一文看懂电动汽车关键技术之动力电池族谱

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新能源汽车发展得如火如荼的今天,相信大家都对纯电动汽车的商家如数家珍,比如国外品牌比较出名的有特斯拉电动汽车、宝马i3等、国内新能源汽车有号称电动汽车领头羊的比亚迪纯电动汽车、还有吉利纯电动汽车及奇瑞电动汽车等。但是,电动汽车最为关键的核心部件——动力电池,大家又了解多少呢?

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关于动力电池,由于内容比较多,我们这里先介绍动力电池的类型、关键性能指标以及三种典型动力电池。

1、动力电池的类型

从系统的角度来说,电池分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。

对于我们比较熟悉的化学电池,则是按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉镍氢系列、铅酸系列、锂电池系列等,也就是铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等目前车辆比较常用的动力电池。

另外,物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池,如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。生物电池是利用生物化学反应发电的电池,如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。

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2、动力电池的关键性能指标

电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等,根据电池种类不同,其性能指标也有差异。

这么多个性能指标,我们这里暂且介绍一下电压、容量、能量以及功率。

• 电压

首先,我们介绍一下电池的电压,因为可以电池的电压的大小,判断我们的电池的电量状态。所以电池电压是非常关键的一个性能指标,那么电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压。这么多电压我们看一下是什么意思。

那么工作电压与开路电压的关系又是什么呢?在电池放电工作状态下,当电流流过电池内部时,需要克服电池的内阻所造成阻力,故工作电压总是低于开路电压,充电时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。

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• 容量

电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量。常用单位为安培小时,它等于放电电流与放电时间的乘积。可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容量等。

例如,锂离子电池规定在常温、恒流(1C)、恒压(4.2V)控制的充电条件下,充电3h、再以0.2C放电至2.75V时,所放出的电量为其额定容量。

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• 能量

电池的能量是指在一定放电制度下,电池所能输出的电能,单位是Wh或kWh。它影响电动汽车的行驶距离。能量分为理论能量、实际能量、比能量和能量密度。

比能量也称质量比能量,是指电池单位质量所能输出的电能,单位是Wh/kg,常用比能量来比较不同的电池系统,影响电动汽车整车质量和续驶里程的重要指标。而能量密度也称体积比能量,是指电池单位体积所能输出的电能,单位是Wh/L,则影响蓄电池的布置空间。

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• 功率

电池的功率是指电池在一定放电制度下,单位时间内所输出能量的大小,单位为W或kW。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。

比功率是影响电动汽车加速和爬坡能力等动力性的重要指标,而且需要注意的是:与蓄电池放电深度DOD密切相关,在表示蓄电池比功率时要指出蓄电池DOD。

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3、典型动力电池介绍

鉴于上述那么多种动力电池,我们挑选三种车辆比较常见或常用的动力电池来介绍

• 铅酸动力电池

铅酸蓄电池自1859年发明以来,其使用和发展已有100多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源。电动汽车用铅酸蓄电池要用于给电动汽车提供动力,它的主要发展方向是提高比能量,增大循环使用寿命。

铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力电源在比能量、深放电循环寿命、快速充电等方面均比镍氢电池、锂离子电池差,不适合于电动轿车。但由于其价格低廉,国内外将它的应用定位在速度不高、路线固定、充电站设立容易规划的车辆和作为起动机和电子电器设备的电源。目前一般用于高尔球场的转用车或者低速电动汽车上,例如:力帆320e、唐骏王子、道爵开拓者、宏瑞h3等。

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• 镍氢动力电池

德国Varta公司开发的超高功率镍氢电池(HEV-10 UHP cells)功率密度已达到1000W/kg,但其比能量仅为40Wh/kg。 法国Saft公司的4/5SF型(Φ41mm×93mm)高功率镍氢电池容量为14Ah, 比能量为47Wh/kg,80%充电态对应的比功率为900 W/kg,体积比功率达2500W/l。

我国也有很多单位一直从事混合动力汽车用镍氢电池的研究(90年代初)。中科院上海微系统与信息技术研究所长期从事镍氢电池及相关材料的研究和开发,北京有色总院、中山电池公司、湖南神舟科技、春兰集团、鞍山三普等单位均从不同角度做过大量积极有益的工作,取得了很大的进展。

目前占世界民用电池市场的22%。镍氢电池多用于混合动力客车,如东风、五洲龙等。

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• 锂离子动力电池

按照锂离子电池正极的材料不同,可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池;

按照锂离子电池外形形状,可以分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池、纽扣锂离子电池以及薄膜离子电池。

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锂离子电池有许多显著特点,它的优点主要表现为:

(1) 工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6V,是镍氢和镍镉电池工作电压的3倍。比能量高。锂离子电池比能量已达到150Wh/kg,是镍镉电池的3倍,镍氢电池的1.5倍。

(2) 循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上,在低放电深度下可达几万次,超过了其它几种二次电池。自放电率低。锂离子电池月自放电率仅为6~8%,远低于镍镉电池(25~30%)和镍氢电池(15~20%)。

(3) 无记忆性。可以根据要求随时充电,而不会降低电池性能。对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质,是名副其实的“绿色电池”。能够制造成任意形状。

那么将锂离子电池的优点发挥到淋漓尽致的代表,应该非特斯拉莫属了。

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锂离子电池也有一定不足,主要表现在:

(1) 成本高。主要是正极材料LiCoO2的价格高,但按单位瓦时的价格来计算,已经低于镍氢电池,与镍镉电池持平,但高于铅酸蓄电池。

(2) 必须有特殊的保护电路,以防止过充。

最后,将与镍镉(Ni/Cd)、镍氢(Ni/MH)电池相比,锂离子电池的主要特点总结如下:

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