电动汽车动力电池关键技术浅析

李 健 周 琳

四川交通职业技术学院 四川 成都 611130

引言

汽车工业经历了一百多年的发展历程,汽车在改善居民生活的同时却始终伴随着能源、环保等方面的问题。汽车工业转型已经是大势所趋,在缓解石油短缺和降低环境污染的背景下,电动汽车无疑成为汽车工业的主要发展方向。动力电池作为电动汽车的动力来源,一直以来被视为电动汽车发展的关键技术,会影响电动汽车的整体性能,例如动力电池的能量密度决定电动汽车一次充电的续航里程,功率密度决定电动汽车的加速性能和最高车速。尽管电池技术在不断发展,但目前仍然存在某些性能指标缺陷,因而动力电池也成为制约电动汽车快速发展的主要瓶颈。

1 电动汽车对动力电池的要求

电动汽车对动力电池的要求主要包括以下几个方面:①一致性。一致性是动力电池的表现形式之一。一致性主要是指同规格型号的单体电池组成电池组后,其电压、荷电量、容量等参数存在一定的差别。②价格便宜,维护方便。电动汽车主要靠动力电池来提供动力来源,若动力电池价格高、操作不方便、难维护,电动汽车要更换动力电池的话,费用会很高,使用起来就会非常不划算。③充放电性能好。因为电动汽车需要大电流供电,所以对动力电池的充放电性能提出了更高要求。④寿命长。我们在使用动力电池时,希望其具有较长的循环寿命,能够使用较长的时间,这点是决定动力电池质量的关键性因素。⑤功率密度高。为了使电动汽车在加速行驶、爬坡能力和负载行驶等方面能与燃油汽车相竞争,就要求电池具有高的功率密度。⑥能量密度高。为了提高电动汽车的续航里程,要求电动汽车上的动力电池尽可能储存多的能量,但电动汽车又不能太重,其安装电池的空间也有限,这就要求电池具有高的能量密度。⑦安全性高。电池不能引起自燃或燃烧,在发生碰撞等交通事故时,不能对乘员造成二次伤害。

2 电动汽车常用的动力电池

目前电动汽车上最常用的动力电池是镍氢电池和锂离子电池,其中锂离子电池凭借能量密度高、循环使用寿命长等特点,迅速占据了电动汽车电池市场的绝大部分份额。电动汽车使用的锂离子电池主要是磷酸铁锂电池和三元锂电池两种。这两种电池的特点存在显著差异。

2.1 磷酸铁锂电池 磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池,其特点如下:首先,磷酸铁锂电池具有良好的安全性。当电池内外部结构遭到破坏,也不会发生燃烧或爆炸;其次,循环寿命长,磷酸铁锂电池的循环寿命可达到2000次以上,使用时间可达到7-8年;再次,无记忆效应。镍氢、镍镉电池若经常处于充满不放完的条件下工作,容量会迅速低于额定容量值,这种现象叫做记忆效应。磷酸铁锂电池无此现象,电池无论处于什么状态,可随充随用,无需先放完再充电。除了以上优点,磷酸铁锂电池也存在能量密度相对较低的这一缺点,在相同质量下,其续航里程不及三元锂电池,这也是限制其发展的一个重要因素。

磷酸铁锂电池由于其良好的安全性以及循环寿命长的优势,被广泛应用于公共交通工具中,如出租车、公交车等。为了改善磷酸铁锂电池能量密度低的劣势,比亚迪公司研制出了“刀片电池”,其质量能量密度达到了140Wh/Kg,相比于传统磷酸铁锂电池提升了9%,体积能量密度也提升了50%,与此同时,其成本却下降了20%-30%。根据比亚迪公司公布的数据显示,搭载“刀片电池”的汉EV车型续航里程能够达到605公里,电池寿命达到8年以上,累计可以行驶120万公里。

2.2 三元锂电池 三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂作为正极材料的锂离子电池,其特点如下:首先,能量密度高。具有相同质量的三元锂电池的能量密度是磷酸铁锂电池的1.7-2.2倍;其次,低温性能良好。在低温条件下,三元锂电池的容量和能量保持率都比磷酸铁锂电池有优势。再次,体积小。具有相同能量的三元锂电池与磷酸铁锂电池,前者的体积仅为后者的60%左右。除了以上优点,三元锂电池存在安全性能相对较差的缺点,三元锂电池的正极材料在200℃就会发生分解,内部的化学反应会引起电解液材料的剧烈燃烧。近年来,发生了数起由于三元锂电池受到撞击或其他原因导致整车自燃的安全事故。这也让公众对三元锂电池的安全性产生了担忧。

三元锂电池因其能量密度高、体积小等优势,被广泛应用于电动乘用车中。为解决三元锂电池安全性欠佳的问题,人们尝试在电池内部安装阻断结构,设计出功能更为完善的电池热管理系统来检测电池温度,并且在电极材料以及电解液方面进行更深入的研究。

3 电池管理系统

电池管理系统(BMS)是连接动力电池和电动汽车的纽带,其精准的控制和管理为动力电池的应用保驾护航。BMS能够对电池组和单体电池进行电流、电压、容量等参数的数据采集;能够对电池的剩余电量进行估计;能够对充放电过程进行监控和管理;能够进行安全管理,防止电池过度充电或过度放电;能够对电池系统进行热管理,保证各个单体电池温度均衡;能够通过CAN总线与车载或非车载设备进行信息通信和数据交换。能够对动力电池的历史故障进行存储,有利于对故障的分析。能够对单体电池间的性能进行均衡,保证系统的正常工作;能够与车辆检测仪器进行通信,以诊断故障,方便对车辆进行维修。

4 结语

能源危机和环境污染问题越来越被人们重视,以电动汽车为代表的新能源汽车成为汽车工业的发展方向。传统动力电池成本高、能量密度低,无法满足人们对电动汽车高续航里程的要求,所以动力电池作为电动汽车的关键技术,一直是研究的热点。我们相信随着科研人员的不懈努力,电动汽车终将伴随动力电池技术瓶颈的突破而获得更加快速的发展。