陜西省電動汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線研究

賀伊琳，蘇楠，鹿靜，王棟梁

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.056

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陜西省電動汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線研究

賀伊琳，蘇楠，鹿靜，王棟梁

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.056

摘 要：隨著工業(yè)化進(jìn)展，汽車數(shù)量大幅增加，隨之而來的是環(huán)境污染和能源危機，電動汽車綠色環(huán)保，且不會對石油能源造成壓力，已成為當(dāng)今世界研究的熱點。動力電池是電動汽車的核心技術(shù)之一，其發(fā)展直接影響電動汽車的性能，因此，提高動力電池的技術(shù)水平對促進(jìn)電動汽車技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。文章首先論述國內(nèi)外動力電池的發(fā)展現(xiàn)狀，對每種電池的性能進(jìn)行比較，其次基于SWOT理論對目前陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)行分析，最后結(jié)合陜西省現(xiàn)狀對該省電動汽車動力電池發(fā)展的技術(shù)路線進(jìn)行研究，明確發(fā)展目標(biāo)，提出關(guān)鍵技術(shù)與研發(fā)重點內(nèi)容，對陜西省動力電池技術(shù)今后的發(fā)展具有重要理論意義與指導(dǎo)作用。

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-157-03

引言

動力電池是電動汽車的核心部件之一，大力發(fā)展動力電池對推進(jìn)電動汽車技術(shù)的進(jìn)步具有重要意義。國外動力電池技術(shù)較為先進(jìn)，整體水平高于國內(nèi)；國內(nèi)動力電池雖起步晚，但近幾年深受國家重視與支持，目前已取得了一定的成效。然而，目前使用較多的幾種電池都存在不同程度的缺陷，仍需不斷完善；同時考慮到現(xiàn)階段陜西省對動力電池產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的掌握不足，創(chuàng)新能力較弱，針對該省具體情況對動力電池技術(shù)發(fā)展路線的研究較少。因此文章基于SWOT分析理論，結(jié)合該省現(xiàn)狀擬研究特色發(fā)展路線，以強化薄弱環(huán)節(jié)，突破核心技術(shù)，提高動力電池的比能量、比功率和安全性為目標(biāo)，不斷推動陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。

1、國內(nèi)外動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1 國外動力電池產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

國外對鋰離子電池的研究已經(jīng)持續(xù)了幾十年，技術(shù)較成熟，日本和韓國在該方面起步較早，韓國三星公司生產(chǎn)的三元體系鋰離子電池，使用壽命達(dá)1800次，能量密度達(dá)110Wh/kg。

日本松下公司研發(fā)的鈷酸鋰電池，單體電壓為3.6V，能量密度為125Wh/kg，循環(huán)壽命為1500次。

美國和加拿大掌握較多燃料電池技術(shù)。通用汽車新一代燃料電池只采用了30g鉑金，大大降低了燃料電池的制造成本[1]。

1.2 國內(nèi)動力電池產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

我國動力電池研制起步較晚，但近年來我國大力支持發(fā)展動力電池產(chǎn)業(yè)，投入了大量資金，也取得了一定成效。

深圳雷天公司研發(fā)的TS-LFP7000 AHC 型鋰離子動力電池容量為7000 AH，為目前全球已知的單體容量最大的鋰離子動力電池[2]。除此之外，在鋰離子動力電池的安全性方面也加大研究力度，對電池整體設(shè)計、正負(fù)極材料、電解液及其添加劑改進(jìn)和電池保護(hù)電路等方面都進(jìn)行了非常深入的研究，并將研究結(jié)果運用到實際生產(chǎn)中。

比亞迪公司的磷酸鐵鋰電池，用220V民用電源充電 15分鐘可達(dá)其額定容量的80%，且電池系統(tǒng)安全性好、可靠性高。

2、動力電池的性能研究

目前使用較多的動力電池主要包括鉛酸電池、鎳鎘電池、空氣電池、鎳氫電池、鈉硫電池和鋰離子電池，從實際應(yīng)用中看，電動汽車動力電池的性能主要由比能量、比功率、循環(huán)壽命等因素決定。上述電池性能的研究結(jié)果如表1所示。

表1 電池性能對比

鉛酸電池成本低，但質(zhì)量相對較大，大電流充放電會對其造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，除此之外，鉛酸電池電解質(zhì)中含有毒金屬鉛，且在碰撞時可能會產(chǎn)生爆炸，安全性不高。

鎳鎘電池技術(shù)相對來說較為成熟，性能穩(wěn)定，允許大電流工作；但效率較低，電解質(zhì)的利用率也低，且具有記憶效應(yīng)，除此之外，和鉛酸電池一樣含有重金屬，污染環(huán)境。

金屬空氣電池氧化鉀取于空氣中的氧，具有比能量較高、成本低、綠色環(huán)保的特點，且工作時對周圍環(huán)境溫度要求較低；但金屬空氣電池的比功率較小，且空氣中的二氧化碳會和水會生成碳酸中和氫氧化鈉電解液，對工作性能帶來負(fù)面影響[3]。

鎳氫電池的比功率和安全性較高，且對環(huán)境無污染；然而鎳氫電池具有輕度記憶效應(yīng)，對工作環(huán)境溫度要求較高，必須在低溫環(huán)境下工作。

燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高，可靠性高；然而燃料電池在工作時，內(nèi)部的反應(yīng)是不可逆的，物質(zhì)不可重復(fù)利用，且目前采用燃料電池的電動汽車?yán)m(xù)駛里程很難進(jìn)一步提高[4]。

鋰離子電池成本高，高溫穩(wěn)定性差；但鋰離子電池比能量和比功率都較大，循環(huán)壽命長。綜上所述，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池具有較好的發(fā)展?jié)摿颓熬啊?/p>

3、陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線研究

3.1 陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)SWOT分析

（1）優(yōu)勢（Strength）

陜西省地處中西部地區(qū)，是西部動力電池發(fā)展的領(lǐng)頭軍，高校和研究機構(gòu)眾多，研究動力電池人員的數(shù)量也較多，且人力成本較低，工業(yè)體系相對完整，有利于生產(chǎn)成本的降低。同時，陜西省大多是國有企業(yè)開發(fā)和研究動力電池技術(shù)，能較好的得到政府的扶持。

（2）劣勢（Weakness）

陜西省對于核心技術(shù)的掌握較少，落后于世界先進(jìn)水平，在技術(shù)創(chuàng)新方面的能力也相對較弱，只停留在改進(jìn)的層面上。除此之外，能夠用于支持研發(fā)動力電池的資金不充足，落后于其他地區(qū)。

（3）機會（Opportunity）

動力電池是制約電動汽車發(fā)展的瓶頸，因此在電動汽車的發(fā)展過程中，動力電池的研究水平得到了很高程度的重視。同時，陜西省有電動汽車整車企業(yè)，有利于動力電池在整車上進(jìn)行安裝、試驗、信息反饋、推廣及認(rèn)可。

（4）威脅（Treat）

部分跨國企業(yè)技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)品較為成熟的動力電池逐漸進(jìn)入中國，而陜西省在此方面的技術(shù)還相對落后，不足以與之抗衡，容易導(dǎo)致跨國企業(yè)產(chǎn)品壟斷陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)市場。

3.2 陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線制定

（1）發(fā)展思路

動力電池技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系著電動汽車的發(fā)展，動力電池研發(fā)的重點在于比功率、比能量、安全性、使用壽命和成本幾方面。目前發(fā)展的共同方向是，開發(fā)可靠性更高的電池材料，建立電動汽車動力系統(tǒng)技術(shù)平臺，研發(fā)出比能量高，安全性好的電池系統(tǒng)。

（2）發(fā)展目標(biāo)

明確電動汽車產(chǎn)業(yè)需求，有針對性地為不同車型搭載不同性能的電池，依據(jù)乘用車轎車和商用車運行工況的不同，著力為乘用車研發(fā)高比功率、具有超長壽命的動力電池，而為客車研發(fā)高比能量、低成本的動力電池。

力爭超出國家對動力電池的基本要求，即到2020 年動力電池系統(tǒng)的比能量達(dá)到200Wh/kg，單體電池的比能量達(dá)到300Wh/kg。

掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，提高自主發(fā)展能力。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在產(chǎn)品性能與成本之間尋求最佳平衡點，提高動力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模，實現(xiàn)電動汽車與動力電池的配套生產(chǎn)。

（3）重點任務(wù)

突破動力電池的核心技術(shù)，提高動力電池比能量的同時不忽略安全性能，研制出新型可靠性高的正負(fù)極材料。

將工作的重心放在完善動力電池的產(chǎn)業(yè)鏈方面，持續(xù)深入對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，以保證動力電池為電動汽車的發(fā)展提供更好的基礎(chǔ)。

由于鋰離子電池的比功率較大，而鋰離子電池所用材料穩(wěn)定性較差，重點研究正極和負(fù)極材料的選擇和制備工藝，改善電解液及其添加劑，加大對動力電池的安全性研究。

（4）關(guān)鍵技術(shù)

動力電池產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)包括電池組的熱管理、電池組的能量管理及電池安全性三大方面[5]。

電池溫度過高時，會產(chǎn)生一系列副反應(yīng)，甚至引發(fā)安全事故；但溫度過低，又會造成電池容量的明顯降低，同樣會造成安全隱患。因此，熱管理系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，在電池組溫度較高時對電池進(jìn)行散熱，溫度較低時對其進(jìn)行加熱，保證電池的安全性和容量，同時，保證電池組中處于不同位置的電池溫度差在一定范圍之內(nèi)，使電池保持在最優(yōu)工作狀態(tài)。

電池組的荷電狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH和功能狀態(tài)SOF與電動汽車的運行情況密切相關(guān)。單體電池在電壓、容量和內(nèi)阻等方面不可避免地存在一定的差異，若不及時糾正，差異將越明顯，這會大大降低動力電池的放電能力，因此必須保持單體電池狀態(tài)一致。

動力電池的電壓較高，應(yīng)對電池的安全性給予高度重視，需研究一種可以對電池箱體與車體等電位進(jìn)行檢測的有效方法，及時發(fā)現(xiàn)短路、漏電等問題，防止觸電事故的發(fā)生。

（5）研發(fā)重點

鋰離子動力電池作為陜西省動力電池的主要研究對象，具有比能量大，自放電小，循環(huán)壽命長等優(yōu)點，可將研發(fā)重心放在改善正極材料、負(fù)極材料和電解液品質(zhì)三方面。

對于正極材料，在鎳鈷錳（NCM）三元材料中，隨著鎳含量增加，電池的比能量也隨之提高。低鈷、高鎳的鎳鈷錳系三元材料是主要發(fā)展方向，使鎳、鈷、錳三種元素的比例沿1:1:1至5:3:2 至6:2:2至8:1:1的路徑發(fā)展，即研究111 型→523 型→622型→811型三元材料[6]。

鈦酸鋰作為負(fù)極材料能大大縮短電池充電時間，應(yīng)加大對該類負(fù)極材料投入研究，突破該類材料作為負(fù)極的技術(shù)難題，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計和其導(dǎo)電性。

電解液本身的性能好壞及其與正負(fù)極材料之間的相互作用與電池的性能有著直接的聯(lián)系[7]。其主要發(fā)展目標(biāo)是降低價格、減小毒性以及提高電池的安全性和電化學(xué)性能。有關(guān)這方面的研究主要集中在新型導(dǎo)電鋰鹽的開發(fā)和能夠改善電解液性能的新型有機溶劑的開發(fā)兩方面。

綜上所述，制定陜西省動力電池技術(shù)發(fā)展路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

4、結(jié)語

（1）對不同種類動力電池的性能進(jìn)行研究，找出各自的優(yōu)點與缺陷，結(jié)合當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r與技術(shù)水平，指出鋰離子動力電池是未來的研究重點；

（2）基于SWOT理論對陜西省動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行分析，結(jié)合具體現(xiàn)狀，在電池組的熱管理、能量管理、正負(fù)極材料與電解液的配制等方面做了大量研究工作，提出動力電池技術(shù)的發(fā)展路線；

（3）然而，本文僅做了技術(shù)層面的研究工作，缺少政策性研究，后續(xù)可給出動力電池發(fā)展的政策建議及實施措施。

參考文獻(xiàn)

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The Research onTechnicalRoute of Battery forElectric Vehicle in Shaanxi Province

He Yilin, Su Nan, Lu Jing, Wang Dongliang
( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Abstract:With the development of industrialization, there appears a significant increase in the number of cars, followed by environmental pollution and energy shortage, Electric car isenvironmentally friendlyand will not have pressure on oil, and then it have become a hot spot in today. The battery is the core technology of electric vehicles, the development of power battery directly affects the development of electric vehicles. Therefore, improving the technological level of battery power is important to promote the development of electric vehicle.

Thispaper discusses the status of the development of battery powerat home and abroad and makes an compare of some types of batteries. Shanxi provincepower battery industry is introduced based on SWOT.Finally, studying the Shanxi Province technical route of electric vehicle battery development with its status, clearing development objectives, proposing key technology and exploring important spot,thiswill havegreat theoretical significance and guidance on future development of battery technology in Shanxi Province.

Keywords:Shaanxi Province; Electric vehicles; Power battery; Technical route

中圖分類號：U469.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-157-03

作者簡介：賀伊琳，就職于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

關(guān)鍵字：陜西省；電動汽車；動力電池；技術(shù)路線