范成君

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

動力電池是新能源汽車的核心部分，也是后者與傳統(tǒng)燃油汽車進(jìn)行區(qū)分的主要部分。目前多種動力電池被應(yīng)用于新能源汽車之中，解決了最基本的安全問題、續(xù)航問題、充電問題，但是在這些方面依舊無法完全令人滿意，還有不小的探索發(fā)展空間，值得就相應(yīng)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢展開研究。

1 新能源汽車動力電池概述

新能源汽車是通過各種新能源生成電力并以電池作為動力源的汽車。新能源汽車的動力電池主要可劃分為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池三大類。化學(xué)電池即以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)生成電能的電池，并可根據(jù)工作性質(zhì)劃分為原電池、蓄電池、燃料電池、儲備電池等；物理電池即借助物理能量生成電能的電池，如太陽能電池、超級電容器等；生物電池即基于生物化學(xué)反應(yīng)生成電能的電池，包括微生物電池、酶電池等。動力電池本身具有極高的電能以及輸出功率，完全能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車的動力裝置。新能源汽車動力電池需要在電動勢、開路電壓、額定電壓、工作電壓、終止電壓、電池容量、內(nèi)阻、標(biāo)稱能量、實(shí)際能量、比能量、能量密度、功率、容量效率、能量效率、自放電率、放電速率、放電深度、使用壽命等方面達(dá)到一定的指標(biāo)要求，而且需要滿足比能量高、比功率大、充放電效率高、相對穩(wěn)定性好、使用成本低、安全性好等基本優(yōu)勢。不過動力電池安全性與能量要求較高，這導(dǎo)致目前新能源汽車中動力電池的應(yīng)用尚處于探索階段，還有巨大的發(fā)展前景。

2 新能源汽車動力電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池早在1859年就已經(jīng)發(fā)明問世，并已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)汽車的重要?jiǎng)恿υ??？傮w來看，鉛酸蓄電池作為新能源汽車動力電池具有電壓較高、價(jià)格低廉、高倍率放電性能好、高低溫性能好、電能效率超過60%、易于識別荷電狀態(tài)、價(jià)格低廉等，不過也有著比能量低、使用壽命短、充電時(shí)間長、存在重金屬污染等缺陷。因此鉛酸蓄電池并不適合作為電動轎車的動力電池，而是多作為速度不高、路線固定、充電站設(shè)立易規(guī)劃的車輛的動力電池。不過近年國內(nèi)研制開發(fā)的電動汽車用新型水平極板鉛酸蓄電池是將極板進(jìn)行水平放置，這與傳統(tǒng)的垂直極板放置方式不同，能夠有效避免活性物質(zhì)脫落與電解液分層，能夠促進(jìn)氧復(fù)合以及提升電池充電效率、循環(huán)壽命。水平極板鉛酸蓄電池10min持續(xù)比功率達(dá)到了80W/kg，快速充電性能實(shí)現(xiàn)了3C電流下充電20min電池容量能達(dá)80%以上，75min可充滿電。鉛酸蓄電池快速充電的方法包含脈沖式充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法等。對鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，通?？刹扇》烹妼?shí)驗(yàn)法，即在恒定電流條件下連續(xù)放電后，以放電電流與時(shí)間的乘積計(jì)算剩余電量。該方法極為可靠，不過花費(fèi)時(shí)間較長，而且必須中斷蓄電池正在進(jìn)行的工作。因此在實(shí)踐中還可采取安時(shí)計(jì)量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等合適的方法，對鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液等所組成。鎳氫電池放電時(shí)負(fù)極金屬氫化物會被氧化并生成金屬合金，而正極的則會被還原并生成氫氧化鎳。而在鎳氫電池充電時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)則會反過來。鎳氫電池一般可根據(jù)形狀分為方形與圓形，其具有比功率高、循環(huán)次數(shù)多、無污染、耐過充過放、無記憶效應(yīng)、使用溫度范圍廣、安全性強(qiáng)等優(yōu)勢。目前鎳氫電池的研制開發(fā)受到了全世界范圍內(nèi)各國的重視，我國2020年鎳氫電池市場資產(chǎn)規(guī)模達(dá)到了81.45億元，同時(shí)科研人員通過研發(fā)開發(fā)出了寬溫域型、長壽命型、高容量型等適用于不同情況的寬溫鎳氫電池，使得鎳氫電池在電動汽車中的應(yīng)用具有一定優(yōu)勢，可謂是目前新能源電動汽車中技術(shù)最成熟的方案之一。鎳氫電池的荷電狀態(tài)估計(jì)一般采取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或卡爾曼濾波法。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池作為新型高能蓄電池，其本身具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無污染、充電速度快、安全性高等優(yōu)勢，較為適合作為新能源汽車的動力電池。鋰元素作為原子相對質(zhì)量小、得失電子能力強(qiáng)、電子轉(zhuǎn)移比例高的元素，是僅次于氫元素的動力電池能量載體。鋰離子電池中正極材料是鋰元素的載體，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰等，而負(fù)極材料則主要發(fā)揮存儲轉(zhuǎn)移后的鋰離子的作用。鋰離子電池的優(yōu)勢極為明顯，同時(shí)也是新能源汽車動力電池技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。鋰離子電池充電效率極高，十分接近100%，同時(shí)不會造成環(huán)境污染，自放電率低，可實(shí)現(xiàn)快速充電，作為新能源汽車動力電池十分合適。不過目前鋰離子電池在新能源汽車中的應(yīng)用還面臨著成本較高的挑戰(zhàn)，同時(shí)必須做好過充保護(hù)以免出現(xiàn)安全隱患。目前新能源汽車中鋰離子電池的充電方法主要可根據(jù)電池最高電壓或溫度進(jìn)行終止，當(dāng)充電過程中鋰電池電壓或溫度達(dá)到閾值時(shí)就會停止恒流充電狀態(tài)。不同鋰離子電池的特性有所差異，廣泛體現(xiàn)在多個(gè)層面。其中鈷酸鋰電池循環(huán)次數(shù)為500～1000次，電壓范圍為3.0～4.5v，安全性能較差，使用溫度為-20～55℃，價(jià)格為30.3萬/噸，容量為135～150mAh·g-1，質(zhì)量比能量為150～200Wh·kg-1，往往具有安全性差、價(jià)格高昂、壽命短等劣勢，故而多應(yīng)用于電子設(shè)備，不會應(yīng)用于新能源汽車；錳酸鋰電池的循環(huán)次數(shù)為500～2000次，電壓范圍為3.0～4.3v，安全性能良好，適用溫度為不超過50℃，價(jià)格為6萬/噸，容量為100～120mAh·g-1，質(zhì)量比能量為130～180Wh·kg-1，其劣勢為耐熱性較差，同時(shí)能量密度偏低，故而主要適用于小型車；磷酸鐵鋰循環(huán)次數(shù)為2000～6000次，電壓范圍為3.2～3.7v，安全性能良好，適用溫度為-20～75℃，價(jià)格為15.4萬/噸，容量為130～140mAh·g-1，質(zhì)量比能量為130～160Wh·kg-1，其優(yōu)勢在于安全性好、成本低，而劣勢則為能量密度偏低，主要適用于大巴、商用車等新能源汽車；三元鋰的循環(huán)次數(shù)為800～4000次，電壓范圍為2.5～4.6v，安全性能尚好，適用溫度為-20～55℃，價(jià)格為17.2萬/噸，容 量 為155～220mAh·g-1，質(zhì)量比能量為180～240Wh·kg-1，具有綜合性能好的優(yōu)勢，故而在新能源乘用車中被廣泛應(yīng)用。

2.4 超級電容器

超級電容器作為一種電荷的儲存器，其能夠?qū)崿F(xiàn)快速充放電，同時(shí)比功率可高達(dá)1kw/kg，循環(huán)壽命可達(dá)10萬次，工作時(shí)無污染、無噪聲，質(zhì)量輕且體積小，穩(wěn)定性與安全性良好。不過超級電容器的比能量較低，這意味著其無法單獨(dú)作為新能源汽車的動力電池，往往只能作為輔助電源。超級電容器的核心技術(shù)為雙層電容技術(shù)，即電極上的極化電極在電壓作用下會使得電解質(zhì)分子重新排列，進(jìn)而于兩個(gè)電極表面形成雙層電容，能夠?qū)崿F(xiàn)對電能的有效存儲。超級電容器與傳統(tǒng)蓄電池相比，其在功率性能方面的優(yōu)勢較為突出。目前新能源汽車中普遍存在電池與超級電容器混合能量系統(tǒng)，能夠通過超級電容器輔助電池的應(yīng)用，讓電池設(shè)計(jì)將重心放在比能量、循環(huán)壽命等重點(diǎn)性能上而無需擔(dān)心比功率的限制。

3 新能源汽車動力電池的發(fā)展前景

3.1 探索應(yīng)用新型電池

3.1.1 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池作為具有比能量高、充放電轉(zhuǎn)化率高、循環(huán)壽命長、成本低廉、無污染等優(yōu)勢的電池，其在新能源汽車中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，不過卻面臨著高溫腐蝕、安全可靠性差等挑戰(zhàn)，因而目前并沒有廣泛應(yīng)用，還需探索更加安全、穩(wěn)定的應(yīng)用模式。

3.1.2 空氣電池

空氣電池同樣是化學(xué)電池的一種，其構(gòu)造和干電池較為類似，只不過其氧化劑是空氣中的氧?？諝怆姵匾话闶且匝鯕庾鳛檎龢O的活性物質(zhì)，而負(fù)極則為各種金屬，如鋅、鋁等。空氣電池的充電過程只需要對金屬介質(zhì)進(jìn)行更換，就能在短時(shí)間內(nèi)完成充電過程，一般只需要數(shù)分鐘。而其放電過程則能實(shí)現(xiàn)大電流持續(xù)放電，同時(shí)自放電率接近零。另外空氣電池還具有比能量大、性能穩(wěn)定、安全性強(qiáng)等優(yōu)勢，也存在對空氣濕度與二氧化碳等影響因素極為敏感的問題。鋁空氣電池在新能源汽車領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景，不過目前還存在不小的技術(shù)瓶頸，需要在未來不斷進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，從而提高續(xù)航能力、循環(huán)使用壽命以及降低產(chǎn)品重量、生產(chǎn)成本等，更好地適應(yīng)未來行業(yè)發(fā)展。鋁空氣電池在工作時(shí)會通過鋁和空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并放電，并能依靠其極高的比能量為新能源汽車提供更大的續(xù)航里程。實(shí)際上即便在目前鋁空氣電池受技術(shù)限制較為嚴(yán)重，但其應(yīng)用于新能源汽車中能提供的續(xù)航里程依舊高于鋰電池，可見其未來發(fā)展前景之巨大。國外不少企業(yè)已經(jīng)在緊鑼密鼓地推進(jìn)鋁空氣電池在新能源汽車上的應(yīng)用試驗(yàn)，譬如美國鋁業(yè)公司和以色列Phinergy公司、印度石油公司與以色列Phinergy公司等就分別曾宣布合作開發(fā)鋁空氣電池。我國則早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)開發(fā)出了以鋁、空氣、海水等為能源的空氣電池，并在新能源汽車研發(fā)進(jìn)程中積極探索鋁空氣電池的應(yīng)用路徑，大力布局相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈，諸如云鋁集團(tuán)、空天科技均是其中的代表性公司。不過目前鋁空氣電池在新能源汽車中的應(yīng)用尚未取得明顯突破，仍需在續(xù)航能力、充電速度等方面加強(qiáng)研發(fā)。

3.1.3 飛輪儲能器

飛輪儲能器主要由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、電機(jī)、輸入/輸出電路、真空室等部分組成。其中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包含飛輪以及支撐兩部分，飛輪形狀多樣，包含單層圓柱狀、多層圓柱狀、紡錘狀、傘狀等，而支撐則可根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式分為超導(dǎo)磁懸浮支撐、點(diǎn)磁懸浮支撐、永磁懸浮支撐、機(jī)械支撐等不同形式。飛輪儲能器的電機(jī)，一般會采取永磁同步電機(jī)。由于電機(jī)功耗受多方面因素如電樞電阻、渦流電流、磁滯損耗等，因而飛輪儲能器中的電機(jī)一般會選用無鐵定子、釹鐵硼永磁鐵。至于輸入/輸出電路則是整個(gè)系統(tǒng)的控制元件，是將儲能器中的電能與機(jī)械能進(jìn)行轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分。至于真空室則是提供真空環(huán)境以及屏蔽事故的關(guān)鍵部分，是確保飛輪儲能器運(yùn)行安全和穩(wěn)定的部分。飛輪儲能器雖然具有儲能效率高、比功率大、可使用壽命長、受外界溫度影響小等優(yōu)勢，但是目前相關(guān)技術(shù)并不成熟，同時(shí)成本較為高昂，安全隱患較大，還需要在未來探索其在新能源汽車中的應(yīng)用路徑。

3.1.4 燃料電池

純電動汽車是新能源汽車中具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ念愋?。然而純電動汽車目前最大的問題在于無法像傳統(tǒng)燃油車一樣在短時(shí)間內(nèi)完成燃料加注，目前較為成熟的各種動力電池均難以平衡快速充電、續(xù)航里程、比效率等之間的關(guān)系。而燃料電池作為將燃料所具有化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電池，其只需要通過氫氣與來自空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)并生成電能即可。在新能源汽車領(lǐng)域，燃料電池的應(yīng)用不僅能為汽車提供動力，還能像燃油汽車加油一樣快捷、方便地完成氫燃料的加注。不過目前燃料電池研發(fā)水平偏低，成本較為高昂，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，存在上游純氫制備技術(shù)不成熟、大規(guī)模海水制氫技術(shù)待突破、氫的儲存運(yùn)輸成本過高等問題，還需要不斷加以優(yōu)化和完善方能真正應(yīng)用到新能源汽車之中。

3.2 市場需求量大

近年來，新能源汽車市場蓬勃發(fā)展，規(guī)模持續(xù)增長。作為新能源汽車核心的動力電池自然收到了廣泛關(guān)注，大量消費(fèi)者都對新能源汽車的續(xù)航里程、充電時(shí)間、安全性等十分重視，極為關(guān)注動力電池的發(fā)展。在巨大的市場需求之下，動力電池的研發(fā)、應(yīng)用自然有著極為利好的條件。而且新能源汽車動力電池作為消費(fèi)品的性價(jià)比優(yōu)勢會逐步體現(xiàn)，同時(shí)滲透率會有所提升、儲能行業(yè)迎來突破，使得動力電池在未來長達(dá)十幾年內(nèi)的需求可能維持在25%以上的高復(fù)合增速狀態(tài)，前景極為廣闊。我國以寧德時(shí)代為首的動力電池企業(yè)不僅在國內(nèi)占據(jù)著重要作用，在國際競爭中也占據(jù)著一定優(yōu)勢，能夠憑借國際訂單的支持進(jìn)一步推動動力電池市場的擴(kuò)張。

3.3 產(chǎn)業(yè)政策支持到位

新能源汽車動力電池的規(guī)模、持續(xù)、良好發(fā)展，離不開產(chǎn)業(yè)政策的支持。目前我國高度重視新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，自然對相關(guān)產(chǎn)業(yè)尤其是動力電池產(chǎn)業(yè)極為關(guān)注。近年來，全國各個(gè)地區(qū)關(guān)于新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)的政策數(shù)量逐步增加，并且廣泛覆蓋了戰(zhàn)略規(guī)劃、行業(yè)規(guī)范、補(bǔ)貼與投資、電池回收等領(lǐng)域，為產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供了有力支持?？梢灶A(yù)見的是，隨著整個(gè)行業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策支持力度會進(jìn)一步加大，政策數(shù)量會持續(xù)增加，政策利好條件也會明顯改善。

3.4 專利技術(shù)水平穩(wěn)步提升

技術(shù)是推動新能源汽車動力電池整體質(zhì)量與水平不斷提升的關(guān)鍵。而專利技術(shù)的申請情況，能夠在一定程度上反映行業(yè)技術(shù)發(fā)展情況。自2014年以來，我國動力電池專利申請數(shù)量快速增長，而且這一增長趨勢較為明顯，2021年包括蜂巢能源、比亞迪、國軒高科、寧德時(shí)代、恒大新能源等在內(nèi)的一系列企業(yè)均申請了大量動力電池相關(guān)專利，數(shù)量分別為878項(xiàng)、525項(xiàng)、489項(xiàng)、327項(xiàng)、272項(xiàng)。在動力電池技術(shù)不斷突破的未來，這一趨勢必然會在較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)下去，為整個(gè)行業(yè)的健康、良好發(fā)展提供必要的技術(shù)支持以及規(guī)范保障。

4 結(jié)語

綜上可知，新能源汽車行業(yè)的發(fā)展離不開動力電池的支持。目前動力電池產(chǎn)業(yè)雖然已經(jīng)能夠?yàn)樾履茉雌囆袠I(yè)規(guī)?；⑹袌龌l(fā)展提供支持，但無法充分發(fā)揮新能源汽車的優(yōu)勢，在續(xù)航里程、充電速度、安全性等方面還難以令人滿意，尚需在技術(shù)、政策、行業(yè)規(guī)范等方面不斷探索，進(jìn)而為新能源汽車行業(yè)的健康、良好發(fā)展帶來更多可能性。