动力电池技术参数与运行经济效益的研究

吴志平

摘要：本文就目前普遍应用的铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料动力电池的技术参数与电池反应原理，并针对电池安全性、快速充电、耗电成本和行驶里程计算方法等问题进行了讨论，为当下在新能源交通工具核心动力部件的内容进行了分析和研究。

关键词：动力电池;技术参数;运行;经济效益

0  引言

本文中提到的动力电池是指为电动汽车和电动摩托车等运输工具提供动力的化学电源，电池供电的运输已成为许多国家发展的关键产业。其中，以美国，德国和日本为首的发达国家起步较早并保持一定优势，中国的电动汽车起步较晚，但近年来取得了惊人的进步。2018年，它占全球市场份额增长到了49%，并已成为全球最大的电动汽车市场。从技术的角度来看，中国在动力电池、电动机和电子控制等关键技术上取得了重大进展，并已成为高职汽车知识教育中值得提及的领域。本文讨论了汽车动力电池的类型，技术参数，运行成本和其他问题，以便为化学电源的应用提供教学背景和技术数据。

首先介绍了几种常用的动力电池，铅酸电池是使用铅和氧化铅作为电极并使用硫酸作为电解质的二次电池，它是150多年来开发的首个大型储能电池，它的优点是储能成本低，安全性好，效率高，技术成熟，因此在运输，国防等方面得到了广泛的应用。自1970年以来，镍金属氢化物电池就已开发出来，1990年，新型金属氢化物镍电池在大规模生产和应用中占有重要地位。镍氢电池不仅用于电子设备，还经常用于电动汽车和混合动力汽车，例如第二代通用EV。锂离子电池目前具有高能量密度和高功率充放电功能的优点，逐渐成为电动汽车的首选。电动汽车中的锂离子电池可分为锂锰氧化物电池、锂钴氧化物电池、磷酸铁锂电池和锂离子电池。燃料电池已有170年的历史，但发展缓慢，1970年左右，随着制氢技术的发展，它开始迅速发展。燃料电池和其他动力电池领域区别在于，蓄能器是存储电能的蓄能器，而燃料电池将化学能直接转换为电能，即发电机。

在应用领域中，为了安全起见，必须充分考虑上述各种类型的动力电池。电动汽车的爆炸常常引起社会关注，这些事故大多数与电池系统有关，通常是由机械冲击，过充电，短路等引起的。当电池温度过高时，当温度达到阈值时，电池内部隔板直接在电极材料和电解质之间进行氧化还原反应，释放出大量的热量和气体，并导致热失控，在严重的情况下，会引起爆炸。

铅酸电池具有安全性能高，储能成本低和应用技术成熟等特点，是市场上短程电动汽车动力电池的主要产品。2012年，全球电动自行车销量约为3100万辆。由于铅酸电池的比能量和循环寿命不足，它们仅用于电动汽车应用中的短距离通勤，因此它们通常用于公共汽车和电动摩托车。磷酸铁锂电池具有较高的热失控阈值，并且由于安全性和价格优势，它们是小型电动汽车和PHEV（插电式混合动力电动汽车）动力电池的主要选择，但磷酸锂锂电池与钴酸锂和锰酸相比，由于锂电池具有低电压和比能量，因此大型纯电动汽车倾向于选择钴酸锂和锰酸锂作为动力电池。在资源方面，2010年全球锂电池负极灰分消耗量约为53，000吨，分别占钴酸锂54%，三元材料27%，锰酸锂11%和磷酸铁锂4%。由于世界上缺乏鋰和钴资源（中国锂资源相对丰富），动力电池的成本通常很高。与纯电动汽车相比，氢燃料汽车在环境保护和行驶里程方面更具优势，但由于尚未解决生产和技术成本问题，其使用和普及程度仍不及其他动力电池汽车。

1  技术参数

1.1 电池容量

电池容量，也称为单位容量，是指电池在特定条件下（例如放电速率，终止电压，温度）放电的电量，通常单位为Ah（安培小时）或mAh（毫安小时），电池容量直接影响电池放电时间和最大工作电流。电池容量分为理论容量，实际容量和额定容量，理论容量是指电池内部活性物质的容量，实际容量表示在特定温度，放电电压和放电电流等条件下电池的实际放电容量。实际容量值低于理论容量值，额定容量是指电池在指定温度和放电速率下放电的容量，并且电池末端的电压下降到端电压。

1.2 电池的能量密度

电池能量密度是指通过平均体积或质量存储在材料中的电能。通常，能量密度具有两个表达式：能量体积密度和比能，单位为（Wh）/L或（Wh）/kg（瓦/小时/升或瓦特/小时/千克）和能量密度。例如，像普通锂电池一样，电池性能的主要指标是比铅电池更高的能量密度。当两个电池具有相同的电池容量时，锂电池的体积和质量较小，这对于日常使用是有利的。

1.3 电池电压

电池电压包括终端电压、工作电压和开路电压。终端电压表示电池放电时的最低工作电压极限，工作电压代表工作过程中电池两极之间的电势差，即工作过程中电池的实际输出电压，开路电压是指电路处于开路状态时的电压。

1.4 电池的循环寿命

在某些工作条件下，电池容量达到一定值之前的电池工作时间称为电池寿命。电池寿命通常用充放电循环次数来表示，并且受温度、制造工艺、充放电系统等许多因素的影响。因此，电池的寿命是不同的，但是通常根据国际标准进行测试。

1.5 电池的浮充充电

浮动充电是恒压和小电流充电。为了平衡由于电池的自放电引起的容量损失，需要对电池进行恒定和长期的恒定电压充电，此填充模式为浮动填充。浮充电压略高于小电流充电电压，足以补偿电池的自放电损失，并且可以在电池放电后迅速将电池恢复到接近完全充电的状态。浮动充电（也称为连续充电）旨在防止电池自放电并增加充电深度，这种充电方法主要用于电话交换机，不间断电源（UPS）和各种备用电源。

2  电池快、慢充技术的讨论

电池快速充电的问题是电动汽车发展中要讨论的重要因素。除了提高电动汽车的使用效率外，它还直接影响充电时间，安全性能和循环寿命。以锂电池为例，锂离子电池的快速充电技术是增加充电器的充电电压和电流，以缩短电池的充电时间。锂电池的工作原理如图1所示。如果锂离子在充电和放电期间的迁移速率相同，则可以对电池进行定期充电。然而，由于充电期间的电化学反应速率小于电子传递速率，因此负极板上的离子逐渐增加电荷，导致负极颗粒表面的实际电势偏离平衡电势，引起极化，并且充电电流越大，电池极化越大。极化的存在对电极造成不可逆的损害，从而影响循环寿命。

另外，随着充电电流的增加，电池的内阻逐渐增加，导致在充电周期中对电极材料的损坏，这增加了电池可以接受的最大充电电流。此外，大多数锂电池都使用石墨作为阴极，低温下快速充电会沉淀出活性锂金属，缩短电池寿命并容易引起电池短路（这可能导致事故）。在低速充电过程中，电压和电流较低，可以缓解上述各种缺点，降低危机安全程度，延长循环寿命，但同时降低充电效率。因此，开发快速充电技术的关键是降低电池的内部电阻并降低其极性。同時，它要求电池材料具有很高的稳定性，从而提高了安全性和循环寿命。

目前，中国快速充电的锂离子电池主要用于电动客车。磷酸铁锂/快速充电石墨电池可达到10-15分钟的充电效率。尽管它便宜且具有高安全性能，但仍然存在磷酸铁锂体系。诸如低温性能差和抽头密度小等缺陷，三元材料/多孔硬碳电池系统可实现10-15分钟的充电效率，但成本高，高电压下负电压更高。快速充电技术具有广泛的应用范围，但是快速充电的锂离子电池的大规模应用仍需要技术创新。

3  运行成本

决定锂电池价格的因素是什么？第一，电池的主要材料，例如阴极材料（主要是碳酸锂），阳极材料（主要是石墨），电解质（六氟磷酸锂，溶剂和添加剂）和隔板（主要是聚烯烃基石油化工产品）;第二，其他辅助材料，例如：粘合剂、溶剂、铝带和用于搭扣的镍带;第三，制造过程的成本，如人工成本，生产线维护成本等;第四，环保费用。

在日常生活中，人们认为电动摩托车是最经济的交通工具，但是很少有证据证实这一点。其中，电价为0.5元/度，油价为7元/升。比较发现，传统汽油车的价格远远高于纯电动车的价格，对于在城市附近上班的上班族来说，电动摩托车的成本是最便宜的，并且便利性和时间控制性相对较高，最大的优势还可以减少空气污染程度并保护环境。电动汽车价格相对昂贵，例如TeslaModelS基本的70kWh电池。扣除美国政府补贴后，价格为7.12万美元，电池为2个占了2.2万左右的美元的成本，由此可以看出，纯电动汽车仍由电池成本主导。

随着电动汽车数量的迅速增加，将来将产生寿命越来越长的电池组。如果不能正确解决回收问题，则主要可能会遇到环境问题。这些废弃电池的内部化学组成保持不变，只是化学活性降低。尽管充电和放电性能无法满足汽车的需求，但它作为能量存储设备是一个很好的解决方案。例如，戴姆勒和德国的几家相关公司已经建立了一家合资企业，以购买动力电池来处理所有戴姆勒的电动汽车，并试图建立世界上最大的废电池储能发电厂以平衡电力压力，安装在储能电厂中的废电池可以继续运行10年，从而大大延长了电池寿命。

4  结论

作为电动汽车发展的最重要支柱，动力电池的发展引起了广泛的关注。即使在燃料汽车开发的早期，我们也面临诸如发动机和燃料存储之类的问题。动力电池科技的进步解决了这个问题，因此，我们有理由相信随着技术的发展，动力电池中存在的各种问题将最终得到解决。

参考文献：

[1]魏国强，高兰芳.纯电动汽车动力电池温度预测模型实验研究[J].电子测量技术，2019（9）.

[2]任晓霞，郭王娜.电动汽车锂离子电池集总参数RC等效电路模型[J].储能科学与技术，2019（5）.

[3]张宸维，林方圆.纯电动汽车能量消耗优化仿真与试验研究[J].汽车实用技术，2019（17）.