付甜甜

汽車電池系統(tǒng)綜述

內(nèi)燃機(jī)汽車的心臟是動力系統(tǒng)，但是新能源車的心臟則是電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到車的行駛里程、使用便利性等情況，而目前新能源動力車型最大的技術(shù)瓶頸也恰恰限制在了電池系統(tǒng)上，比如充電時(shí)間、充電效率、能量密度以及體積、材質(zhì)、安全或者質(zhì)量等等。

新能源汽車所使用的電池主要分為三大類，即化學(xué)電池、物理電池以及生物電池。我們目前最常見的汽車用電池有鉛酸蓄電池、氫鎳電池、鋰離子電池、燃料電池等等。

鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池發(fā)明以來，其使用和發(fā)展已有100多年的歷史，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車的動力端，而新能源車所使用的鉛酸蓄電池因?yàn)樾枰獮檐囕v提供動力，所以它的主要發(fā)展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用壽命。鉛酸蓄電池是最成熟的新能源電池系統(tǒng)，1881年，世界第一輛電動三輪車使用的就是鉛酸蓄電池，由于鉛酸蓄電池成熟、可靠性好、原材料價(jià)格低廉，同時(shí)比功率也基本上可以滿足電動驅(qū)動的動力要求，所以在新能源汽車中廣泛應(yīng)用。

鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：

(1)在常用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓較高，為2.0 V；

(2)制造成本低；

(3)可以做成各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；

(4)高倍率放電性能良好，可用于發(fā)動機(jī)啟動；

(5)電能效率可以達(dá)到60%；

(6)高低溫性能良好；

(7)易于浮充使用，沒有“記憶”效應(yīng)，且易于識別荷電狀態(tài)。

鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)：

(1)比能量低，在新能源車中所需要占用的整體質(zhì)量以及體積比較大，一次充電可行駛的里程比較短；

(2)使用壽命短，且后期使用成本高；

(3)充電時(shí)間長；

(4)鉛是重金屬，存在污染。

氫鎳電池

氫鎳電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型電池，其正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)則由氫合金支撐，屬堿性電池。氫鎳電池屬于一種綠色能源電池，目前很多新能源動力車型所使用的電池組都會選擇氫鎳電池。如右圖的大眾Hybird版途銳。

氫鎳電池的特點(diǎn)：

(1)比功率高；

(2)循環(huán)次數(shù)多，目前應(yīng)用在電動車輛上的氫鎳動力電池組，80%放電深度循環(huán)可以達(dá)到1000次以上，為鉛酸電池的三倍以上，100%DOD循環(huán)壽命也在500次以上，在混合動力汽車上可以使用五年以上；

(3)無污染，氫鎳電池不含鉛、鎘等對人體有害的金屬；

(4)耐過充過放，無記憶效應(yīng)；

(5)使用溫度范圍寬；

(6)安全，可以抵抗短路、擠壓、針刺、跌落、加熱、震動等情況，且不會發(fā)生爆炸或者燃燒現(xiàn)象。

鋰離子電池

鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場，是目前世界上最新一代的充電電池系統(tǒng)。相比較氫鎳電池，混合動力汽車采用鋰離子電池，可使電池系統(tǒng)的質(zhì)量下降40%~50%、體積減小20%～30%，能源效率大幅提升?，F(xiàn)今大部分新能源車采用鋰離子電池來提供動力，如BMW i3、特斯拉Model S等。

鋰離子電池按照不同的正極材料可以分為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及鎳鈷鋰電池等，而現(xiàn)在大多數(shù)新能源車型所使用的第二代電池組為磷酸鐵鋰電池，也是未來鋰離子電池的發(fā)展方向所在。

大眾的Hybrid 版途銳所使用的氫鎳電池

鋰離子電池優(yōu)點(diǎn):

(1)工作電壓高，是氫鎳、鎘鎳電池工作電壓的3倍；

(2)比能量高，是鎘鎳電池三倍，氫鎳電池1.5倍；

(3)循環(huán)壽命長，其循環(huán)壽命可以達(dá)到千次以上，在低放電深度下可以達(dá)到幾萬次，超過了其它幾種二次電池；

(4)自放電率低，鋰離子電池的自放電率僅為6%～8%，遠(yuǎn)低于鎘鎳電池和氫鎳電池。

(5)無記憶性、無污染、隨意塑形。

鋰離子電池缺點(diǎn):

(1)成本高，低于氫鎳電池，與鎘鎳電池持平，但高于鉛酸蓄電池。

(2)必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充現(xiàn)象。

燃料電池

燃料電池是一種化學(xué)電池，直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能，工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活性物質(zhì)(起反應(yīng)的物質(zhì))——燃料和氧化劑。燃料電池的發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過程動力學(xué)、材料科學(xué)、化工過程和自動化等學(xué)科為基礎(chǔ)的。最早的燃料電池是在1839年格洛夫使用電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣而制造成功的。

燃料 電池優(yōu)缺點(diǎn):

燃料電池并不是純粹意義上的電池，而是一個輸送電能的“發(fā)動機(jī)”，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能后輸送給電池，然后再將電能輸送給電動機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)多于缺點(diǎn)：

(1)能量轉(zhuǎn)換的效率更高；

(2)無污染；

(3)結(jié)構(gòu)簡單。燃料電池車(質(zhì)子交換膜燃料電池)的電池模塊是一種積木化的結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝以及維護(hù)都非常方便，在運(yùn)行中的噪音也會更低；

(4)氫能來源充分。氫是一種來源非常廣泛的能源，且是一種可再生資源。

缺點(diǎn)同樣存在：成本非常高，同時(shí)對氫的純凈度要求非常高，由于氫屬于活性物質(zhì)，所以對于其儲存器具的要求也頗為嚴(yán)苛。

新能源車對于電池系統(tǒng)的要求

就像內(nèi)燃機(jī)車對于發(fā)動機(jī)的各種要求，新能源車對于電池組也有著苛刻的要求，而這幾項(xiàng)要求則直接關(guān)系到了新能源車在電動驅(qū)動方面的效能等問題：

(1)比能量。為了提高電驅(qū)動的續(xù)航里程，要求汽車上動力電池需要最大限度的存儲能量，但其前提是不能過多增加車體自重、占用空間，所以需要電池組有很高的比能量。

(2)比功率。為了能使電驅(qū)動的加速性能、爬坡性能以及負(fù)載性能與內(nèi)燃機(jī)車相提并論，所以對于電池組的比功率會有很高的要求。

(3)充放電效率。電池中能量必須經(jīng)過充電-放電-充電的循環(huán)，高充放電效率對于電驅(qū)動的行駛效率有著至關(guān)重要的作用。

(4)穩(wěn)定性。電池組應(yīng)當(dāng)在快速充電和放電的往復(fù)工況中保持性能的穩(wěn)定性，使其在動力系統(tǒng)使用條件下能達(dá)到足夠的放電循環(huán)次數(shù)。

(5)成本。除了降低電池的初始購買成本，還要提高電池的使用壽命。

(6)安全性。電池不能自燃或者引起燃燒，同時(shí)在發(fā)生車輛碰撞的時(shí)候，不會對駕乘人員造成人身傷害。

新能源汽車電池充電方式

(1)常規(guī)充電方式：此類充電方式是采用恒壓、恒流的傳統(tǒng)方式對汽車電池進(jìn)行充電。這種方式以相當(dāng)?shù)偷某潆婋娏鳛樾铍姵爻潆?，電流大小約為15 A，若以120 Ah的蓄電池為例，充電至少要持續(xù)8個小時(shí)以上。這種充電方式是目前比較常見的電動車充電模式，成本低且工作穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是充電速率較慢。

(2)快速充電方式：以150～400 A的高充電電流在短時(shí)間內(nèi)為蓄電池充電，與常規(guī)充電方式相比，其制造以及安裝成本更高，主要目的是在短時(shí)間內(nèi)給電動車完全充電。雖然充電速度加快，但是因?yàn)樵诳焖俪潆娺^程中，電池發(fā)熱量急劇增加，同時(shí)電池內(nèi)部劇烈進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以對電池的壽命會造成一定影響，從而使電動車的后期使用成本大幅度增加。

(3)無線充電方式：這是一種比較新的充電模式，其概念類似于移動電話的原理，是一種將電能轉(zhuǎn)換為一種符合現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的特殊的激光或者微波束，并在汽車某位置安裝接受器作為充電接入口即可。

(4)更換電池方式：即在蓄電池能量耗盡后，用充滿電的電池或電池組進(jìn)行更換。一般在此類模式中，電池歸品牌經(jīng)銷商、廠家所有，電動車用戶只需要租用電池即可。

(5)移動式充電：對于電動汽車的蓄電池而言，最理想的情況是在行駛中進(jìn)行充電，這樣就可以最大限度地降低續(xù)航里程對于電動車行駛和普及的制約，不過此類充電模式需要政府的大力支持才可以，因?yàn)殛P(guān)系到在公路路面之下架設(shè)充電系統(tǒng)。