動力電池技術參數與運行經濟效益的研究

吳志平

摘要：本文就目前普遍應用的鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料動力電池的技術參數與電池反應原理，并針對電池安全性、快速充電、耗電成本和行駛里程計算方法等問題進行了討論，為當下在新能源交通工具核心動力部件的內容進行了分析和研究。

關鍵詞：動力電池;技術參數;運行;經濟效益

0 ?引言

本文中提到的動力電池是指為電動汽車和電動摩托車等運輸工具提供動力的化學電源，電池供電的運輸已成為許多國家發展的關鍵產業。其中，以美國，德國和日本為首的發達國家起步較早并保持一定優勢，中國的電動汽車起步較晚，但近年來取得了驚人的進步。2018年，它占全球市場份額增長到了49%，并已成為全球最大的電動汽車市場。從技術的角度來看，中國在動力電池、電動機和電子控制等關鍵技術上取得了重大進展，并已成為高職汽車知識教育中值得提及的領域。本文討論了汽車動力電池的類型，技術參數，運行成本和其他問題，以便為化學電源的應用提供教學背景和技術數據。

首先介紹了幾種常用的動力電池，鉛酸電池是使用鉛和氧化鉛作為電極并使用硫酸作為電解質的二次電池，它是150多年來開發的首個大型儲能電池，它的優點是儲能成本低，安全性好，效率高，技術成熟，因此在運輸，國防等方面得到了廣泛的應用。自1970年以來，鎳金屬氫化物電池就已開發出來，1990年，新型金屬氫化物鎳電池在大規模生產和應用中占有重要地位。鎳氫電池不僅用于電子設備，還經常用于電動汽車和混合動力汽車，例如第二代通用EV。鋰離子電池目前具有高能量密度和高功率充放電功能的優點，逐漸成為電動汽車的首選。電動汽車中的鋰離子電池可分為鋰錳氧化物電池、鋰鈷氧化物電池、磷酸鐵鋰電池和鋰離子電池。燃料電池已有170年的歷史，但發展緩慢，1970年左右，隨著制氫技術的發展，它開始迅速發展。燃料電池和其他動力電池領域區別在于，蓄能器是存儲電能的蓄能器，而燃料電池將化學能直接轉換為電能，即發電機。

在應用領域中，為了安全起見，必須充分考慮上述各種類型的動力電池。電動汽車的爆炸常常引起社會關注，這些事故大多數與電池系統有關，通常是由機械沖擊，過充電，短路等引起的。當電池溫度過高時，當溫度達到閾值時，電池內部隔板直接在電極材料和電解質之間進行氧化還原反應，釋放出大量的熱量和氣體，并導致熱失控，在嚴重的情況下，會引起爆炸。

鉛酸電池具有安全性能高，儲能成本低和應用技術成熟等特點，是市場上短程電動汽車動力電池的主要產品。2012年，全球電動自行車銷量約為3100萬輛。由于鉛酸電池的比能量和循環壽命不足，它們僅用于電動汽車應用中的短距離通勤，因此它們通常用于公共汽車和電動摩托車。磷酸鐵鋰電池具有較高的熱失控閾值，并且由于安全性和價格優勢，它們是小型電動汽車和PHEV（插電式混合動力電動汽車）動力電池的主要選擇，但磷酸鋰鋰電池與鈷酸鋰和錳酸相比，由于鋰電池具有低電壓和比能量，因此大型純電動汽車傾向于選擇鈷酸鋰和錳酸鋰作為動力電池。在資源方面，2010年全球鋰電池負極灰分消耗量約為53，000噸，分別占鈷酸鋰54%，三元材料27%，錳酸鋰11%和磷酸鐵鋰4%。由于世界上缺乏鋰和鈷資源（中國鋰資源相對豐富），動力電池的成本通常很高。與純電動汽車相比，氫燃料汽車在環境保護和行駛里程方面更具優勢，但由于尚未解決生產和技術成本問題，其使用和普及程度仍不及其他動力電池汽車。

1 ?技術參數

1.1 電池容量

電池容量，也稱為單位容量，是指電池在特定條件下（例如放電速率，終止電壓，溫度）放電的電量，通常單位為Ah（安培小時）或mAh（毫安小時），電池容量直接影響電池放電時間和最大工作電流。電池容量分為理論容量，實際容量和額定容量，理論容量是指電池內部活性物質的容量，實際容量表示在特定溫度，放電電壓和放電電流等條件下電池的實際放電容量。實際容量值低于理論容量值，額定容量是指電池在指定溫度和放電速率下放電的容量，并且電池末端的電壓下降到端電壓。

1.2 電池的能量密度

電池能量密度是指通過平均體積或質量存儲在材料中的電能。通常，能量密度具有兩個表達式：能量體積密度和比能，單位為（Wh）/L或（Wh）/kg（瓦/小時/升或瓦特/小時/千克）和能量密度。例如，像普通鋰電池一樣，電池性能的主要指標是比鉛電池更高的能量密度。當兩個電池具有相同的電池容量時，鋰電池的體積和質量較小，這對于日常使用是有利的。

1.3 電池電壓

電池電壓包括終端電壓、工作電壓和開路電壓。終端電壓表示電池放電時的最低工作電壓極限，工作電壓代表工作過程中電池兩極之間的電勢差，即工作過程中電池的實際輸出電壓，開路電壓是指電路處于開路狀態時的電壓。

1.4 電池的循環壽命

在某些工作條件下，電池容量達到一定值之前的電池工作時間稱為電池壽命。電池壽命通常用充放電循環次數來表示，并且受溫度、制造工藝、充放電系統等許多因素的影響。因此，電池的壽命是不同的，但是通常根據國際標準進行測試。

1.5 電池的浮充充電

浮動充電是恒壓和小電流充電。為了平衡由于電池的自放電引起的容量損失，需要對電池進行恒定和長期的恒定電壓充電，此填充模式為浮動填充。浮充電壓略高于小電流充電電壓，足以補償電池的自放電損失，并且可以在電池放電后迅速將電池恢復到接近完全充電的狀態。浮動充電（也稱為連續充電）旨在防止電池自放電并增加充電深度，這種充電方法主要用于電話交換機，不間斷電源（UPS）和各種備用電源。

2 ?電池快、慢充技術的討論

電池快速充電的問題是電動汽車發展中要討論的重要因素。除了提高電動汽車的使用效率外，它還直接影響充電時間，安全性能和循環壽命。以鋰電池為例，鋰離子電池的快速充電技術是增加充電器的充電電壓和電流，以縮短電池的充電時間。鋰電池的工作原理如圖1所示。如果鋰離子在充電和放電期間的遷移速率相同，則可以對電池進行定期充電。然而，由于充電期間的電化學反應速率小于電子傳遞速率，因此負極板上的離子逐漸增加電荷，導致負極顆粒表面的實際電勢偏離平衡電勢，引起極化，并且充電電流越大，電池極化越大。極化的存在對電極造成不可逆的損害，從而影響循環壽命。

另外，隨著充電電流的增加，電池的內阻逐漸增加，導致在充電周期中對電極材料的損壞，這增加了電池可以接受的最大充電電流。此外，大多數鋰電池都使用石墨作為陰極，低溫下快速充電會沉淀出活性鋰金屬，縮短電池壽命并容易引起電池短路（這可能導致事故）。在低速充電過程中，電壓和電流較低，可以緩解上述各種缺點，降低危機安全程度，延長循環壽命，但同時降低充電效率。因此，開發快速充電技術的關鍵是降低電池的內部電阻并降低其極性。同時，它要求電池材料具有很高的穩定性，從而提高了安全性和循環壽命。

目前，中國快速充電的鋰離子電池主要用于電動客車。磷酸鐵鋰/快速充電石墨電池可達到10-15分鐘的充電效率。盡管它便宜且具有高安全性能，但仍然存在磷酸鐵鋰體系。諸如低溫性能差和抽頭密度小等缺陷，三元材料/多孔硬碳電池系統可實現10-15分鐘的充電效率，但成本高，高電壓下負電壓更高。快速充電技術具有廣泛的應用范圍，但是快速充電的鋰離子電池的大規模應用仍需要技術創新。

3 ?運行成本

決定鋰電池價格的因素是什么？第一，電池的主要材料，例如陰極材料（主要是碳酸鋰），陽極材料（主要是石墨），電解質（六氟磷酸鋰，溶劑和添加劑）和隔板（主要是聚烯烴基石油化工產品）;第二，其他輔助材料，例如：粘合劑、溶劑、鋁帶和用于搭扣的鎳帶;第三，制造過程的成本，如人工成本，生產線維護成本等;第四，環保費用。

在日常生活中，人們認為電動摩托車是最經濟的交通工具，但是很少有證據證實這一點。其中，電價為0.5元/度，油價為7元/升。比較發現，傳統汽油車的價格遠遠高于純電動車的價格，對于在城市附近上班的上班族來說，電動摩托車的成本是最便宜的，并且便利性和時間控制性相對較高，最大的優勢還可以減少空氣污染程度并保護環境。電動汽車價格相對昂貴，例如TeslaModelS基本的70kWh電池。扣除美國政府補貼后，價格為7.12萬美元，電池為2個占了2.2萬左右的美元的成本，由此可以看出，純電動汽車仍由電池成本主導。

隨著電動汽車數量的迅速增加，將來將產生壽命越來越長的電池組。如果不能正確解決回收問題，則主要可能會遇到環境問題。這些廢棄電池的內部化學組成保持不變，只是化學活性降低。盡管充電和放電性能無法滿足汽車的需求，但它作為能量存儲設備是一個很好的解決方案。例如，戴姆勒和德國的幾家相關公司已經建立了一家合資企業，以購買動力電池來處理所有戴姆勒的電動汽車，并試圖建立世界上最大的廢電池儲能發電廠以平衡電力壓力，安裝在儲能電廠中的廢電池可以繼續運行10年，從而大大延長了電池壽命。

4 ?結論

作為電動汽車發展的最重要支柱，動力電池的發展引起了廣泛的關注。即使在燃料汽車開發的早期，我們也面臨諸如發動機和燃料存儲之類的問題。動力電池科技的進步解決了這個問題，因此，我們有理由相信隨著技術的發展，動力電池中存在的各種問題將最終得到解決。

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