目前,我國新能源純電動汽車經(jīng)過十多年的研究和發(fā)展,已經(jīng)取得了一系列的突破,也開始逐步投放進市場,但仍然存在諸多的問題。其中,電動汽車的續(xù)航能力及動力性能是這諸多問題的焦點。而動力電池系統(tǒng)是制約續(xù)航能力及動力性能的關(guān)鍵技術(shù)問題。在此,本文擬針對電動汽車的電池系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行一定的介紹。
目前,純電動汽車上使用的動力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。其電池的反應原理圖如下圖(a)(b)(c)所示,其基本性能如下所述。
圖(a)鉛酸電池的工作原理圖
圖(a)為鉛酸電池的工作原理圖。其主要通過化學反應來實現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)儲能和放電。目前鉛酸電池工藝成熟、過放性能良好、安全性能好、價格低廉,在電動自行車、電動摩托車以及低速純電動汽車上有廣泛的應用,但是由于其比能量和比功率較低,不能滿足純電動汽車續(xù)駛里程要求,在純電動汽車上未能廣泛應用。
圖(b)鎳氫電池的工作原理圖
圖(b)為鎳氫電池的工作原理圖。其主要也是通過化學反應來實現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)儲能和放電。但是鎳氫電池與鉛酸電池相比具有環(huán)境友好、大電流放電、能量密度比鉛酸電池高以及無記憶效應等優(yōu)點,缺點是電壓平臺低(1.2V),用于純電動汽車上,需要大量地串并聯(lián)組合,使得電池組一致性變差,電池管理系統(tǒng)復雜,制約其在純電動汽車上使用。
圖(c)為鋰離子電池的工作原理圖
圖(c)為鋰離子電池的工作原理圖。其主要通過離子的遷移來實現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)儲能和放電。鋰離子電池的單體電壓為鎳氫電池的3倍,并且具有比能量密度相對較大、無記憶效應、充放電效率高、自放電率低、循環(huán)壽命長和無污染性等優(yōu)點,因此,鋰離子電池成為了目前在純電動汽車上應用最廣泛的動力電池。其中,以磷酸鐵鋰三元材料為代表的鋰離子電池,因其能量密度可達到130Wh/kg-140Wh/kg,且充放電平臺穩(wěn)定、安全性能良好、低溫性能和循環(huán)壽命較好2015年10月11日,在合肥中國新能源汽車動力電池材料高峰論壇上,華中科技大學材料學材料與工程學院院長黃云輝也表示,磷酸鐵鋰電池通過納米技術(shù)和富鋰技術(shù)等手段而應用,其實際能量密度將會大幅度提升,并且磷酸鐵鋰電池實現(xiàn)2元/瓦時以下的成本沒有問題。因此,以磷酸鋰鐵為代表的三元材料電池,現(xiàn)在是目前純電動汽車主要的動力電源。
雖然鋰離子電池經(jīng)過發(fā)展能量密度及其他性能都得到了很大的提高,但是按照現(xiàn)在車輛油箱的位置大小,且電池重量符合車輛承載能力和軸荷分配要求,動力電池比能量應達到 500-700Wh/kg。而目前的鋰離子電池的能量密度遠遠低于該值。因此目前提高動力電池能量密度是制約鋰離子電池發(fā)展的一個瓶頸問題。
目前,為了突破能量密度低這個電池的瓶頸問題,國內(nèi)外學者主要做了以下幾個方面的研究。
在材料方面,而以硅基和錫基合金作為鋰離子電池的負極材料。通過這種材料的改進的鋰離子電池其理論的容量可分別高達4200Wh/kg和990Wh/kg,完全能滿足純動力汽車動力電池能量的要求,但是硅基鋰離子電池由于充放電過程產(chǎn)生巨大材料體積膨脹效應,以及鋰在硅膜中擴散系數(shù)相對較小、電化學性能顯著惡化;錫基合金負極材料電池理需解決首次不可逆容量高,充放電循環(huán)性能差的問題,目前未能在純電動汽車動力電池領(lǐng)域得到產(chǎn)業(yè)化。
另外一方面,主要是從制備技術(shù)和成組技術(shù)上進行突破。從電池的制備技術(shù)綜合考慮,采用納米技術(shù)制備來提高電池的性能,開發(fā)新型的納米材料。從成組技術(shù)上考慮,可合理設(shè)計動力電池系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu),減少由電池單體組成的電池組產(chǎn)生的性能衰減,減小電池組中電池單體一致性的影響;并且通過對實車上電池系統(tǒng)進行能量管理,實現(xiàn)能量的進一步合理分配利用。目前主要集中在對電池組的能量管理、充放電均衡、以及SOC估算等方面。在電池組能量管理研究方面,針對混合動力電動汽車能量分配,國內(nèi)外學者對電池組能量管理分配策略做了大量的研究,總結(jié)出了功率跟隨控制策略、幵關(guān)式控制策略、固定因子功率分配控制策略、模糊控制策略等一系列能量管理控制策略。
綜合以上分析,目前純電動汽車動力電池,主要采用的是鋰離子電池。其提高性能的主要的技術(shù)瓶頸在于進一步提高純電動汽車單體電池的性能水平,以及提升純電動汽車動力電池系統(tǒng)的管理等方面。