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电动汽车电池系统发展的现状及技术瓶颈  

2016-05-03 11:49:47|  分类: 能源汽车 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  目前,我国新能源纯电动汽车经过十多年的研究和发展,已经取得了一系列的突破,也开始逐步投放进市场,但仍然存在诸多的问题。其中,电动汽车的续航能力及动力性能是这诸多问题的焦点。而动力电池系统是制约续航能力及动力性能的关键技术问题。在此,本文拟针对电动汽车的电池系统的发展现状进行一定的介绍。

  目前,纯电动汽车上使用的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。其电池的反应原理图如下图(a)(b)(c)所示,其基本性能如下所述。

新能源纯电动汽车电池系统发展的现状及技术瓶颈

图(a)铅酸电池的工作原理图

  图 (a)为铅酸电池的工作原理图。其主要通过化学反应来实现化学能与电能之间的转换,从而实现储能和放电。目前铅酸电池工艺成熟、过放性能良好、安全性能好、价格低廉,在电动自行车、电动摩托车以及低速纯电动汽车上有广泛的应用,但是由于其比能量和比功率较低,不能满足纯电动汽车续驶里程要求,在纯电动汽车上未能广泛应用。

新能源纯电动汽车电池系统发展的现状及技术瓶颈

图(b)镍氢电池的工作原理图

  图(b)为镍氢电池的工作原理图。其主要也是通过化学反应来实现化学能与电能之间的转换,从而实现储能和放电。但是镍氢电池与铅酸电池相比具有环境友好、大电流放电、能量密度比铅酸电池高以及无记忆效应等优点,缺点是电压平台低(1.2V),用于纯电动汽车上,需要大量地串并联组合,使得电池组一致性变差,电池管理系统复杂,制约其在纯电动汽车上使用。

新能源纯电动汽车电池系统发展的现状及技术瓶颈

图(c)锂离子电池的工作原理

  图 (c)为锂离子电池的工作原理图。其主要通过离子的迁移来实现化学能与电能之间的转换,从而实现储能和放电。锂离子电池的单体电压为镍氢电池的3倍,并且具有比能量密度相对较大、无记忆效应、充放电效率高、自放电率低、循环寿命长和无污染性等优点,因此,锂离子电池成为了目前在纯电动汽车上应用最广泛的动力电池。其中,以磷酸铁锂三元材料为代表的锂离子电池,因其能量密度可达到130Wh/kg-140Wh/kg,且充放电平台稳定、安全性能良好、低温性能和循环寿命较好2015年10月11日,在合肥中国新能源汽车动力电池材料高峰论坛上,华中科技大学材料学材料与工程学院院长黄云辉也表示,磷酸铁锂电池通过纳米技术和富锂技术等手段而应用,其实际能量密度将会大幅度提升,并且磷酸铁锂电池实现2元/瓦时以下的成本没有问题。因此,以磷酸锂铁为代表的三元材料电池,现在是目前纯电动汽车主要的动力电源。

  虽然锂离子电池经过发展能量密度及其他性能都得到了很大的提高,但是按照现在车辆油箱的位置大小,且电池重量符合车辆承载能力和轴荷分配要求,动力电池比能量应达到 500-700Wh/kg。而目前的锂离子电池的能量密度远远低于该值。因此目前提高动力电池能量密度是制约锂离子电池发展的一个瓶颈问题。

  目前,为了突破能量密度低这个电池的瓶颈问题,国内外学者主要做了以下几个方面的研究。

  在材料方面,而以硅基和锡基合金作为锂离子电池的负极材料。通过这种材料的改进的锂离子电池其理论的容量可分别高达4200Wh/kg和990Wh/kg,完全能满足纯动力汽车动力电池能量的要求,但是硅基锂离子电池由于充放电过程产生巨大材料体积膨胀效应,以及锂在硅膜中扩散系数相对较小、电化学性能显著恶化;锡基合金负极材料电池理需解决首次不可逆容量高,充放电循环性能差的问题,目前未能在纯电动汽车动力电池领域得到产业化。

  另外一方面,主要是从制备技术和成组技术上进行突破。从电池的制备技术综合考虑,采用纳米技术制备来提高电池的性能,开发新型的纳米材料。从成组技术上考虑,可合理设计动力电池系统模块化结构,减少由电池单体组成的电池组产生的性能衰减,减小电池组中电池单体一致性的影响;并且通过对实车上电池系统进行能量管理,实现能量的进一步合理分配利用。目前主要集中在对电池组的能量管理、充放电均衡、以及SOC估算等方面。在电池组能量管理研究方面,针对混合动力电动汽车能量分配,国内外学者对电池组能量管理分配策略做了大量的研究,总结出了功率跟随控制策略、幵关式控制策略、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。

  综合以上分析,目前纯电动汽车动力电池,主要采用的是锂离子电池。其提高性能的主要的技术瓶颈在于进一步提高纯电动汽车单体电池的性能水平,以及提升纯电动汽车动力电池系统的管理等方面。

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