一種應用于電動汽車的復合電池能源模塊

王濤，韋秀磊，林秋豐，董小平

一種應用于電動汽車的復合電池能源模塊

王濤1，韋秀磊1，林秋豐2，董小平1

（1．河北大學 質量技術監督學院，河北 保定 071002，2．國立屏東科技大學 工學院，臺灣 屏東 000912）

就目前現有的電動汽車電池能源模塊無法滿足車輛實際性能需求的問題，提出了一種全新的電動車用電池能源模塊，該模塊是由鋰離子電池與鋅空氣燃料電池進行配合組成的．首先分析了全球各個汽車企業就目前車用能源日趨緊張問題所提出的不同解決方案，指出了電動汽車發展前景樂觀；其次，分析了應用于純電動汽車的電池能源模塊存在的瓶頸，提出了一個全新的電動車用電池能源模塊的構想；然后，對該動力電池能源模塊的優勢進行分析，指出了該模塊未來應用于電動汽車上的可行性；最后，就下一步開發該模塊所要做的具體工作進行了介紹．

電動汽車；鋰離子電池；鋅空氣燃料電池

近年來，因能源的過度消耗致使國際油價逐年上升，直接沖擊了經濟發展的進程．根據美國國家能源技術實驗室數據顯示，全世界約有55%的石油被交通運輸所消耗；因此，為了達到節能減排的目的，各國相繼提高車輛燃油消耗標準，并通過強制性法律法規控制能源的過度消耗．

1 電動汽車的發展前景

為解決本世紀車用能源緊張問題，全球汽車企業提出了不同的解決方案．在過去的幾年內，世界主要汽車生產企業所開發的電動汽車，絕大多數還是以混合動力汽車為主，其中以TOYOTA Prius最受到市場的關注［1］，HONDA，FORD，GM等汽車公司也相繼開發了混合動力汽車［2－4］．目前，Tesla公司已成功研發了一款搭載鎳氫電池的純電動跑車，因鋰離子電池的性能優于鎳氫電池，所以各大汽車企業開始嘗試應用鋰離子電池，Tesla公司下一步將繼續研發搭載磷酸鐵鋰電池的電動汽車，寶馬公司所開發的電動汽車也是采用鋰離子電池，近兩年，各大汽車企業所開發的電動汽車以插電式混合動力汽車為主，電池則以鋰離子電池為主．因混合動力汽車還是會消耗石油，產生污染排放．因此，在現階段車用電池技術已取得有效突破之際，各國汽車企業積極響應目前環保議題，大力發展電動車輛，電動汽車的發展前景逐步被看好．

2 電動車用電池能源模塊的瓶頸

在純電動汽車的開發中，所涉及的關鍵技術主要有電池模塊、電機模塊、控制器以及輕量化車體．其中，以電池模塊最為關鍵，因為它直接影響著電動汽車的性能、成本以及安全．目前，搭載在電動汽車上的電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及鋅空氣燃料電池等［5］，其中，鉛酸電池具有技術成熟、安全且價格低的優點，但能量密度、功率密度、壽命等方面存在嚴重不足，因此，不適合在電動汽車上使用；鎳氫電池在性能上比鉛酸電池具有顯著優勢，但其性能和成本上仍然無法滿足純電動車的性能需求；鋰離子電池的功率密度、能量密度優于鎳氫電池，因此，目前電池發展趨勢逐漸偏向鋰離子電池［6－9］．然而，因鋰離子電池技術仍未成熟，仍有相當大的研發空間，各國還在投入大量的經費進行開發．鋅金屬燃料電池具有能量密度高且安全，成本也僅略高于鉛酸電池的1倍．放電后的鋅變為氧化鋅不僅環保、易回收，且仍具有經濟價值，再加上我國在鋅和石墨的儲量豐富，因此，該電池具有先天的資源優勢．另外，近幾年，通過采用最新的納米材料技術，鋅－空氣燃料電池的發展突飛猛進，預期在未來幾年，實際可用的比能量可上升至理論值1 316 Wh／kg左右，遠比目前現有的電池都高出許多，故極適合應用在對續航里程及輸出需求功率較高的電動汽車上，然而，該電池功率密度較低，因此，可通過搭配二次電池以彌補其性能存在的缺陷．

到目前為止，單一類型電池還是無法滿足純電動汽車實際的動力性及行駛里程需求，所以，除了采用油電混合的方案之外，還可采用電電混合的方案，也就是說，為車輛上的驅動電機提供電力的是2個具有不同特性的電池混合模塊，通過取其各自優點以使電池模塊的整體性能符合電動車輛所需的能量模塊，從而實現功能上的互補，滿足車輛的性能要求．美國圣地亞哥曾對搭載鋅空氣燃料電池的純電動公交車做過改裝，因鋅空氣燃料電池無法進行大功率輸出，所以采用加裝一組Ni－Cd電池，彌補燃料電池的不足．為了彌補燃料電池功率密度低的缺點，還有采用與能量密度及功率密度較高的超級電容相匹配［10］，類似的還有將太陽能電池與超級電容結合起來的電池能源模塊［11］；其中，最常見的模塊還是超級電容與二次電池的組合［12］．可是，因超級電容的成本較高，在組合后，雖在性能上滿足使用需求，但不具備實現商業化上的可行性．

3 鋰離子電池及鋅空氣燃料電池能源組合模塊

通過對上述各種電池的特性進行分析，對比目前市面上的各種電池性能與價格，如表1所示，本文提出了利用功率密度較高的鋰離子電池與能量密度較高的鋅空氣燃料電池進行性能上的匹配，構成一個全新的電動車用電池能源模塊．鋰離子電池可滿足車輛行駛時動力性所需要的功率要求，鋅空氣燃料電池則主要滿足車輛行駛里程所需要的能量要求．

表1 鋅空氣燃料電池與其他主要電池性能與價格之間的比較Tab．1 Property and price between zinc air fuel battery and other main batteries

該電池模塊應用在純電動汽車上的能量傳遞路線圖，如圖1所示；該電池模塊在能量輸出的分配上，如圖2表示，在上坡及加速路段，鋅空氣燃料電池與鋰離子電池共同為電機提供能量以滿足車輛行駛時所需功率要求；在平坦路段時，由鋅空氣燃料電池單獨為電機提供能量；在下坡路段，通過制動電機可為鋰離子電池模塊回收部分能量，同時，在監測到鋰離子電池SOC不足的時候，鋅空氣燃料電池也將為鋰離子電池進行補電；在車輛停止時，當電池管理系統監測到鋰離子電池SOC不足時，鋅空氣燃料電池將對鋰離子電池進行充電．

圖1 純電動汽車能量傳遞路線Fig．1 Power flow in pure electric vehicle

該組合模塊可認為是目前所提出的車用能源模塊當中較佳的選擇，兼顧了單一電池在能量密度以及功率密度等方面存在的不足，同時解決了目前電動車在動力性差、行駛里程短等不足，大大降低鋰離子電池數量，避免了因大量使用鋰離子電池而造成的電池能源模塊成本升高及安全性風險等問題．相比較圣地亞哥市公交車計劃所使用的二次電池是Ni－Cd電池，本文所提出的電池能源模塊在使用特性上與之有相當大的差異，Ni－Cd電池有廢棄污染的問題，不值得推廣．因此，本文所提出的電池能量模塊將比美國圣地亞哥大巴士計劃更具有優勢，它將進一步促使純電動汽車成為下一代主要的交通工具成為可能．

圖2 鋰離子電池與鋅空氣燃料電池能量管理策略Fig．2 Energy management strategy of zinc air fuel battery ＆lithium ion battery

本模塊的優勢有4點：第一，在性能上，因傳統電池無法同時兼顧能量密度及功率密度的要求，導致無法滿足車輛動力性及續駛里程要求，本文所提出的電池能源模塊，其總體性能與目前全球汽車企業所搭載的電動汽車電池模塊相比較，如圖3所示，該模塊的規格參數已接近日本NEDO（負責日本能源政策的規劃以及推動）官方設定的在2020年擬達到的目標．第二，在安全性上，本文所提出的電池能源模塊將大大降低鋰離子電池的數量，避免因鋰離子電池大量使用而造成自燃的風險．第三，在成本上，本文所提出的電池組合模塊，鋅空氣燃料電池的成本遠低于鋰離子電池，整個組合能源模塊的價格將會是目前單獨使用鋰離子電池模塊同等規格的1／7，因此，該模塊降低了電池的購買成本，提升了商業化的可行性．第四，執行本方案對減少我國車輛石油資源的消耗、減輕溫室效應等方面具有明顯的效果．

圖3 所規劃的能源模塊與目前各種電動車能源模塊規劃目標的比較Fig．3 Power module planed compared with current other power modules

4 結論及展望

1）本文主要為現階段重點發展的純電動汽車規劃了一套具備安全、低成本且能夠滿足車輛性能需求的動力電池組合模塊方案．該方案綜合了2種電池自身特性，可在滿足車輛實際動力性和續駛里程的需求下，使車輛能源模塊的成本最低．

2）下一步將開發一個針對二者電池進行匹配的能量管理控制器，依照車輛運行時所需要的功率，由該模塊判斷這兩組電池是單獨工作還是共同配合為電動車輛輸出電量；同時，在車輛行駛當中，以維持鋰離子電池的SOC在最佳區域內，以延長鋰離子電池的使用壽命．

3）為驗證所建立的電池能量模塊以及電池能量管理系統的可行性，還需建立一臺搭載鋰離子電池與鋅空氣燃料電池的電動車輛實驗平臺，對車輛整個系統運行的相關特性進行研究，并測試能量管理模塊的性能．

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LIU Chunna．Application prospect of super capacitor［J］．Chinese Journal of Power Sources，2010（9）：15－18．

（責任編輯：孟素蘭）

A hybrid battery energy module for electric vehicles

WANG Tao1，WEI Xiu－lei1，LIN Chiu－feng2，DONG Xiao－ping1
（1．College of Quality Technology and Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China；
2．School of Engineering，National Pingtung University of Science and Technology，Pingtung 000912，China）

The existing battery ower module for electric vehicle can not meet the actual vehicle performance requirements．A new battery power module is carried out in this paper，which is composed of the li－ion batteries and zinc－air fuel cell．Firstly，the different solutions about the vehicle energy short supply are proposed by the global automobile companies．The prospective of electric vehicles becomes optimistic．Secondly，the bottle neck for power battery module applied in pure electric vehicle is analyzed．A new battery power module for electric vehicle is put forward；then，the advantage of the power battery energymodule is analyzed，the feasibility of the module used in electric vehicles is pointed out in the future．Finally，the next specific work on the development of the module is introduced．

electric vehicle；li－ion battery；zinc air fuel cell battery

U469．72

A

1000－1565（2012）04－0429－05

2012－03－20

河北省教育廳項目（2011206）；河北大學自然科學研究計劃（2011－208）；2012年度河北省人社廳留學人員科技活動項目；臺灣國科會計劃項目（NSC 100－3113－E－020－001）；河北省自然科學基金（E2013201）

王濤（1982－），男，山東泰安人，河北大學講師，博士，主要從事新能源電動汽車關鍵技術研究．E－mail：taowangustbntu＠sohu．com

林秋豐（1964－），男，臺灣人，屏東科技大學教授，主要從事電動汽車永續能源系統的方向研究．E－mail：chiufeng＠mail．npust．edu．tw．