電動汽車動力電池關鍵技術淺析

李 健 周 琳

四川交通職業技術學院 四川 成都 611130

引言

汽車工業經歷了一百多年的發展歷程,汽車在改善居民生活的同時卻始終伴隨著能源、環保等方面的問題。汽車工業轉型已經是大勢所趨,在緩解石油短缺和降低環境污染的背景下,電動汽車無疑成為汽車工業的主要發展方向。動力電池作為電動汽車的動力來源,一直以來被視為電動汽車發展的關鍵技術,會影響電動汽車的整體性能,例如動力電池的能量密度決定電動汽車一次充電的續航里程,功率密度決定電動汽車的加速性能和最高車速。盡管電池技術在不斷發展,但目前仍然存在某些性能指標缺陷,因而動力電池也成為制約電動汽車快速發展的主要瓶頸。

1 電動汽車對動力電池的要求

電動汽車對動力電池的要求主要包括以下幾個方面:①一致性。一致性是動力電池的表現形式之一。一致性主要是指同規格型號的單體電池組成電池組后,其電壓、荷電量、容量等參數存在一定的差別。②價格便宜,維護方便。電動汽車主要靠動力電池來提供動力來源,若動力電池價格高、操作不方便、難維護,電動汽車要更換動力電池的話,費用會很高,使用起來就會非常不劃算。③充放電性能好。因為電動汽車需要大電流供電,所以對動力電池的充放電性能提出了更高要求。④壽命長。我們在使用動力電池時,希望其具有較長的循環壽命,能夠使用較長的時間,這點是決定動力電池質量的關鍵性因素。⑤功率密度高。為了使電動汽車在加速行駛、爬坡能力和負載行駛等方面能與燃油汽車相競爭,就要求電池具有高的功率密度。⑥能量密度高。為了提高電動汽車的續航里程,要求電動汽車上的動力電池盡可能儲存多的能量,但電動汽車又不能太重,其安裝電池的空間也有限,這就要求電池具有高的能量密度。⑦安全性高。電池不能引起自燃或燃燒,在發生碰撞等交通事故時,不能對乘員造成二次傷害。

2 電動汽車常用的動力電池

目前電動汽車上最常用的動力電池是鎳氫電池和鋰離子電池,其中鋰離子電池憑借能量密度高、循環使用壽命長等特點,迅速占據了電動汽車電池市場的絕大部分份額。電動汽車使用的鋰離子電池主要是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池兩種。這兩種電池的特點存在顯著差異。

2.1 磷酸鐵鋰電池 磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池,其特點如下:首先,磷酸鐵鋰電池具有良好的安全性。當電池內外部結構遭到破壞,也不會發生燃燒或爆炸;其次,循環壽命長,磷酸鐵鋰電池的循環壽命可達到2000次以上,使用時間可達到7-8年;再次,無記憶效應。鎳氫、鎳鎘電池若經常處于充滿不放完的條件下工作,容量會迅速低于額定容量值,這種現象叫做記憶效應。磷酸鐵鋰電池無此現象,電池無論處于什么狀態,可隨充隨用,無需先放完再充電。除了以上優點,磷酸鐵鋰電池也存在能量密度相對較低的這一缺點,在相同質量下,其續航里程不及三元鋰電池,這也是限制其發展的一個重要因素。

磷酸鐵鋰電池由于其良好的安全性以及循環壽命長的優勢,被廣泛應用于公共交通工具中,如出租車、公交車等。為了改善磷酸鐵鋰電池能量密度低的劣勢,比亞迪公司研制出了“刀片電池”,其質量能量密度達到了140Wh/Kg,相比于傳統磷酸鐵鋰電池提升了9%,體積能量密度也提升了50%,與此同時,其成本卻下降了20%-30%。根據比亞迪公司公布的數據顯示,搭載“刀片電池”的漢EV車型續航里程能夠達到605公里,電池壽命達到8年以上,累計可以行駛120萬公里。

2.2 三元鋰電池 三元鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰作為正極材料的鋰離子電池,其特點如下:首先,能量密度高。具有相同質量的三元鋰電池的能量密度是磷酸鐵鋰電池的1.7-2.2倍;其次,低溫性能良好。在低溫條件下,三元鋰電池的容量和能量保持率都比磷酸鐵鋰電池有優勢。再次,體積小。具有相同能量的三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池,前者的體積僅為后者的60%左右。除了以上優點,三元鋰電池存在安全性能相對較差的缺點,三元鋰電池的正極材料在200℃就會發生分解,內部的化學反應會引起電解液材料的劇烈燃燒。近年來,發生了數起由于三元鋰電池受到撞擊或其他原因導致整車自燃的安全事故。這也讓公眾對三元鋰電池的安全性產生了擔憂。

三元鋰電池因其能量密度高、體積小等優勢,被廣泛應用于電動乘用車中。為解決三元鋰電池安全性欠佳的問題,人們嘗試在電池內部安裝阻斷結構,設計出功能更為完善的電池熱管理系統來檢測電池溫度,并且在電極材料以及電解液方面進行更深入的研究。

3 電池管理系統

電池管理系統(BMS)是連接動力電池和電動汽車的紐帶,其精準的控制和管理為動力電池的應用保駕護航。BMS能夠對電池組和單體電池進行電流、電壓、容量等參數的數據采集;能夠對電池的剩余電量進行估計;能夠對充放電過程進行監控和管理;能夠進行安全管理,防止電池過度充電或過度放電;能夠對電池系統進行熱管理,保證各個單體電池溫度均衡;能夠通過CAN總線與車載或非車載設備進行信息通信和數據交換。能夠對動力電池的歷史故障進行存儲,有利于對故障的分析。能夠對單體電池間的性能進行均衡,保證系統的正常工作;能夠與車輛檢測儀器進行通信,以診斷故障,方便對車輛進行維修。

4 結語

能源危機和環境污染問題越來越被人們重視,以電動汽車為代表的新能源汽車成為汽車工業的發展方向。傳統動力電池成本高、能量密度低,無法滿足人們對電動汽車高續航里程的要求,所以動力電池作為電動汽車的關鍵技術,一直是研究的熱點。我們相信隨著科研人員的不懈努力,電動汽車終將伴隨動力電池技術瓶頸的突破而獲得更加快速的發展。