電動汽車動力電池的發(fā)展與溫度管理現(xiàn)狀

徐志龍，田玉冬，2，李靜紅，吳永勝，黃 俊

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海建橋?qū)W院，上海 201306；3.上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306；4.上海申龍客車有限公司，上海 201108）

隨著人們生活水平的提高，汽車在人們的出行中扮演著越來越重要的角色，但同時也帶來了很多的問題，尤其在能源與污染問題中最為突出。根據(jù)美國地質(zhì)勘探局（U.S.Geological Survey）的研究發(fā)現(xiàn)，按照當(dāng)前的能源需求，全球石油資源僅能供人類使用60年左右，這將嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展速度［1］。為了解決能源問題，各國紛紛推出以電動汽車來代替以石油為動力源的傳統(tǒng)汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車具有節(jié)能環(huán)保、能量利用率高等特點(diǎn)。如果電動汽車能夠得到大力推廣與使用，將極大地緩解當(dāng)今日益突出的能源問題。因此國家把新能源汽車產(chǎn)業(yè)列為未來20年重點(diǎn)培育和發(fā)展的7大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一［2］。而純電動汽車的電池不僅扮演著動力源的角色，也扮演著為汽車的電氣設(shè)備提供電源的角色。

1 當(dāng)今電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 世界各國電動汽車總量及措施

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛［3］。當(dāng)今社會電動汽車的發(fā)展有3種主流類型，包括燃料電池汽車、純電動汽車以及混合動力汽車等。自20世紀(jì)90年代起，為了搶占新的汽車市場，國外許多著名汽車公司開始在電動汽車的發(fā)展上投入了大量的人力物力。政府也出臺了一系列的政策促進(jìn)扶植電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世界汽車發(fā)達(dá)國家的電動汽車發(fā)展所采取的措施如下。

1）美國 主要采取的措施：①新一代的汽車伙伴關(guān)系計(jì)劃（PNGV）；②自由汽車合作伙伴計(jì)劃（Plan Freedom CAR）。預(yù)期成果：到2010年電動汽車的總量達(dá)到1400萬輛，到2040年達(dá)到2.4億輛，基本擺脫石油進(jìn)口的局面。

2）日本 主要采取的措施：①著力研發(fā)低排放量的汽車；②日本氫能和燃料電池示范工程（JHFC）。預(yù)期成果：到2020年電動汽車的總量達(dá)到135萬輛。

3）歐盟 主要采取的措施：①著力研發(fā)電動汽車的燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)（FP5，F(xiàn)P6 計(jì)劃）；②燃料電池發(fā)展示范計(jì)劃（R&DD）；③燃料電池公共汽車示范項(xiàng)目；④電動汽車的城市分布系統(tǒng)方案（ELCIDIS）。預(yù)期成果：以德國為例，到2020年電動汽車總量將達(dá)到100萬輛。

4）中國 主要采取的措施：①電動汽車、燃料電池汽車以及中國863電動汽車研發(fā)計(jì)劃 ；②中國973電動汽車專項(xiàng)規(guī)劃。預(yù)期成果：根據(jù)國家的“十三五”計(jì)劃，到2020年中國電動汽車的保有量將達(dá)到150萬輛。

1.2 電動汽車的動力電池發(fā)展現(xiàn)狀

動力電池是電動汽車的動力之源，因此動力電池的發(fā)展將嚴(yán)重制約和影響著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。雖然近些年來電池技術(shù)取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，但如今電動汽車的電池仍然存在如下問題：①電池密度低。近些年來在其他電池種類（如空氣電池、燃料電池等）的發(fā)展上取得了不小的成就，但是就其性能表現(xiàn)而言仍然存在成本高、性能差、技術(shù)和其他方面不成熟的缺點(diǎn)。②電池質(zhì)量過重。盡管電動汽車的車身設(shè)計(jì)越來越向輕量化、集成化發(fā)展，但是電池的質(zhì)量往往會造成整車質(zhì)量超過傳統(tǒng)汽車的質(zhì)量，將嚴(yán)重影響到電動汽車的續(xù)航里程。③電池壽命過短。通過計(jì)算現(xiàn)有電池的循環(huán)壽命發(fā)現(xiàn)，電動汽車每行駛40 000 km，將更換一次電池，這將大大增加電動汽車的成本，嚴(yán)重制約電動汽車的市場化進(jìn)程。

2 動力電池的種類

目前，國內(nèi)外主流電動汽車制造商所使用的動力電池主要包括：鉛酸電池、鋰離子電池、燃料電池、鎳氫電池以及空氣電池等［3-4］。

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池的化學(xué)反應(yīng)式為

從反應(yīng)式中可以看出：此類電池用單質(zhì)鉛作負(fù)極，用二氧化鉛作正極，在濃硫酸溶液中充放電。整個充放電過程依靠正負(fù)極板上的活性物質(zhì)和電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來完成。因鉛酸電池具有技術(shù)成熟度高、價(jià)格成本低、可以量產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電池之一。但鉛酸電池存在質(zhì)量大、比容量率低、生產(chǎn)過程中嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境等缺點(diǎn)。

2.2 鋰離子電池

鋰離子二次電池充、放電時的反應(yīng)式為［5］

傳統(tǒng)的鋰離子電池的結(jié)構(gòu)是用石墨作為負(fù)極，鋰離子氧化物（如LiMn2O4），作為正極。在充放電過程中在正負(fù)極之間來回穿梭，往復(fù)循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)電池的充放電過程。鋰電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：①在目前的蓄電池中具有最高的比能量和能量體積密度，分別達(dá)到120～200 W·h/kg和300 Wh/L；②質(zhì)量低、體積小、循環(huán)壽命較長、可以反復(fù)多次充放電；③自放電放電率較低，據(jù)有關(guān)研究表明鋰電池月放電率為5%左右；④鋰離子電池可以在溫度較低的環(huán)境下正常工作，與其他種類電池相比，對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。但由于針對電池組的電池管理系統(tǒng)中如電池均衡系統(tǒng)的不成熟也同樣限制了鋰離子電池在電動汽車中的應(yīng)用。

2.3 堿性電池

此類電池主要是鎳基在堿性電解液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，完成充放電過程。具體化學(xué)反應(yīng)方程式為

式中：M——儲氫合金；MH——吸附了氫原子的儲氫合金。

堿性電池的種類主要包括鎳鎘電池、鎳氫電池和鎳鋅電池3種，其中鎳氫電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車中，以豐田Prius為例，已有超過200萬輛該車型采用鎳氫電池。相對于鉛酸電池，鎳氫電池在比功率、質(zhì)量、體積、密度方面有了大幅度的提高。但鎳氫電池對溫度要求較高。溫度較低時，會造成電池容量下降，同時也會造成比功率下降；溫度過高時，會使充電的耐受性降低。此外鎳氫電池的原材料的價(jià)格較高，不利于大規(guī)模的推廣。

純電動汽車的動力電池的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 純電動汽車的動力電池的性能指標(biāo)

以上3種電池在電動汽車中的應(yīng)用情況如表2所示。

表2 3種電池在電動汽車中的應(yīng)用情況

部分商業(yè)化電動汽車電池組性能比較如表3所示。

表3 部分商業(yè)化電動汽車電池組性能比較情況

3 電動汽車動力電池的發(fā)展前景及展望

3.1 鉛酸電池

傳統(tǒng)的鉛酸電池具有價(jià)格低廉、技術(shù)成熟、可以大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，但同樣具有體積大、比功率和比能量低、循環(huán)壽命短、污染大的缺點(diǎn)。隨著鉛蓄電池生產(chǎn)工藝的改進(jìn)與優(yōu)化，近些年來開發(fā)出了很多新技術(shù)，如使用新的鉛合金技術(shù)可以大幅提高比能量和循環(huán)壽命；閥控鉛酸電池（VRLA）無需維護(hù)、比能量較高、允許高倍率深度放電、可循環(huán)使用。此類電池目前仍然廣泛應(yīng)用于電動叉車、旅游觀光車、校園巡邏車等。隨著技術(shù)的進(jìn)一步改善，鉛蓄電池仍然具有廣闊的發(fā)展前景［6］。

3.2 以鎳氫電池為代表的堿性電池

與其他種類的堿性電池相比，鎳氫電池具有較高的比能量、環(huán)境污染較小的特點(diǎn)，因此在電動汽車的動力電池中具有較強(qiáng)的競爭力，但鎳氫電池容易產(chǎn)生枝晶，這將對電池造成嚴(yán)重?fù)p壞，大大降低了電池的使用壽命［7-8］。隨著這一問題的深入研究，已找到一些解決方法，如使用新的隔膜、在電解液中添加緩蝕劑、采用第三極充電的方法等。目前，已經(jīng)投放市場的電動汽車采用鎳氫電池的汽車廠商有奔馳、豐田等。雖然隨著鋰離子電池技術(shù)的日漸成熟，鎳氫電池將逐漸被鋰離子電池替代，但在未來很長一段時間，鎳氫電池仍然在電動汽車產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮著無可替代的作用。

3.3 鋰離子電池

在可以批量生產(chǎn)的電池中，鋰離子電池的綜合性能最好，而且中國擁有豐富的鋰礦資源，因此不用擔(dān)心原材料的供應(yīng)問題，這也間接的降低了鋰電池的生產(chǎn)成本，更有利于鋰電池?fù)屨茧妱悠噭恿﹄姵氐氖袌龇蓊~。到目前為止，越來越多的電動汽車生產(chǎn)廠商逐漸傾向于用鋰離子電池來替代以鎳氫電池作為動力源的電動汽車電池［9］。如早期的豐田Prius采用的是鎳氫電池，最新一批的此類車型動力電池被鋰電池代替。

目前，在鋰電池發(fā)展過程中最大的挑戰(zhàn)是安全問題。因?yàn)殇囯姵乇裙β瘦^大，容易產(chǎn)生爆炸，相信隨著人們對鋰電池更進(jìn)一步的研究會解決這一問題。因此鋰電池將成為未來電動汽車主流的動力電池。

4 動力電動汽車的溫度管理現(xiàn)狀

動力電池的管理系統(tǒng)在動力電池的工作過程中發(fā)揮著重要的作用，協(xié)調(diào)著動力電池各個系統(tǒng)的正常工作，并根據(jù)各種反饋信息合理地分配有限的電池能量，是動力的核心。電池管理系統(tǒng)（BMS）通常包括數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）估算、電氣控制（充放電控制、均衡充電等）以及熱管理系統(tǒng)等［10-11］。其中，電池的熱管理技術(shù)（BTMS）在電池管理系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。以鋰離子電池為例，鋰電池的最佳工作溫度范圍是：25～40 ℃，溫度每升高1 ℃，其使用壽命將降低2個月，因此電池的熱管理技術(shù)具有調(diào)節(jié)電池溫度分布不均勻，使電池組工作在合適的溫度范圍內(nèi)，從而達(dá)到提高電池性能和延長電池壽命的作用。

近年來，很多科研人員也紛紛提出了很多電池溫度管理的方法。如：朱暉等人提出一種通過調(diào)整氣流通道間距以及空氣導(dǎo)流板與水平面夾角結(jié)構(gòu)；梁波等人提出的往復(fù)流冷卻方式，使冷卻空氣流動方向周期性逆轉(zhuǎn)，以降低單向流空氣冷卻方式時單體電池沿空氣流方向的溫度梯度；王穎盈等人采用平板微熱管陣列，通過增加散熱翅片的數(shù)量和間距來進(jìn)行散熱管理。雖然科研人員提出了很多電池散熱的方法，但電池的熱管理技術(shù)仍然是動力電池市場化道路上的最大的阻礙，電池的熱管理技術(shù)也是未來研究方向的重點(diǎn)［12］。

5 小結(jié)

顯而易見，隨著綠色可持續(xù)發(fā)展觀念越來越深入人心，國家節(jié)能減排政策的提出，電動汽車將在綠色出行中發(fā)揮著越來越重要的作用。但目前電動汽車的動力電池仍然存在價(jià)格高、比功率以及比能量低的問題，相信隨著電池技術(shù)的發(fā)展這一問題將會迎刃而解。本文從電動汽車常采用的電池種類進(jìn)行分析、對比、總結(jié)、展望以及電池溫度管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，對電動汽車動力電池的選擇具有一定的參考指導(dǎo)價(jià)值。

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