电动汽车动力电池的发展与温度管理现状

徐志龙，田玉冬，2，李静红，吴永胜，黄 俊

（1.上海理工大学机械工程学院，上海 200093；2.上海建桥学院，上海 201306；3.上海电机学院，上海 201306；4.上海申龙客车有限公司，上海 201108）

随着人们生活水平的提高，汽车在人们的出行中扮演着越来越重要的角色，但同时也带来了很多的问题，尤其在能源与污染问题中最为突出。根据美国地质勘探局（U.S.Geological Survey）的研究发现，按照当前的能源需求，全球石油资源仅能供人类使用60年左右，这将严重制约着经济社会的发展速度［1］。为了解决能源问题，各国纷纷推出以电动汽车来代替以石油为动力源的传统汽车。与传统汽车相比，电动汽车具有节能环保、能量利用率高等特点。如果电动汽车能够得到大力推广与使用，将极大地缓解当今日益突出的能源问题。因此国家把新能源汽车产业列为未来20年重点培育和发展的7大战略性新兴产业之一［2］。而纯电动汽车的电池不仅扮演着动力源的角色，也扮演着为汽车的电气设备提供电源的角色。

1 当今电动汽车的发展现状

1.1 世界各国电动汽车总量及措施

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆［3］。当今社会电动汽车的发展有3种主流类型，包括燃料电池汽车、纯电动汽车以及混合动力汽车等。自20世纪90年代起，为了抢占新的汽车市场，国外许多著名汽车公司开始在电动汽车的发展上投入了大量的人力物力。政府也出台了一系列的政策促进扶植电动汽车产业的发展。世界汽车发达国家的电动汽车发展所采取的措施如下。

1）美国 主要采取的措施：①新一代的汽车伙伴关系计划（PNGV）；②自由汽车合作伙伴计划（Plan Freedom CAR）。预期成果：到2010年电动汽车的总量达到1400万辆，到2040年达到2.4亿辆，基本摆脱石油进口的局面。

2）日本 主要采取的措施：①着力研发低排放量的汽车；②日本氢能和燃料电池示范工程（JHFC）。预期成果：到2020年电动汽车的总量达到135万辆。

3）欧盟 主要采取的措施：①着力研发电动汽车的燃料电池的关键技术（FP5，FP6 计划）；②燃料电池发展示范计划（R&DD）；③燃料电池公共汽车示范项目；④电动汽车的城市分布系统方案（ELCIDIS）。预期成果：以德国为例，到2020年电动汽车总量将达到100万辆。

4）中国 主要采取的措施：①电动汽车、燃料电池汽车以及中国863电动汽车研发计划 ；②中国973电动汽车专项规划。预期成果：根据国家的“十三五”计划，到2020年中国电动汽车的保有量将达到150万辆。

1.2 电动汽车的动力电池发展现状

动力电池是电动汽车的动力之源，因此动力电池的发展将严重制约和影响着电动汽车产业的发展。虽然近些年来电池技术取得了长足的进步和发展，但如今电动汽车的电池仍然存在如下问题：①电池密度低。近些年来在其他电池种类（如空气电池、燃料电池等）的发展上取得了不小的成就，但是就其性能表现而言仍然存在成本高、性能差、技术和其他方面不成熟的缺点。②电池质量过重。尽管电动汽车的车身设计越来越向轻量化、集成化发展，但是电池的质量往往会造成整车质量超过传统汽车的质量，将严重影响到电动汽车的续航里程。③电池寿命过短。通过计算现有电池的循环寿命发现，电动汽车每行驶40 000 km，将更换一次电池，这将大大增加电动汽车的成本，严重制约电动汽车的市场化进程。

2 动力电池的种类

目前，国内外主流电动汽车制造商所使用的动力电池主要包括：铅酸电池、锂离子电池、燃料电池、镍氢电池以及空气电池等［3-4］。

2.1 铅酸电池

铅酸电池的化学反应式为

从反应式中可以看出：此类电池用单质铅作负极，用二氧化铅作正极，在浓硫酸溶液中充放电。整个充放电过程依靠正负极板上的活性物质和电解液发生化学反应来完成。因铅酸电池具有技术成熟度高、价格成本低、可以量产的优点，因此成为目前在电动汽车领域应用最广泛的电池之一。但铅酸电池存在质量大、比容量率低、生产过程中严重污染生态环境等缺点。

2.2 锂离子电池

锂离子二次电池充、放电时的反应式为［5］

传统的锂离子电池的结构是用石墨作为负极，锂离子氧化物（如LiMn2O4），作为正极。在充放电过程中在正负极之间来回穿梭，往复循环，以实现电池的充放电过程。锂电池具有如下优点：①在目前的蓄电池中具有最高的比能量和能量体积密度，分别达到120～200 W·h/kg和300 Wh/L；②质量低、体积小、循环寿命较长、可以反复多次充放电；③自放电放电率较低，据有关研究表明锂电池月放电率为5%左右；④锂离子电池可以在温度较低的环境下正常工作，与其他种类电池相比，对环境的适应性更强。但由于针对电池组的电池管理系统中如电池均衡系统的不成熟也同样限制了锂离子电池在电动汽车中的应用。

2.3 碱性电池

此类电池主要是镍基在碱性电解液中发生化学反应，完成充放电过程。具体化学反应方程式为

式中：M——储氢合金；MH——吸附了氢原子的储氢合金。

碱性电池的种类主要包括镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池3种，其中镍氢电池已经广泛应用于电动汽车中，以丰田Prius为例，已有超过200万辆该车型采用镍氢电池。相对于铅酸电池，镍氢电池在比功率、质量、体积、密度方面有了大幅度的提高。但镍氢电池对温度要求较高。温度较低时，会造成电池容量下降，同时也会造成比功率下降；温度过高时，会使充电的耐受性降低。此外镍氢电池的原材料的价格较高，不利于大规模的推广。

纯电动汽车的动力电池的性能指标如表1所示。

表1 纯电动汽车的动力电池的性能指标

以上3种电池在电动汽车中的应用情况如表2所示。

表2 3种电池在电动汽车中的应用情况

部分商业化电动汽车电池组性能比较如表3所示。

表3 部分商业化电动汽车电池组性能比较情况

3 电动汽车动力电池的发展前景及展望

3.1 铅酸电池

传统的铅酸电池具有价格低廉、技术成熟、可以大批量生产的特点，但同样具有体积大、比功率和比能量低、循环寿命短、污染大的缺点。随着铅蓄电池生产工艺的改进与优化，近些年来开发出了很多新技术，如使用新的铅合金技术可以大幅提高比能量和循环寿命；阀控铅酸电池（VRLA）无需维护、比能量较高、允许高倍率深度放电、可循环使用。此类电池目前仍然广泛应用于电动叉车、旅游观光车、校园巡逻车等。随着技术的进一步改善，铅蓄电池仍然具有广阔的发展前景［6］。

3.2 以镍氢电池为代表的碱性电池

与其他种类的碱性电池相比，镍氢电池具有较高的比能量、环境污染较小的特点，因此在电动汽车的动力电池中具有较强的竞争力，但镍氢电池容易产生枝晶，这将对电池造成严重损坏，大大降低了电池的使用寿命［7-8］。随着这一问题的深入研究，已找到一些解决方法，如使用新的隔膜、在电解液中添加缓蚀剂、采用第三极充电的方法等。目前，已经投放市场的电动汽车采用镍氢电池的汽车厂商有奔驰、丰田等。虽然随着锂离子电池技术的日渐成熟，镍氢电池将逐渐被锂离子电池替代，但在未来很长一段时间，镍氢电池仍然在电动汽车产业中发挥着无可替代的作用。

3.3 锂离子电池

在可以批量生产的电池中，锂离子电池的综合性能最好，而且中国拥有丰富的锂矿资源，因此不用担心原材料的供应问题，这也间接的降低了锂电池的生产成本，更有利于锂电池抢占电动汽车动力电池的市场份额。到目前为止，越来越多的电动汽车生产厂商逐渐倾向于用锂离子电池来替代以镍氢电池作为动力源的电动汽车电池［9］。如早期的丰田Prius采用的是镍氢电池，最新一批的此类车型动力电池被锂电池代替。

目前，在锂电池发展过程中最大的挑战是安全问题。因为锂电池比功率较大，容易产生爆炸，相信随着人们对锂电池更进一步的研究会解决这一问题。因此锂电池将成为未来电动汽车主流的动力电池。

4 动力电动汽车的温度管理现状

动力电池的管理系统在动力电池的工作过程中发挥着重要的作用，协调着动力电池各个系统的正常工作，并根据各种反馈信息合理地分配有限的电池能量，是动力的核心。电池管理系统（BMS）通常包括数据采集、剩余容量（SOC）估算、电气控制（充放电控制、均衡充电等）以及热管理系统等［10-11］。其中，电池的热管理技术（BTMS）在电池管理系统中发挥着不可替代的作用。以锂离子电池为例，锂电池的最佳工作温度范围是：25～40 ℃，温度每升高1 ℃，其使用寿命将降低2个月，因此电池的热管理技术具有调节电池温度分布不均匀，使电池组工作在合适的温度范围内，从而达到提高电池性能和延长电池寿命的作用。

近年来，很多科研人员也纷纷提出了很多电池温度管理的方法。如：朱晖等人提出一种通过调整气流通道间距以及空气导流板与水平面夹角结构；梁波等人提出的往复流冷却方式，使冷却空气流动方向周期性逆转，以降低单向流空气冷却方式时单体电池沿空气流方向的温度梯度；王颖盈等人采用平板微热管阵列，通过增加散热翅片的数量和间距来进行散热管理。虽然科研人员提出了很多电池散热的方法，但电池的热管理技术仍然是动力电池市场化道路上的最大的阻碍，电池的热管理技术也是未来研究方向的重点［12］。

5 小结

显而易见，随着绿色可持续发展观念越来越深入人心，国家节能减排政策的提出，电动汽车将在绿色出行中发挥着越来越重要的作用。但目前电动汽车的动力电池仍然存在价格高、比功率以及比能量低的问题，相信随着电池技术的发展这一问题将会迎刃而解。本文从电动汽车常采用的电池种类进行分析、对比、总结、展望以及电池温度管理系统的发展现状进行介绍，对电动汽车动力电池的选择具有一定的参考指导价值。

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