电动汽车用动力蓄电池技术现状

　　摘要：蓄电池及其管理系统是影响和决定电动汽车性能指标的关键技术之一，本文首先简述了电动汽车用蓄电池的发展现状，然后分析了电动汽车及混合动力电动汽车对动力电池组的选型要求，随后着重介绍了蓄电池管理系统的关键技术，最后对电动汽车用蓄电池技术的前景进行了展望。
　　关键词：电动汽车;蓄电池;关键技术
　　蓄电池是电动汽车的主要储能装置之一，也是决定电动汽车续驶里程以及衡量车辆性能的重要指标之一。世界各国都在研发满足整车要求的、可靠性高的蓄电池。蓄电池的主要性能(能量密度、功率密度、安全性、循环寿命、温度特性等)影响着其发展[1]。
　　1.电动汽车用蓄电池发展现状
　　应用于电动汽车(纯电动汽车、混合电动汽车等)的动力电池发展历经三代：1)铅酸蓄电池2)碱性蓄电池，包括镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等3)燃料电池。燃料电池的发展最有前景，但技术上还不太成熟，有待进一步研究。因此，蓄电池凭借着其技术成熟、安全耐用、价格低廉等优势，依旧是目前电动汽车动力装置的主要选择。
　　铅酸蓄电池作为电动车的第一代电源，虽尚有许多不足，但是由于应用历史最长，成本售价低廉，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地[2]。铅酸蓄电池性能可靠，寿命长维护方便，铅原料充足，但其比能量低，输出波动大，低温性能差，充电时间长。随着电动汽车用动力蓄电池技术的不断发展，铅酸蓄电池必将逐步被众多新型高性能的蓄电池所淘汰。
　　镍氢电池是目前人们看好的第二代电池之一，它将逐步取代铅酸电池的产品。镍氢电池的能量密度和功率密度远远超过于铅酸电池，所以日益应用到电动汽车上。镍氢电池的主要优点是：比能量高(一次充电可行使的距离长);比功率高，在大电流工作时也能平稳放电(加速爬坡能力好);低温放电性能好;循环寿命长;安全可靠，免维护;对环境不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是Ni-MH蓄电池成本太高，价格昂贵。
　　锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。锂元素是紧随氢和氦之后第三种最轻的元素，它具有最低的负电动式，而且锂离子电池的化学反应过程对活性材料的应力小。锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成二次污染，容易被政府环保部门接受，并且它储能特性好，所以说锂离子电池在各种动力电池中最具发展潜力，它将逐步取代镍氢电池，成为电动汽车用动力蓄电池的主流[3]。美国、日本等汽车发达国家对锂离子电池的研究工作都给予了更多的重视与投入。
　　常用的蓄电池种类的性能指标如表1[2]。

	Pd-acid	Ni-Cd	Ni-Fe	Ni-Zn	Ni-MH	Na-S	Li-ion
比能量（Wh/Kg）	35	55	57	70	60 - 70	100	100
功率(W/Kg)	130	170	130	180	170	150	300
循环寿命(次)	400-600	500以上	800-1000	200-300	1000以上	350	1200
优点	廉价可靠性高	比能量较高寿命长耐过充放性好	比能量较高寿命长耐过充放性好	比能量高功率大	比能量高寿命长	比能量高	比能量高电压高
缺点	比能量较低耐过充放性差	Cd有毒性价高高温充电性差	需经常补水价高充电效率低	寿命短价高高温充电性差	价高高温充电性差	高温工作稳定	价高安全性问题
现状	部分达实用化	部分达实用化	实用试验中	实用试验中	实用试验中	实用试验中	开发实用试验中

　　2. 电动汽车对动力电池组的要求
　　蓄电池可以适用于纯电动汽车(EV)以及混合动力电动汽车(HEV)。EV和HEV对动力电池组的工作要求有所不同。
　　2.1 EV对蓄电池的工作要求
　　EV是仅由动力蓄电池组提供电能驱动行驶的车辆，由于蓄电池组是EV的唯一储能装置，因此EV动力蓄电池组要有足够的能量和容量，而且要具有深度放电能力，在必要时能够实现满负荷功率和全放电。EV的动力电池组必须进行周期性的充电，因此高效率充电装置和快速充电装置是很必要的[1]。
　　2.2 HEV对蓄电池的工作要求
　　与EV相比，HEV对动力蓄电池组的容量要求有所降低，但要能够根据整车要求实时提供更大的瞬时功率。对于不同结构的HEV，由于工作环境、工作模式的复杂性等对动力蓄电池组提出统一的要求是比较困难的，但一些共性要求可以归纳如下：
　　(1) 蓄电池组的峰值功率要大，能短时大功率充放电。
　　(2) 循环寿命要长，达到1000次上的深度放电循环和40万次以上的浅度放电循环。
　　(3) 电池的荷电状态(State of Charge, SOC)应尽可能保持在50%-85%的范围内。
　　(4) 需要配备电池管理系统和热管理系统[1]。
　　3.电池管理系统关键技术
　　除了和电池本身性能表现外，电池管理系统(Battery Management System，BMS)是电动汽车绝不可少的核心系统。BMS是联系蓄电池组和整车之间的重要桥梁，主要是为了能够提高电池的利用率与使用率，防止电池本身出现过充电和过放电，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命，与此同时BMS还监测电池的使用状态，从而对蓄电池组进行安全监控和有效管理。实现这个过程需要运用很多技术，如数据采集、剩余容量的估算、热管理技术、均衡充电、安全管理和实时通信技术等，以下将对几个关键技术进行介绍。
　　3.1 SOC估计
　　SOC是用于描述电池剩余电量的参数，是电池使用过程中的重要参数。早期电动汽车用动力蓄电池主要用电压作为限制条件来防止过充或过放，而目前这已经不能满足电动汽车的发展要求。一方面，电动汽车要求准确估计电池SOC，从充分发挥电池能力和提高安全性两个角度对电池进行高效管理，以进一步提高整车性能。另一方面，电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性，使准确估计SOC具有很大难度。两方面的结合，促使电动汽车电池SOC估计的研究工作不断开展，与此同时新方法也不断出现[4]。
　　传统的SOC基本估算方法有开路电压法、内阻法等。开路电压法适用于测试稳定状态下的电池SOC，在电动汽车行驶过程中不宜单独使用。开路电压法通常用作其它算法的补充。内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。但电池的内阻受多方面的因素影响，测量结果易受干扰，可信度不高。再加上这种方法比较复杂，计算量大，因此在实际应用中比较困难[4]。
　　3.2 热管理技术
　　热管理是BMS的重要组成部分，主要任务是使电池工作在适宜温度范围内,提高能量效率，确保电池的安全性，稳定电池的工作性能。
　　热管理系统中最关键的技术有三点，确定电池最优工作温度范围，电池热场计算及温度预测以及传热介质的选择。[5]按照采用的传热介质来分类， 热管理系统可以分为：空气冷却、液体介质冷却和采用相变材料冷却的热管理系统。[6]空气冷却是目前电动汽车电池组最常用的散热方式。
　　随着蓄电池组在电动汽车中扮演着越来越重要的角色，电池热环境的恶化与对电池性能的要求越来越苛刻的矛盾日益突出，研制高效的冷却系统迫在眉睫。热管理系统目前还存在不少值得研究的问题，现有车辆上的蓄电池散热多为仅考虑外部散热结构，很少将电池内部传热特性与外部散热过程耦合分析，而这是从根本上控制电池，散热带来的负面影响的有效途径。另外，如何利用电池导出的废热，与发动机产生的废热一起，加以回收利用，用于车用空调系统，也是将来电池热管理发展的一个方向。
　　3.3 均衡充电技术
　　均衡充电技术也就是为单体电池均衡的充电，其作用在于使电池组内每一个电池都可以达到均衡一致的稳定平稳状态。均衡技术是目前世界各国都在致力研究与大力开发的一项电池能量管理系统的关键技术。
　　从均衡结构形式来分，常用的均衡充电有集中均衡和独立均衡两种。集中均衡充电通过均衡控制单元，控制继电器网络的切换实现同一个均衡充电单元对不同单体电池进行均衡充电的控制。这种方法充电硬件设备简单，但继电器网络控制逻辑要求高，每次只能给电池组内的一只电池进行均衡充电，均衡效率低。独立均衡充电有若干均衡充电单元，通过分布的均衡控制单元控制每个均衡充电单元对一节电池或一组电池进行均衡充电。与集中均衡充电相比硬件复杂，设备成本高，但是均衡充电的自动化程度高，控制灵活，可以同时对多只电池进行均衡化处理。动力蓄电池组均衡充电具有三种方式：充电结束后实现单体电池间的自动均衡、充电过程中实现单体电池间的自动均衡及采用辅助管理装置，对单个电池的电流进行调整。
　　BMS作为电动汽车关键的技术之一，与其他技术相比，还有很大发展空间，尤其是在采集数据的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面，都有待进一步研究和改进。
　　4、电动汽车用动力蓄电池技术前景展望
　　对于各种动力蓄电池，暂时还无法断言哪一种一定会取得未来动力电源市场的主导地位，但可以对各种动力蓄电池的发展力和前景进行展望。镍氢电池和锂离子电池凭借着它们领先的技术指标，现已逐步取代之前的铅酸电池成为电动汽车用蓄电池的主体。锂离子是最有可能在可外接充电式混合动力汽车上实现商业化应用的蓄电池。
　　5.结语
　　当前电动汽车技术正处于发展高潮，由于电动汽车技术的全面发展，最应提高的就是存储技术。性能、成本、寿命、可靠性和价格等将成为动力电池能否占据市场的主要因素。随着存储技术的发展和突破，具有高能量密度、高功率密度、较好的充放电性能、较长的循环寿命以及高安全性等优秀性能的汽车用动力电池定会实现商品化。
　　参考文献
　　[1] 陈全世，朱家琏，田光宇.先进电动汽车技术[M].化学工业出版社，2007
　　[2] 苏光耀，高德淑.电动车用大型蓄电池研究概况[J]
　　[3] 吴憩棠，安富强.锂离子蓄电池的未来发展方向[J].新能源汽车，2011
　　[4] 林成涛，王军平，陈世全.电动汽车SOC估计原理与应用.电池[J]， 2004,10
　　[5] 付正阳，林成涛，陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术.公路交通科技[J]，2008,3 第25期
　　[6] 张国庆，马莉，张海燕.HEV电池产热行为及电池热管理技术.广东工业大学学报，2008,3

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文章名称： 电动汽车用动力蓄电池技术现状

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