电动汽车动力电池发展浅析

（保定长安客车制造有限公司 073000)

目前，能源危机和环境安全是全世界面临的共同问题[1]，我国交通燃油消费总量占社会燃油消费总量的50%以上，但石油对外依存度约占65%，这使得我国能源隐患更为凸显。随着欧洲多国陆续发布禁售燃油车时间表，我国也制定出明确的禁售燃油车时间，这加快了车企转型做新能源电动汽车的节奏。

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。按照车载电源的不同可分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车3大类[2]。

动力电源是电动汽车的心脏，电动汽车的核心竞争力就是动力电池性能的优势。综合电动汽车加速、爬坡及续驶里程等动力性能与使用情况[3]，对动力电池的容量、比能量、比功率、循环寿命和充放电倍率等技术参数[4]提出了较高要求，这就为动力电池发展指明了方向。

1 铅酸蓄电池

作为第1代电动汽车使用的动力电源，自1859年Plante发明铅酸电池至今已有140多年历史[5]。除在燃油汽车中做起动电源外，由于其安全耐用、价格低廉和大电流放电性能良好，曾在被发明后的一个世纪里作为电动汽车动力电源的首选方案。在试验过程中，不断对结构、工艺、材料等技术方面的改进，使得该电池性能得到了大幅度提升。

铅酸电池单体可用电压范围1.5～2.4 V，常以12 V、24 V和36 V不同组合，灵活进行PACK组装，适用于不同电压平台的电动汽车上。但实际应用中，也暴露出来一些缺点。例如，国内生产的幸福使者电动车，动力电源就采用该款电池，其最高车速为50 km/h，最大爬坡度为20%，一次充电后续驶里程只有80 km，虽基本满足城市小范围内代步需求，但大范围推广却因续驶里程短受到限制。

铅酸电池能量密度偏小，质量比能量在35～45 Wh/kg内，不仅因增加动力电池自重且还导致整车自重过大，造成部分电能消耗在车辆自重方面，大大降低整车运行效率。同时，也为电动汽车整车轻量化设计增加难度。在无形中增加了电池充电次数，频繁充电不仅会降低电池使用寿命，还缩短车辆一次充电后的续驶里程，增加维护、更换电池频率及车辆整体维护费用。更为严重的问题是，铅酸电池在生产和报废处理过程中，有可能产生铅污染[6]。

2 镍基蓄电池

作为第2代动力电池的镍基蓄电池属碱性电池，其中包含镍镉、镍氢、镍锌等镍金属氢化物电池。

20世纪80年代初，镍基蓄电池才用于电动汽车上。虽然，电池单体可用电压范围在1.2～1.45 V，但在比功率、比能量及循环寿命比铅酸蓄电池更具有优势。

镍镉蓄电池比能量是铅酸蓄电池的1.6倍，达到55 Wh/kg，不仅有利于减轻整车自身重量，而且提升电动汽车一次充电后续航里程，也能在5C、10C大倍率情况下9 min内释放80%容量，有利于电动汽车起动[7]和加速。镍氢电池充放电次数可达500次以上，大大提升电动汽车动力电池使用年限。

此类蓄电池的价格大概是铅酸蓄电池5倍，但存在记忆效应[8]，电池在几次低容量下的充放电之后，如要进行一次较大容量的充放电，电池将无法正常工作。此类蓄电池还存有一个弊端——材料中含重金属镉，一旦泄露就产生生态污染，且在《汽车禁用物质要求》中明确指出禁用镉或其化合物。故此，世界范围内很多发达国家都已对镍镉蓄电池的生产进行限制，在我国也基本淘汰镍镉电池作为电动汽车动力电池。

镍氢蓄电池[9]是在镍镉电池基础上发展起来的，因此许多基本特性与镍镉电池相似，且不存在重金属污染问题，是一种环保型镍金属电池，被称为“绿色电池”。

镍氢蓄电池比功率在160～500 W/k g内，比能量55～70 Wh/kg，循环次数已破1000次，可以承受4C充电及8C放电。镍氢蓄电池性能稳定、质量比功率、体积比功率及电池循环次数达美国先进电池联合会（USA BC）性能指标，丰田公司于1997年推出RAV4-EV纯电动汽车就是使用288V镍氢蓄电池搭建电压平台，最高时速可达125 km/h，续驶里程为220 km，满足顾客基本使用需求。

但是，镍氢蓄电池在实际生产和应用中，存在价格高、每月自放电大[10]、均一性较差问题，尤其在高倍率及电池容量上的差距较大，实际性能和实际需求间仍有一定差异，这些问题都会在电池实际应用中起到阻碍作用。

3 锂离子电池

锂离子电池是上世纪90年代发展起来的容量较高的可充电电池，不存在记忆效应也无环境污染。最关键的是该类型蓄电池单体可用电压范围提升到3.6～4.2 V，是铅酸蓄电池和镍基蓄电池的3倍以上，很大程度上方便电动汽车高电压平台的搭建。其比能量高于镍基蓄电池，可达120～150 Wh/kg，明显优于镍基蓄电池。目前，锂离子电池已是世界范围内各国家能量储存技术研究领域当中的热点[11]。

根据正极材料的不同，锂离子电池可分为锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池、钴酸锂离子电池和三元材料锂离子电池。《中国新能源汽车动力电池产业发展报告（2017）》中数据表明，目前，磷酸铁锂锂离子电池以140 Wh/kg能量密度、安全性能好、能够在15 min可以完成80%的快充电优势，多用于在上市的纯电动汽车中，同时，在纯电动客车上也得到了广泛的应用。但是，磷酸铁锂锂离子电池导电性差、能量密度偏低这限制了电动汽车续驶里程。三元电池的能量密度却高于磷酸铁锂电池23%～46%，既提高了电动汽车续驶里程又方便车辆轻量化设计。

锂离子电池实际应用中暴露的缺点是，在充电电量及储存温度不同情况下，容量会呈现一种逐步下降趋势。另一缺点是，大电流放电性能比较差，实际表现为汽车爬坡中出现动力不足。

4 燃料电池

自“燃料之父”Willian Robert Grove发表了“气体电池”的原始模型，就为燃料电池的诞生奠定了理论基础。20世纪70年代以后，制氢技术得到很大提升，氢燃料电池才被应用于发电和汽车领域中[12]。燃料电池作为电动汽车的动力电源是在20世纪90年代初期，由于环保性好、响应速度、快效率高、起动快等优点，引起新能源电动汽车研究人员高度重视。

燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置，只产生热和水，不会造成环境污染。电动汽车在启动、运行中，燃料电池不会产生机械振动，所以运行平稳性得到大幅度提升。在实际运行中，基本上不会产生任何太大声响，只有55 dB接近人类日常说话声音。按其电解质不同，可分为磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池，无论在电动轿车还是电动公交车上，均能看到燃料电池身影。

我国的燃料电池电车发展较晚，2001年，通用汽车开发的“氢动三号”燃料电动汽车就是使用的质子交换膜燃料电池，最大输出功率为60 kW，最高时速达130 km/h，一次加氢后续驶里程达270 km，百公里加速时间为13 s。2003年亮相的同济大学研发的“超越一号”——我国第一辆燃料电池动力样车，最高时速105.8 km/h，续航里程231 km，从0～80 km/h加速时间为15.4 s[13]。

然而，氢燃料电动汽车寿命短，车辆只能运行2500 h左右就需更换电池；电池成本高，电催化剂、质子交换膜关键材料依托进口；与之配套的加氢站较少。

我国在加快新能源汽车发展的同时，各大车企都要秉着以减少汽车对生活环境的污染、减轻汽车产业对自然的污染为前提，再基于客户需求采用电动汽车动力电池类型。

【参考文献】

[1]王鑫泽,王海,赵昌明.新能源汽车的应用现状及发展前景探讨[J].农业工程与能源.2017,(2)：179.

[2]GB/T 19596-2004电动汽车术语[S].北京：中国标准出版社,2004.

[3]李秀芬,雷跃峰.电动汽车关键技术发展综述[J].上海汽车,2006,(01)：8-10.

[4]王震坡,孙逢春,刘鹏.电动汽车原理与应用技术[M].北京：机械工业出版社,2015：39-50.

[5]陈明,电动自行车铅酸蓄电池的危害性分析及对策措施[J].科技资讯,2008,(26)：120-121.

[6]刘金生,杨骥,陈婷.废旧铅酸电池回收处置现状及对策[J].轻工机械,2010,28(5)：1-4.

[7]杨世春.电动汽车设计基础[M].北京：国防工业出版社,2013：72-77.

[8]汝宝星.镍基电池的记忆效应[J].电动自行车,2005,(11)：35-37.

[9]孙文华,何小海.镍氢电池应用于电动车之可行性分析[J].小型内燃机与摩托车2009,38(01)：87-90.

[10]陈全世.先进电动汽车技术[M].北京：化学工业出版社,2014：55-57.

[11]胡信国.动力电池技术与应用[M].北京：化学工业出版社,2009：122-129.

[12]李存璞,陈嘉佳,李莉等.燃料电池关键材料与进展[J].科技导报,2017,35(8)：19-25.

[13]刘佳,周强.我国燃料电池汽车及用氢发展现状浅析[J].太阳能,2017,(4)：24-29.