三元鋰電池在新能源汽車上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

呼升

安徽省汽車工業(yè)學(xué)校 安徽省合肥市 231131

當(dāng)前我國已經(jīng)為新能源汽車產(chǎn)業(yè)提供了戰(zhàn)略支持，作為新能源汽車的三電系統(tǒng)核心部件，三元鋰電池的應(yīng)用性能、質(zhì)量直接影響整體車輛的性能，甚至?xí)?duì)行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生影響，因此必須要合理進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，確保新能源汽車行業(yè)的良好發(fā)展進(jìn)步。

1 三元鋰電池在新能源汽車中應(yīng)用的價(jià)值

1.1 三元鋰電池分析

鋰元素在自然領(lǐng)域中屬于重量最低、原子質(zhì)量最小的金屬，能量比較高，性質(zhì)非?；顫?，很容易失去電子被氧化成為Li，其中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位極為-3.045V，電化學(xué)當(dāng)量是0.26g/Ah。對(duì)于三元鋰電池而言其中的正極是由錳、鈷、鎳所組合而成，這三種過渡金屬氧化物的比例有所不同，鎳占有80%，具有影響電池設(shè)備存儲(chǔ)電量容量的作用，錳占有10%，直接影響著電池的穩(wěn)定性，鈷占有10%，有著影響電池倍率高低的作用。并且三元鋰電池中的正極材料還涉及到磷酸鐵鋰成分、鈷酸鋰成分、鈦酸鋰成分、錳酸鋰成分等等，和普通的正極材料相比可以將各類材料的優(yōu)勢(shì)全面整合，提升正極部分的穩(wěn)定性、可靠性，并且各類納米材料的薄層周期性交替生長，能夠形成具有一定秩序、規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)，也就是超晶格結(jié)構(gòu)。目前我國所生產(chǎn)的三元鋰電池在應(yīng)用的過程中性能良好、安全性較高，具備一定穩(wěn)定性，能量密度也很高，可以起到高倍率放電的支持作用，成本較為適中，有著很大的市場(chǎng)發(fā)展前景和潛力。

1.2 在新能源汽車中的應(yīng)用價(jià)值

新能源汽車中應(yīng)用三元鋰電池具有一定的優(yōu)勢(shì)，是增強(qiáng)新能源汽車運(yùn)行效果和電池組應(yīng)用性能的基礎(chǔ)保障。主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）電池在應(yīng)用的過程中所占用的面積很小。當(dāng)前我國生產(chǎn)的三元鋰電池單體能量密度為每千克250Wh 左右，包體能量密度為每千克200Wh 左右，而對(duì)于磷酸鐵鋰電池的單體能量密度為每千克150Wh 左右，包體能量密度在每千克100Wh 左右，由此可見相同容量之下三元鋰電池的占用空間面積很小，適合應(yīng)用在空間有限的新能源汽車中。

2）三元鋰電池本身具有很高的能量密度，在相同體積狀態(tài)下重量很輕、占用的空間小，并且相同體積的電池應(yīng)用過程中續(xù)航里程更高，能夠支持新能源汽車快速行駛，也可以為長途高速駕駛提供一定的支持。目前在新能源客車中使用磷酸鐵鋰電池，續(xù)航的時(shí)間長度和距離長度較低，需要在一定的距離范圍之內(nèi)設(shè)置充電樁進(jìn)行充電，這也是磷酸鐵鋰電池局限應(yīng)用在城市大巴中的重要原因。而三元鋰電池就能夠憑借續(xù)航里程高的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用在新能源汽車中提供一定的續(xù)航支持。

3）據(jù)調(diào)查在零下20 攝氏度的環(huán)境中三元鋰電池還可以釋放75% 左右的容量，甚至在零下30 攝氏度的環(huán)境也可以正常運(yùn)行，而傳統(tǒng)的磷酸鈦鋰電池在應(yīng)用期間極限溫度為零下20 攝氏度，所釋放出的容量只有55% 左右，由此可見三元鋰電池在低溫的環(huán)境中也可以保證放電水平，耐低溫的性能很高。

4）目前在三元鋰電池充電的過程中主要使用限流與限壓的方式處理，首先可以進(jìn)行恒流充電操作之后恒壓充電，前者主要就是在電流不變的情況下保持最高的充電電流，提升整體的充電效率，后者是在保持電壓穩(wěn)定的狀態(tài)下減小電流，降低析氣量。在20c 放電的情況下三元鋰電池恒流比能夠達(dá)到53% 左右，而磷酸鐵鋰電池只能達(dá)到10%左右，兩者之間的差異性很高，可見三元鋰電池在應(yīng)用期間能夠確保充電的可靠性和安全性，預(yù)防出現(xiàn)充電方面的問題或是不足。

從整體層面而言三元鋰電池具備耐低溫的性能，循環(huán)效果良好，存儲(chǔ)的性能高，體積比能量大，成本處于適中的狀態(tài)，性能非常穩(wěn)定，是目前新能源汽車生產(chǎn)過程中的首選電池材料。

1.3 在新能源汽車中應(yīng)用的不足

新能源汽車中使用三元鋰電池雖然能夠增強(qiáng)耐低溫性能和應(yīng)用的可靠度，但是受到諸多因素的影響還有所不足，主要問題為：①當(dāng)前我國所使用的磷酸鈦鋰電池材料在出現(xiàn)短路現(xiàn)象的情況下也不會(huì)燃燒，耐高溫性能較好，適合應(yīng)用在客運(yùn)大巴方面，能夠提升電池應(yīng)用的安全性與穩(wěn)定性，而在新能源汽車中使用三元鋰電池經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)起火事故，車輛靜止的情況下自燃，對(duì)周圍人們的安全和車輛安全造成危害，出現(xiàn)自燃現(xiàn)象的原因主要就是汽車有極端碰撞事故或是電池設(shè)備出現(xiàn)故障問題之后起火，再加上汽車中三元鋰電池單體數(shù)量多、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜、缺乏一定的穩(wěn)定性，導(dǎo)致電池應(yīng)用的安全水平降低。②磷酸鐵鋰電池在應(yīng)用期間，循環(huán)壽命的周期長度高，而三元鋰電池在上千次循環(huán)性充電和放電之后，電池容量衰減量較高，甚至衰減到標(biāo)定額的60% 左右，例如：某新能源轎車中使用的三元鋰電池進(jìn)行3000次循環(huán)充電放電之后容量衰減到69%，而磷酸鐵鋰電池經(jīng)過3000 次循環(huán)充電放電之后容量衰減到81%，由此可見三元鋰電池的應(yīng)用壽命周期很短。因此在新能源汽車中設(shè)計(jì)和應(yīng)用三元鋰電池應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注優(yōu)缺點(diǎn)的分析，遵循揚(yáng)長避短的原則，發(fā)揮三元鋰電池應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和長處，避開短板所在，制定提升安全性能與應(yīng)用壽命的設(shè)計(jì)方案，通過有效的措施提升整體電池設(shè)備的應(yīng)用效果。

2 三元鋰電池在新能源汽車上的設(shè)計(jì)

2.1 合理設(shè)計(jì)續(xù)航里程

續(xù)航里程主要就是在新能源汽車動(dòng)力電池組充滿電之后能夠持續(xù)性行駛的里程指標(biāo)，根據(jù)有關(guān)的測(cè)量工況劃分可以將其分成等速類型與循環(huán)工況類型，等速類型的續(xù)航里程主要是按照每小時(shí)40 千米或者每小時(shí)60 千米的巡航為標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)工況類型的續(xù)航里程是結(jié)合車輛應(yīng)用環(huán)境設(shè)定，目前在歐洲設(shè)定為15 個(gè)工況，我國客車設(shè)定為6 個(gè)工況，而循環(huán)工況續(xù)航里程能夠當(dāng)做對(duì)電動(dòng)汽車三電系統(tǒng)運(yùn)行效率與整體車輛使用性的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；按照虛續(xù)航里程具體的放電深度進(jìn)行劃分，可以將其分成理論類型、有效類型、經(jīng)濟(jì)類型三種，第一種理論類型就是按照電池組的能量存儲(chǔ)理論內(nèi)容與單位里程能量消耗理論數(shù)據(jù)值內(nèi)容的計(jì)算，明確續(xù)航里程，此情況下電池充電深度、放電深度都是100%。第二種有效類型的續(xù)航里程就是應(yīng)該確保電池組應(yīng)用的實(shí)用性，能夠盡可能減少應(yīng)用成本，確保在穩(wěn)定狀態(tài)之下的續(xù)航里程，此情況下電池組的放電深度在75%左右。第三種經(jīng)濟(jì)類型的續(xù)航里程能夠最高程度上確保電池具備較長的應(yīng)用壽命，能夠有效控制成本，確保電池組在良好的工作狀態(tài)，此情況下的充電深度在90% 左右，放電深度在70%以內(nèi)。而經(jīng)濟(jì)類型的續(xù)航里程，能夠確保電池組的運(yùn)行較為可靠、較為穩(wěn)定，延長使用壽命，充電效率和放電效率很高，因此在新能源汽車中設(shè)計(jì)三元鋰電池，應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)續(xù)航里程的設(shè)計(jì)方式，滿足在電池組方面的應(yīng)用需求。

2.2 合理設(shè)計(jì)單位里程能耗與比能耗指標(biāo)

首先，對(duì)于單位里程能耗而言主要是在單位里程范圍之內(nèi)的電量消耗指標(biāo)，可以將其分成電網(wǎng)交流、電池組直流兩種類型的能耗指標(biāo)，在設(shè)計(jì)此類指標(biāo)的過程中無需考慮到充電機(jī)所帶來的影響，只需將電池組的能量狀態(tài)當(dāng)做參考標(biāo)準(zhǔn)即可，直接將新能源汽車的經(jīng)濟(jì)性能展現(xiàn)出來。其次，由于新能源汽車的車型不同，電池的容量、車身的重量存在一定的差異性，不能直接進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能的對(duì)比，因此在設(shè)計(jì)的工作中可以采用直流比能耗的概念對(duì)比各類車型的能耗情況，也就是分析單位里程范圍之內(nèi)的單位重量能耗，此類參數(shù)的應(yīng)用可以將各類車型的傳動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化性、能源的利用率等直接反映出來，并且將直流比能耗當(dāng)做是對(duì)新能源汽車的能耗經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)各類車型的能耗情況，具備一定的可比性。同時(shí)還需注意，如果在設(shè)計(jì)的過程中電壓等級(jí)相同，可采用和比能耗相似的評(píng)價(jià)指標(biāo)，也就是比容耗指標(biāo)，確保各類指標(biāo)對(duì)比的合理性，為設(shè)計(jì)工作提供準(zhǔn)確依據(jù)。

2.3 電池與車輛匹配的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工作中要想更好將三元鋰電池和新能源汽車之間相互匹配，可以采用功率匹配方式或是能量匹配方式，前者能夠滿足車輛在動(dòng)力性能方面的高標(biāo)準(zhǔn)，后者可以滿足線駛里程方面的高要求。在此期間可以采用車輛行駛動(dòng)力學(xué)功率平衡方程計(jì)算分析，便于準(zhǔn)確進(jìn)行電池和車輛的匹配設(shè)計(jì)，如公式（1）。

公式中的代表的是新能源汽車的形式功率，單位是kW。m 代表的是整個(gè)車輛的重量，單位是kg。g 代表的是重力加速度，代表的是滾動(dòng)阻力系數(shù)，代表的是坡道角，C代表的是空氣阻力系數(shù)，A 代表的是迎風(fēng)面積，計(jì)算單位是平方米，代表的是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，代表的是傳動(dòng)效率，單位是%，v 代表的是車速，單位是每小時(shí)千米，t 代表的是時(shí)間，單位是秒鐘。

并且在設(shè)計(jì)工作中為確保三元鋰電池設(shè)計(jì)過程中可以符合車輛爬坡性能方面、高車速勻速行駛方面的需求，應(yīng)根據(jù)公式（3）與公式（4）計(jì)算分析。

2.4 混合動(dòng)力汽車三元鋰電池組匹配設(shè)計(jì)

新能源汽車的混合動(dòng)力車輛中有兩套能源系統(tǒng)，主要就是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備和電池組設(shè)備，在設(shè)計(jì)的過程中混合比的設(shè)定和汽車應(yīng)用性能存在直接聯(lián)系，因此在設(shè)計(jì)過程中必須要注意可能會(huì)出現(xiàn)的問題，確保設(shè)計(jì)的效果。首先，設(shè)計(jì)續(xù)航里程延長類型的電池組。在車輛上設(shè)計(jì)功率很小的APU 部件，用來進(jìn)行電池組電量的補(bǔ)充，這樣不僅能夠起到能量消耗的減緩作用，還能降低電量衰減問題的發(fā)生率。其次，合理設(shè)計(jì)連續(xù)行駛的模式。對(duì)于APU 部件而言能夠持續(xù)性的運(yùn)行，而電池組屬于功率均衡性的設(shè)備，會(huì)輸出峰值功率并且接收再生制動(dòng)方面的能量。最后，設(shè)計(jì)間斷行駛的模式，在汽車行駛受到限制的區(qū)域可以利用純電動(dòng)的方式正常駕駛，其中的APU 部件應(yīng)該為電池組持續(xù)性的充電，電池組的容量也能夠符合純電動(dòng)駕駛過程中對(duì)里程的要求。

3 三元鋰電池在新能源汽車中的應(yīng)用

3.1 具體應(yīng)用

三元鋰電池在新能源汽車中的應(yīng)用，為確保符合具體的需求，應(yīng)開展高寒方面、高熱方面的耐久性試驗(yàn)活動(dòng)，將高寒試驗(yàn)期間電池的工作溫度控制在零下40 攝氏度，高溫試驗(yàn)期間電池溫度控制為零上60 攝氏度，確保所設(shè)計(jì)的電池可以在100 攝氏度溫差范圍之內(nèi)正常運(yùn)行。并且在應(yīng)用的過程中能夠?yàn)榧矣貌遄峁┏潆姷牟僮?，?biāo)準(zhǔn)為220V/16A，從完全放空到充滿電的時(shí)間長度為5 個(gè)小時(shí)。同時(shí)在三元鋰電池應(yīng)用的過程中還需設(shè)置SOC 方面的管理程序，以此為基礎(chǔ)設(shè)定不同的使用模式。為避免出現(xiàn)電池正極結(jié)構(gòu)、負(fù)極結(jié)構(gòu)損傷的問題，應(yīng)將電池的使用容量控制為10%到90%之間，避免出現(xiàn)深度充電或是深度放電的現(xiàn)象，以免發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破壞性問題。

3.2 未來的應(yīng)用趨勢(shì)

在新能源汽車中應(yīng)用三元鋰電池，未來發(fā)展的進(jìn)程中為增強(qiáng)電池使用效果，應(yīng)明確分析具體的趨勢(shì)，①提升電壓平臺(tái)的應(yīng)用趨勢(shì)。通常在新能源汽車電池容量、重量、體積相同的情況下，隨著三元鋰電池電壓平臺(tái)的提高，續(xù)航的時(shí)間就會(huì)不斷增加，使得相關(guān)的參數(shù)更為優(yōu)化。因此在應(yīng)用三元鋰電池的過程中需要重點(diǎn)提高電壓平臺(tái)，利用增強(qiáng)電子供給性能的方式、改善鋰離子擴(kuò)散性能的方式處理。但是要想確保二者之間處于平衡狀態(tài)，目前所使用的材料無法滿足要求，還需進(jìn)一步研究石墨烯材料的應(yīng)用，確保從根本層面達(dá)到提升電壓平臺(tái)的目的。②提高電動(dòng)性能的應(yīng)用趨勢(shì)。電動(dòng)性能屬于新能源汽車上應(yīng)用三元鋰電池過程中非常主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，很容易受到電解液材質(zhì)因素、隔膜厚度因素、活性材料種類因素的影響，和電池整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密度存在直接聯(lián)系，為增強(qiáng)電動(dòng)性能，在實(shí)際應(yīng)用期間可以利用改性的方式、顆粒包覆的方式處理，確保電動(dòng)性能與標(biāo)準(zhǔn)相符。③提升持續(xù)性安全水平的應(yīng)用趨勢(shì)。目前我國雖然在新能源汽車上應(yīng)用三元鋰電池能夠取得良好的成效，但是很容易出現(xiàn)安全方面的風(fēng)險(xiǎn)隱患，并且安全問題已經(jīng)成為對(duì)三元鋰電池大規(guī)模組培、集成化應(yīng)用最大的影響因素。按照當(dāng)前測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，容量很高的三元鋰電池過針刺測(cè)試、過充測(cè)試的概率很低，此情況下就需要通過使用錳元素的方式解決問題，甚至于還可以將錳酸鋰元素相互混合應(yīng)用，不斷增強(qiáng)三元鋰電池應(yīng)用的安全性。并且在未來發(fā)展的階段還需結(jié)合新能源汽車的特點(diǎn)、情況等，完善三元鋰電池應(yīng)用機(jī)制模式，提出能夠提升安全性能、減少自燃問題發(fā)生率的措施，制定可以延長電池使用壽命的方案，確?？梢詾樾履茉雌囂峁└哔|(zhì)量、高安全性、應(yīng)用壽命周期長的電池產(chǎn)品。

4 結(jié)語

綜上所述，三元鋰電池在新能源汽車上的應(yīng)用具有重要意義，能夠延長里程、增強(qiáng)行駛的穩(wěn)定性。因此在新時(shí)期環(huán)境下應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注新能源汽車中三元鋰電池的設(shè)計(jì)，合理設(shè)計(jì)續(xù)航里程、單位里程能耗與比能耗指標(biāo)、電池與車輛匹配模式等，同時(shí)在應(yīng)用的過程中不僅需要科學(xué)設(shè)定各類應(yīng)用指標(biāo)，還需提升電動(dòng)性能、安全性能與電壓平臺(tái)水平，增強(qiáng)應(yīng)用效果。