汽車動力電池研究

曹偉忠

（廣東工程職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510520）

1 動力電池的作用

動力電池汽車中“電機、電池、電控”組成的“三電”系統(tǒng)是電動汽車的核心部件，這也是其與傳統(tǒng)汽車動力來源的最大區(qū)別。動力電池最直接的作用是為電動汽車動力提供電能，動力電池系統(tǒng)也相當于電動汽車的“心臟”，其除了為整車提供連續(xù)穩(wěn)定的驅動能量之外，還為汽車提供所有照明，為用電設備提供電源的供給。目前，電動汽車的價格相比傳統(tǒng)汽車的初始價格仍然較高，動力電池的價格也是電動汽車價格占比的重中之重，直接影響整車的性價比。

2 動力電池的性能指標

電動汽車上的動力電池主要是利用化學反應發(fā)電的電池，動力電池是電動汽車的儲能裝置，要評定動力電池的實際效應，主要是看它的性能指標。動力電池的基本指標有電壓、容量、比容量、能量、功率與比功率、放電率、荷電狀態(tài)、自放電與儲存性能、使用壽命、內阻、成本等。動力電池的種類不同，其性能指標也會有所差異。

2.1 電壓

電池電壓主要有端電壓、標稱（額定）電壓、開路電壓、工作電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。

（1）端電壓。電池的端電壓是指電池正、負極之間的電位差，即是電場沿外電路將正電荷從正極移動到負極所用的功。

（2）標稱電壓。標稱電壓也稱額定電壓，是指電池在規(guī)定條件下工作時應達到的標準電壓。標稱電壓由極板材料的電極電位和內部電解液的濃度決定。鉛酸蓄電池的標稱電壓是2V，金屬氫化物鎳蓄電池的標稱電壓為1.2V，磷酸鐵鋰電池的標稱電壓為3.2V，錳酸鋰離子電池的標稱電壓為3.7V。

（3）開路電壓。電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓，即電池在沒有負載（沒有電流通過正負極）情況下的兩端電勢之差。

（4）工作電壓。工作電壓也稱負載電壓，是指電池接通負載后處于放電狀態(tài)下的端電壓。在電池放電初始時的工作電壓稱為初始電壓。

（5）充電終止電壓。蓄電池充足電時，極板上的活性物質已達到飽和狀態(tài)，如果再繼續(xù)充電，電池的電壓也不會上升，此時的電壓叫做充電終止電壓。鉛酸蓄電池的充電終止電壓為2.7～2.8V，金屬氫化物鎳蓄電池的充電終止電壓為1.5V，鋰離子蓄電池的充電終止電壓為4.25V。

（6）放電終止電壓。放電終止電壓是指電池在所規(guī)定的標準放電條件下放電時，電池的電壓將會逐漸降低，當電池到了不適宜繼續(xù)放電而卻還繼續(xù)放電時，電池的最低工作電壓就稱為放電終止電壓。電壓低于放電終止電壓后如果電池還繼續(xù)放電，電池兩端電壓將會迅速下降，造成深度放電。這樣，極板上所形成的化學反物在正常充電時就將很難再恢復，從而影響電池的使用壽命。放電終止電壓和放電率也有關，放電電流將直接影響放電的終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，電池的容量就越小。金屬氫化物鎳蓄電池的放電終止電壓為1V，鋰離子蓄電池的放電終止電壓為3.0V。

2.2 比能量

比能量是指電池單位質量所能輸出的電能，單位是Wh/kg，即每千克的重量能儲存多少電量。

2.3 比功率

比功率是描述電池在瞬間能放出多少能量的能力，單位是W/kg，即每千克的電池重量瞬間能放出多少電量。比能量高的動力電池耐力較好，可以較長時間工作，續(xù)航里程較長；而比功率高的動力電池速度較快，可以提供很強的瞬間電流，以保證汽車的急加速性能。然而兩者不可兼得，通常一種電池是不能同時具備高比能量和高比功率。

就能量密度方面而論，現(xiàn)在電池肯定是不如汽油的，但是究竟差別多大呢？我們來作一個對比：現(xiàn)在普通質量（約1.5t）的汽車一箱50L的汽油大概可以行駛600km，而同樣續(xù)航里程的電動車需要多少重量的電池呢？汽油的能量比是12km/L，（1L汽油等于0.742kg，按車載油箱是50L容量計算，油箱滿載就是37.1kg，轉化的能量為約408.1kW·h）。例如，三元鋰電池的能量比是150Wh/kg，那么408.1kW·h的能量就需電池2700kg。假設汽油發(fā)動機和電動機的效率差約為3倍，也即相當于900kg電池的能量。再加上汽車電池的自重功率損耗，這樣對比就會大打折扣了。

2.4 電池的穩(wěn)定性

動力電池作為動力汽車上的能量源，可能遭遇高溫、低寒、強碰撞等情況（見圖1），故作為動力電池，必然會比人們平時生活中使用的電池有更高的穩(wěn)定性要求。穩(wěn)定性也是動力電池至關重要的一個指標。

圖1 環(huán)境考驗電池的穩(wěn)定性

3 電池的使用壽命

對于動力電池的一致性，充放電的循環(huán)次數(shù)直接決定了電池的使用壽命。同型號每個電池之間的重量、電壓、內阻、溫度等，關鍵指標的偏差程度越大，一致性就越差。事實上，動力汽車電池包就是把大量的單個電池通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組裝成電池組（見圖2），串聯(lián)得越多，不一致性放大倍數(shù)越多，電池壽命也就越短。這也是日常生活中我們建議不要將不同品牌、新舊程度不一樣的電池混用的原因。

圖2 電池包構成

另外，電池的循環(huán)壽命還跟用戶的充電放電習慣息息相關，不同類型的鋰電池對其充電放電的特性也會有一點點差別，但大體的趨勢一致，這里就按目前特斯拉采用的三元鋰電池來做說明（見圖3）。

從圖3可以看出，不同的容量衰減，與不同充電放電的方式其結果也大不一樣。其中以25%～75%的充電方式（即“淺充淺放”）最為合適，充放電可達2500次，假設每天充放電一次，電池的使用壽命都可以大概能達到7年。

4 各種電池的優(yōu)缺點

圖3 循環(huán)次數(shù)

鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池各有優(yōu)點和缺點（見圖4）。鉛酸電池容量大，價格便宜，但制造和報廢都存在嚴重的重金屬污染且能量密度低；鋰電池容量適中，比較環(huán)保，但價格較貴，常用于手機、相機、電腦等；鎳氫電池具有電容量高、放電深度大、耐過度充電和奈過度放電、充電時間短等明顯的優(yōu)點，缺點是能量密度低。

圖4 電池的種類優(yōu)缺點

5 結束語

以上大致分析了動力汽車電池的性能指標，目前汽車電池生產(chǎn)企業(yè)的技術雖還有待提高，但相應的很多技術難題也將逐步得到解決，相信不遠的將來動力汽車也將成為主流。如果能在經(jīng)濟性、電池耐用性、能量比、續(xù)航里程等方面都提高到理想狀態(tài)，性價比與現(xiàn)代汽車不相伯仲，那么市場普及自然也就水到渠成。