電動汽車動力電池及其充電技術

中心議題：

鉛酸電池及其充電技術

鋰離子電池及其充電技術

摘要：電動汽車動力電池由鉛酸電池、氫鎳電池、燃料電池，發(fā)展到鋰離子電池?？s短動力電池的充電時間，增加動力電池的充電容量是充電的關鍵技術。

動力電池是電動汽車的關鍵技術之一。1881年特魯夫(Gustave Trouve)制造出世界上第一輛電動三輪車時，使用的是鉛酸電池。目前，仍有不少混合動力汽車和純電動汽車采用新一代鉛酸電池。近十多年來，鋰離子動力電池在電動汽車生產(chǎn)中得到應用，越來越顯示出其優(yōu)越性。

美國學者麥斯J.A.Mas通過大量實驗提出電池充電可接受的電流定理：1)對于任何給定的放電電流，電池的充電接受電流與放出容量的平方根成正比;2)對于任何放電深度，一個電池的充電接受比與放電電流的對數(shù)成正比，可以通過提高放電電流來增大充電接受比;3)一個電池經(jīng)幾種放電率放電，其接受電流是各放電率接受電流之總和。也就是說，可以通過放電來提高蓄電池的充電可接受電流。在蓄電池充電接受能力下降時，可以在充電的過程中加入放電來提高接受能力。

汽車動力電池的性能和壽命與很多因素有關，除了其自身的參數(shù)，如電池的極板質(zhì)量、電解質(zhì)的濃度等外; 還有外部因素，如電池的充放電參數(shù)，包括充電方式、充電結(jié)束電壓、充放電的電流、放電深度等等 。這給電池管理系統(tǒng)BMS估計蓄電池的實際容量和SOC帶來很多困難，需要考慮到很多的變量。WG6120HD混合動力電動汽車的電池管理系統(tǒng)是建立在SOC數(shù)值的管理上。SOC (state of charge)指的是電池內(nèi)部參加反應的電荷參數(shù)的變化狀態(tài)，反映蓄電池的剩余容量狀況.這在國內(nèi)外都已經(jīng)形成統(tǒng)一認識.

1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池是一個很復雜的化學反應系統(tǒng)。充放電電流的大小和它工作溫度等外部因素都會影響蓄電池的性能。計算電池的SOC值，并根據(jù)汽車的運行狀態(tài)以及其它的參數(shù)來確定汽車的運行模式，是電動汽車的一項關鍵技術。

鉛酸蓄電池的應用歷史最長，也是最成熟、成本售價最低廉的蓄電池，已實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。但它比能量低，自放電率高，循環(huán)壽命低。當前存在的主要問題是其一次充電的行程短。近期開發(fā)的第三代圓柱型密封鉛酸蓄電池和第四代TMF(箔式卷狀電極)密封鉛酸蓄電池已經(jīng)應用于EV和HEV電動汽車上。尤其是第三代VRLA蓄電池的低阻抗優(yōu)點可以控制快速充電過程中的歐姆熱，延長電池的壽命。

脈沖分階段恒流快速充電方法能很好地適應混合動力汽車鉛酸蓄電池在變電流放電狀態(tài)下，充電時間短，使蓄電池荷電狀態(tài) SOC 始終保持在 50%-80%范圍內(nèi)的要求。試驗表明，只需要 196 秒，就可以使蓄電池電量從 50%C 充到 80%C。這種充電方法基本滿足了蓄電池的接受曲線，蓄電池的溫升較小，產(chǎn)生氣體少，壓力效應不大，而且充電時間短。

最優(yōu)的充電方式是充電電流始終遵循固有充電接受曲線，在充電過程中，充電接受率保持不變，隨著時間的增加，充電電流按固有充電接受曲線遞減(指數(shù)曲線遞減)，這樣充電時間最短。脈沖去極化充電方法能實現(xiàn)快速、高效率充電，但設備昂貴，對某些蓄電池不適用。

日本公司開發(fā)的電動汽車用新型VRLA蓄電池，其電壓規(guī)格有單體2V和4V，采用貧液式和極板水平設計.飯板間的間距很小，不會出現(xiàn)電解液分層，脫落物質(zhì)向下移動有極板擋住，電池底部無脫落物堆積。

Ectreosorce公司的12V l12A·h電動汽車用水平蓄電池，其用3小時率放電質(zhì)量比能量為50W·11/kg，80%Ⅸ)D(放電深度)的循環(huán)壽命大于900次。

德國陽光公司的電動汽車用鉛酸蓄電池采用膠體電解質(zhì)設計，經(jīng)檢測其6V、160A·h電池的預期壽命可達到4年，具有熱容量大、溫升小等優(yōu)點.

美國Arias公司于1994年推出雙極性電動車用鉛酸蓄電池，其結(jié)構技術獨特。這種電池的工作電流只垂直于電極平面而通過薄的雙電極，所以具有極小的歐姆電阻。美國BPC公司開發(fā)的雙極性電動車用鉛酸蓄電池技術參數(shù)為：組合電壓為180V，電池容量為60A·h，放電率比能量為50W·h/kg，循環(huán)壽命可達到1000次。

瑞典OPTLMA公司推出的卷式電動車用鉛酸蓄電池，產(chǎn)品容量為56A·h，啟動功率可達到95kW，比普通的195A·h的VRLA蓄電池啟動功率還要大，而體積小四分之一。

2 鋰離子電池

鋰離子電池的特性和價格都與它的正極材料密切相關，一般而言，正極材料應滿足：⑴在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學相容性;⑵溫和的電極過程動力學;⑶高度可逆性;⑷全鋰狀態(tài)下在空氣中穩(wěn)定性能好。隨著鋰離子電池的發(fā)展，高性能、低成本的正極材料研究工作在不斷地進行。目前，研究主要集中于鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物和鋰錳氧化物等鋰的過渡金屬氧化物鋰鈷氧化物(LiCoO2)屬于 -NaFeO2 型結(jié)構，具有二維層狀結(jié)構，適宜鋰離子的脫嵌.其制備工藝較為簡便、性能穩(wěn)定、比容量高、循環(huán)性能好，其合成方法主要有高溫固相合成法和低溫固相合成法，還有草酸沉淀法、溶膠凝膠法、冷熱法、有機混合法等軟化學方法。鋰錳氧化物是傳統(tǒng)正極材料的改性物，目前應用較多的是尖晶石型 LixMn2O4，它具有三維隧道結(jié)構，更適宜鋰離子的脫嵌。鋰錳氧化物原料豐富、成本低廉、無污染、耐過充性及熱安全性更好，對電池的安全保護裝置要求相對較低，被認為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池正極材料。

20 世紀 90 年代，日本索尼公司首先研制成功電動汽車用鋰電池，當時使用的是鈷酸鋰材料，存在著易燃易爆的缺點。目前中國信國安盟固利電源等公司研制出以錳酸鋰為正極材料的 100Ah 動力鋰電池，解決了鈷酸鋰電池的不足。

截至 2006 年 10 月為止，全球已有 20 余家汽車公司進行鋰離子電池研發(fā)。如富士重工與 NEC 合作開發(fā)廉價的單體(Cell)錳系鋰離子電池(即錳酸鋰電池)，在車載環(huán)境下的壽命高達 12 年、10 萬公里，與純電動汽車的整車壽命相當。東芝開發(fā)的可快速充電鋰離子電池組，除了小型、大容量的特點之外，采用了能使納米級微粒均一化固定技術，可使鋰離子均勻地吸附在蓄電池負極上，能在一分鐘之內(nèi)充電至其容量的 80%，再經(jīng) 6 分鐘便可充滿電。美國的主要電池廠 Johnson Controls 針對電動汽車需求特性的鋰離子電池于 2005 年 9 月在威斯康星州 Milwaukee 設立研發(fā)地點，2006 年 1 月另出資 50%與法國電池廠 Saft 共同成立 Johnson Controls-Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于 2006 年 8 月承接了美國能源部(DOE)所主導 2 年 USABC(United States Advanced Battery Consortium)純電動車鋰離子電池研發(fā)計劃合約，提供高功率鋰離子電池。我國在鋰離子電池方面的研究水平，有多項指標超過了USABC提出的2010年長期指標所規(guī)定的目標。從 1997 年開始產(chǎn)業(yè)化試驗的蘇州星恒作為國家鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)化示范工程項目基地 ，其研發(fā)的動力電池組已通過美國 UL 和歐盟獨立組織 Extra Energy 的測試認證，并在蘇州建成第一條動力鋰離子電池的生產(chǎn)線并順利試產(chǎn)，目前已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2008 年北京奧運會期間，有 50 輛長 12 米的鋰離子電動客車在奧運中心區(qū)服務，這是國際上第一次大規(guī)模使用鋰離子電池電動客車。電動大客車充電時間長，是這樣保證電動汽車運行不脫節(jié)的：電動汽車駛?cè)氤潆娬荆瑑芍粰C械手將汽車底盤里的電池組取出，放入待充通道，隨即從已充通道取下充滿電的電池組，將其換入電動汽車的底盤中，整個過程只需要 8 分鐘左右。

法國雪鐵龍、雷諾、標致汽車公司采用鋰離子動力電池的電動商用車已完成用戶測試運行。波爾多是法國電動汽車示范應用城市之一，有各類電動汽車 500 輛，主要應用于市政用車和電動小巴，并建有 20 個擁有電動汽車配套充電設施的停車場，其中有 16 個配置了快速充電裝置.鋰電池的充電過程與鉛酸蓄電池不同。鋰聚合物(Lipo)充電器的集成塊，外部元件極少，由于集成塊本身極小(2mm×3mm)，因此整個充電器也非常小。Lipo電池的充電過程是：當電池電壓非常低(0.5V) 時，用小電流充電，此電流的典型值小于0.1C (此處C是標稱電池容量)，若電壓已足夠高，但低于4.2V，就用恒定電流對電池充電，多數(shù)廠家會指定在這一過程中1C的電流，電池上的電壓不會超過4.2V，在恒定電壓期間，經(jīng)過電池的電流會緩慢下降，而電池的充電繼續(xù)進行。電池電壓達到4.2V，充電電流降到0.1C時，電池約充到80~90%，再轉(zhuǎn)變成對電池涓流充電。有兩個參數(shù)在充電器中可以調(diào)整，即正常的充電電流和涓流充電電流(當電池充滿時)。要注意的是選擇充電電流要謹慎，應保持充電電流低于廠家推薦的最大值。

法國電動汽車動力電池目前的使用以鉛酸蓄電池為主，第二代鋰離子電動汽車已經(jīng)投入測試運行。其電動汽車充電裝置采用傳導充電方式。傳導式充電方式包括常規(guī)充電裝置和快速充電裝置兩大類。常規(guī)充電由充電設施提供標準的民用交流電源接口，有簡單的漏電保護功能，為具有車載充電器的電動汽車充電，要 6∼7 小時完成充電，應用較多?？焖俪潆娪沙潆姍C提供直流輸出為電動汽車進行快速充電，一

輛殘余電量 25%的電動小汽車，25 分鐘可完成充電，快速充電應用較少，主要用于行業(yè)用戶和街頭應急。

充電設施具有統(tǒng)一的充電接口，標準的交流電源接口是重要技術方向之一。采用普通家用插座加上一根帶專用插頭的充電專用電纜，就可為配有車載充電機的電動汽車提供交流電源。

鋰離子動力電池技術還有待進一步發(fā)展。(1)目前各企業(yè)所公布的大部分純電動汽車鋰離子電池是實驗室測試數(shù)據(jù)，如加速性能、充電時間、持續(xù)里程數(shù)等，還須在復雜的外部環(huán)境實際運行下，進一步驗證其可靠性，以及生產(chǎn)批量化質(zhì)量控制。(2)鋰離子電池所需隔膜材料未能有實質(zhì)性的突破，且價格昂貴，占 到動力電池成本的 30%以上。如果在這一材料上實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)技術，即可大幅度降低成本。