） 和钠 硫 蓄 电池种。钠 氯 化镍 电池正 极 是 固 态 ， 负极为液态 ， 电解质为固态 陶 瓷， 充放电时钠离子通过陶瓷电解质在正负电极之间 漂移。钠氯化镍电池是一种新型高能电池， 它具有比 能量高（ 超过 ） 、 无自放电效应、 耐过充、 过 放电、 可快速充电、 安全可靠等优点， 但是其工作温度 高（ ） ， 而且内阻与工作温度、 电流和充电 状态有关， 因此需要有加热和冷却管理系统。钠硫蓄 电池具有高的比能量和功率， 但成本高， 安全性差， 其 工作温度接近 ， 熔融的钠和硫有潜在的危险 性， 并且腐蚀也限制了电池的可靠性和寿命。 锌空气电池（ ） 锌空气电池是一种机械更换离车充电方式的高 能电池， 正极为 ， 负极为 （ 吸收空气中的氧气） ， 电解液为。锌空气电池的电压为 左 右， 放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制 约。每一型号的电池有其最佳使用电流值， 超过极 限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的荷电量一般 比同体积的锌锰电池大倍以上。 锌空气电池具有高比能量， 免维护、 耐恶劣工作 环境， 清洁安全可靠等优点， 但其比功率较小， 不能存 储再生制动的能量， 寿命较短， 不能输出大电流及难 以充电等缺点。一般为了弥补它的不足， 使用锌空气 电池的电动汽车还会装有其它电池（ 如镍镉蓄电池） 以帮助起动和加速。 超级电容 超级电容器， 又叫双电层电容器、 电化学电容 器、 黄金电容、 法拉电容， 通过极化电解质来储能。 它是一种电化学电容， 兼具电池和传统物理电容的 优点。其特点是寿命长、 效率高、 比能量低、 放电时 间短。超级电容往往和其它蓄电池联合应用作为电 动汽车的动力电源， 可以满足电动汽车对功率的要 求而不降低蓄电池的性能。超级电容的使用将减少 汽车对蓄电池大电流放电的要求， 达到减少蓄电池 体积和延长蓄电池寿命的目的。根据电极材料的不 同， 超级电容可分为碳类超级电容（ 双电层电化学电 容） 和金属氧化物超级电容两类。 飞轮电池 飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电 池， 它由电动发电机、 功率转换、 电子控制、 飞轮、 磁 浮轴承和真空壳体等部分组成， 具有高比功率、 高比 能量、 高效率、 长寿命和环境适应性好等优点。飞轮 电池中的电机在充电时以电动机形式运转， 在外电 源 的 驱 动 下， 电 机 带 动 飞 轮 高 速 旋 转 （ 可 达 到 ） ， 即用电给飞轮电池“ 充电” ， 增加了 飞轮的转速从而增大其动能。放电时， 电机则以发 电机状态运转， 在飞轮的带动下对外输出电能， 完成 机械能（ 动能） 到电能的转换。要开发适合电动汽车 的实用性飞轮电池， 就必须进一步提高它的安全性 并降低成本。 燃料电池 燃料电池是一个能量生成装置， 并且一直产生 能量， 直到燃料耗尽。它的优越性在于高效率的把 燃料转化为电能， 工作安静， 以纯氢为燃料时可以实 现零排放， 燃料补充迅速， 并且燃料容易获得。缺点 是现在的应用技术还需要进一步的提高， 还存在一 定的安全问题和价格问题。 世纪 年代以来燃料电池成为各个发达国 家竞相开发的电动车电池。加拿大、 美国、 日本、 德国 等国家处于领先地位， 其中以加拿大的巴德拉公司最 为先进。由于汽车运行工况复杂， 如果单独用燃料电 池作动力源会导致燃料电池后备功率很大， 引起重量 增加， 成本上升， 氢气利用低的问题。所以， 目前的燃 料电池几乎全部采用燃料电池加辅助动力源的混合 驱动方案。目前以氢为燃料的电动汽车在性能上已 经基本赶上了燃油汽车。但是， 高成本制约了发展。 湖 北 电 力 第 卷第期 年月 太阳能电池 太阳能电池是一种把光能转换为电能的装置。 目前， 部分机构也已研制出了使用太阳能电池的电动 汽车样车， 但是由于太阳能电池还存在光电转换效率 不高、 价格太高、 电池系统配置较复杂等问题， 近期内 只能作为电动汽车的补充电源， 还不能大规模的生产 应用。但太阳能作为最清洁的、 取之不尽用之不竭的 能源， 对它的研究和应用必将会取得长足的进步。 电动汽车充电电池的常用类型 目前电动汽车一般采用铅酸电池、 镍氢电池或 者锂离子电池等充电电池。铅酸电池技术成熟、 价 格便宜， 但其污染严重， 比能量低， 一般应用于大型 不间断供电电源以及电动自行车； 镍氢电池安全性 高、 耐过充过放性能好， 但其比能量低、 低温性能差、 自放电率高， 一般应用于混合电动汽车以及电动工 具； 锂离子电池相比以上种电池具有比能量高、 循 环寿命长、 充电功率范围宽、 倍率放电性能好、 污染 小能等优良特性， 现今被电动汽车广泛采用， 也是现 今国网力推的一种电动汽车充电电池类型。 锂离子电池根据其正极材料的不同又分为钴酸 锂电池、 锰酸锂电池、 磷酸铁锂电池以及镍钴酸锂三 元材料电池等。 磷酸铁锂电池以及锰酸锂电池由于各自性能的 优越性广泛被各大汽车车厂所采用。目前在充电站 及换电站营运的电动汽车大多采用的是磷酸铁锂电 池或者锰酸锂电池。 目前， 国家和国网公司对充电电池有强制性认证 和条件， 即电动汽车用充电电池必须符合国家强制性 检测标准 车用超级电容器 、 电动汽车用铅酸蓄电池 、 电动汽车用锂离子蓄电池 、 电动汽 车用金属氢化物蓄电池 等才能入网运行。 目前， 主流电动汽车动力电池配置参数， 如客 车、 公交车每辆车上约需 箱电池箱， 每箱电池 箱约为 ， 车上电池箱总重量约为 ， 总能量约为 左右； 出租 车、 乘用车每辆车上需要箱电池箱， 每箱电池箱约 为 ， 重量约为 ， 总能量约为 。 种充电方式优缺点 交流慢充 蓄电池在放电终止后应立即充电（ 在特殊情况 下也不应超过 ） ， 充电电流相当低， 约为 ， 这种充电叫做常规充电（ 普通充电） 。常规蓄电池的 充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电， 一般充 电时间为， 甚至长达 。这种充电方 式是利用车载充电器， 接 交流电即可， 常规充 电模式优点： 尽管充电时间较长， 但因为所用功率和 电流的额定值并不关键， 因此充电器和安装成本比 较低， 目前国内厂商提供的充电桩价格在每个 万人民币左右， 一旦市场形成规模化， 成本可以控制 在每个 人民币以内； 充分利用电力低谷时段 进行充电， 降低充电成本； 可提高充电效率和延长电 池的使用寿命。缺点： 常规充电模式的主要缺点为 充电时间过长， 当车辆有紧急运行需求时难以满足。 而且中国城市的建筑密度也无法满足电动汽车对充 电桩的需求， 中国城市建筑结构以高楼为主， 地面停 车场数量有限， 这样会造成有车充不上电的情况。 直流快充 常规蓄电池的充电方法一般时间较长， 给实际 使用带来诸多不便。快速充电电池的出现， 为纯电 动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应 急充电， 是以较大电流短时间在电动汽车停车的 内， 为其提供短时间充电服务， 一般充电 电流为 。 快速充电模式的优点是充电时间短， 但是， 相对 常规充电模式， 快速充电也存在一定的缺点即“ 快 充” 并不快， 而且降低电池使用寿命； 充电站成本较 高， 盈利模式值得商榷； 相应的大电流需求可能会对 公用电网产生有害的影响； 整车价格高， 不利于电动 汽车的普及。 换电方式 通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充 电的目的。由于电池组重量较大， 更换电池的专业化 要求较强， 需配备专业人员借助专业机械来快速完成 电池的更换、 充电和维护。采用这种模式优点是电动 汽车