牟宏均 唐惠龍

[摘要]簡(jiǎn)要介紹電動(dòng)汽車常用電池的種類、特點(diǎn)和選擇。

[關(guān)鍵詞]電動(dòng)汽車電池種類特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TM3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1871—7597(2009)1020020--01

隨著全球能源危機(jī)的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的不斷加劇，各國(guó)政府及企業(yè)普遍認(rèn)識(shí)到節(jié)能和減排是未來(lái)汽車發(fā)展的主攻方向，發(fā)展電動(dòng)汽車將是解決這兩個(gè)技術(shù)難題的最佳途徑。大力開發(fā)電動(dòng)汽車將成為必然趨勢(shì)，而城市車輛和轎車是優(yōu)先向電動(dòng)化發(fā)展的汽車種類。自1996年來(lái)，已有3種類型的電動(dòng)汽車問世，即純電動(dòng)汽車(PEV)、混合動(dòng)力汽車(ItEV)以及燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)和派生出的一種外接充電式混合動(dòng)力汽車(Plug-in)。

電動(dòng)汽車雖然種類不一，所用的電池種類也有很多種類型。電動(dòng)汽車在不同時(shí)期采用了不同的電池作為電源。最早采用的是鉛酸蓄電池，隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電池的也為斷出現(xiàn)新的形式，鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等，這些新的電池由于具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此在電動(dòng)汽車上也越來(lái)越多的得到應(yīng)用。

一、電動(dòng)汽車對(duì)電池的要求

蓄電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，蓄電池的選擇將直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的整車性能。電動(dòng)汽車用蓄電池的主要性能指標(biāo)是比能量、比功率和使用壽命等，因而在電動(dòng)汽車的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)選用高性能的電池也是首先必須考慮的。用來(lái)做電動(dòng)汽車電源的電池必須滿足比能高、比功率大、充電時(shí)間短、續(xù)行里程長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)，使用成本低等。

二、鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池廣泛用作內(nèi)燃楊汽車的起動(dòng)動(dòng)力源，它也是成熟的電動(dòng)汽車蓄電池。它的可靠性好、原材料易得，價(jià)格便宜，比也基本能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力要求。但它也有兩大缺點(diǎn)：一是比能量低，另一個(gè)是使用壽命短，電動(dòng)汽車用的牽引鉛酸蓄電池體積也比較大。根據(jù)國(guó)家蓄電池標(biāo)準(zhǔn)牽引用的蓄電池是按5小時(shí)放電率設(shè)計(jì)的，使用過(guò)程中放電電流很大，特別是電動(dòng)汽車起動(dòng)時(shí)電流是額定電流的2倍以上，國(guó)產(chǎn)的鉛酸蓄電池一般壽命的可充放電800次左右。充電時(shí)間比較長(zhǎng)，不允許大電流放電，壽命也比較短。因此用鉛酸蓄電池作為動(dòng)力電池的電動(dòng)車輛主要用在車速要求不高、續(xù)行里程不長(zhǎng)的場(chǎng)合下，如電動(dòng)牽引車、電動(dòng)叉車、電動(dòng)高爾夫車等。

三、鐮鲖蓄電池

它的比能量可達(dá)55Wh／Kg，比功率超過(guò)190W／Kg。也可快速充電，使用壽命是鉛酸蓄電池的兩倍多。充放電次數(shù)可達(dá)2000多次，但其價(jià)格是鉛酸蓄電池的4～5倍。它的初期購(gòu)置成本雖高，但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢(shì)，因此其實(shí)際使用成本并不比鉛酸蓄電池主高多少。但鎳、鎘均為重金屬，容易造成環(huán)境污染。

四、鐮氫電池

它和鎳鎘電池一樣也屬于堿性電池其特性和鎳鎘電池相似。不過(guò)鎳氫電池不含銅、鉛，不存在重金屬污染問題。其主要優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)壽命較長(zhǎng)，但是由于鎳金屬占其成本的60％，導(dǎo)致鎳氫電池的價(jià)格居高不下，因此在實(shí)際中目前應(yīng)用還不是很多。

五、燃料電池

燃料電池就是利用氫和氧在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中來(lái)發(fā)電的原理研制生產(chǎn)的。它的能量轉(zhuǎn)換率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率理論上可達(dá)100％，實(shí)際效率現(xiàn)已達(dá)到60％80％。

燃料電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：其排放生成物是水及水蒸汽，為零污染：轉(zhuǎn)換效率高；無(wú)機(jī)械振動(dòng)、低噪聲、低輻射；氫原料資源豐富，且氫是化學(xué)元素中質(zhì)量最輕、導(dǎo)熱性和燃燒性最好的元素：氫的熱值很高，1Kg氫和3.8L的汽油的熱值相當(dāng)。

燃料電池的目前存在的問題是：質(zhì)子交換膜的機(jī)械強(qiáng)度還不是很高：耐高溫性較差(>110℃)；鉑催化劑由于空氣中的粉塵、一氧化碳、硫化物等極易污染中毒失效。

六、鋰電池

它的最大優(yōu)點(diǎn)是比能量高，種類也比較多，常見的有鋰離子電子、高溫鋰熔鹽電池、鋰聚合物電池和鋰聚合物團(tuán)體電解質(zhì)電池等。它的比能量理論值為570w.h／Kg，目前達(dá)到的比能量為100w.h／Kg，比功率是200W／Kg。循環(huán)使用壽命為1200次，充電時(shí)間2～4小時(shí)。工作溫度范圍達(dá)一40～55℃。鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的主攻方向。我國(guó)擁有鋰資源優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在鋰電池產(chǎn)量在動(dòng)力電池領(lǐng)域占有很大的比重，隨著國(guó)家新能源政策的實(shí)施和投資力度的不斷加強(qiáng)，鋰離子電池的性／價(jià)比有望達(dá)到可以和鉛酸電池競(jìng)爭(zhēng)的水平，而成為未來(lái)電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄姵亍?/p>

七、超級(jí)電容器

它也是高能量密度的儲(chǔ)能元件，或者稱為電蓄能器。它能存貯大量的電荷，并且能迅速地充放電。利用它可以把蓄電池的沖擊負(fù)載降低到適宜的水平，這樣蓄電池只需設(shè)計(jì)達(dá)到平均能量密度和平均循環(huán)壽命，而無(wú)需達(dá)到最大峰值能量密度和循環(huán)壽命。超容量電容器也可以用來(lái)存儲(chǔ)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量。

八、飛輪電池

飛輪以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)就具有一定的動(dòng)能，飛輪電池正是將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的。它有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)為電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速(儲(chǔ)能)，放電時(shí)為發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出電能。飛輪電池的比能量可達(dá)150w,h／Kg，比功率達(dá)5000～10000W／Kg。使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年、可供電動(dòng)汽車行駛500萬(wàn)公里。

九、電動(dòng)汽車所用動(dòng)力電池的進(jìn)捧

在電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)過(guò)程中，“三電”(電池、電機(jī)、電控)的設(shè)計(jì)和選用是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的核心，而電池是重中之重。電動(dòng)汽車動(dòng)力的好壞將直接影響到電動(dòng)汽車的性能。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選用電池的原則是，在滿足整車性能要求的條件下，盡可能的選用性價(jià)比高、比能量高、比功率大，充電時(shí)間短，壽命長(zhǎng)、使用成本低的電池作為電動(dòng)汽車的首選。當(dāng)然·首先必須考慮的是整車的自重、最高時(shí)速和一次充電后續(xù)行里程，蓄電池容量越大、個(gè)數(shù)越多，電池電壓就越高，重量也越大，此時(shí)所選用電機(jī)的電壓也比較高，那電機(jī)工作過(guò)程中的電流就比較小，車輛的行駛里程就越長(zhǎng)。反之，選用容量較小、個(gè)數(shù)較少的電池，車輛的自重就會(huì)降低，但電池的電壓也較低，在電機(jī)功率不變、車輛行駛速度不變的情況下，電機(jī)工作時(shí)的電流就相應(yīng)的比較大，一次充電后車輛的行駛里程就要減少。所以電動(dòng)汽車在設(shè)計(jì)過(guò)程中電池的選用要綜合考慮。既要考慮車輛的自重、最高時(shí)速又要必須考慮電池的個(gè)數(shù)和電機(jī)的工作電流。

當(dāng)然盡可能選用電池的容量大些個(gè)數(shù)多些，那么電機(jī)的工作電壓就高，電動(dòng)汽車行駛時(shí)電機(jī)的工作電流就比較小，在最高時(shí)速不變的情況下，電動(dòng)汽車的行駛里程就比較長(zhǎng)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中電池質(zhì)量的確定將會(huì)對(duì)整車的質(zhì)量影響很大，電池的質(zhì)量可根據(jù)以下方法來(lái)確定：設(shè)電動(dòng)汽車一次充電后能以速度V(Km／h)行駛s(km)，則根據(jù)粗估的行駛阻力可計(jì)算出電機(jī)所做的功，從而確定電池應(yīng)儲(chǔ)的能量w，由電動(dòng)汽車所選電池的比能及比功率和電池的儲(chǔ)能即可確定電池的質(zhì)量，質(zhì)量m(Kg)=儲(chǔ)能(w)／比能。用電池的質(zhì)量乘以比功率即可得電池的輸出功率。

以鉛酸蓄電池為例：設(shè)車輛的續(xù)行里程為300公里，晟高時(shí)速為70公里，牽引電機(jī)為QY57型交流變頻異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)電壓為230V，電機(jī)額定電流為192A，則電池的容量為：

Iv*S／V=192*300／70=822，9^，h

而電池電壓為等級(jí)為312v。若使用鋰離子電池，鋰電池組對(duì)于所有的汽車而言大致相同。構(gòu)件是一個(gè)由100至200個(gè)2.5V～3.9V、4Ahr～40Ahr串接電池構(gòu)成的電池組。這種直流電源可驅(qū)動(dòng)一部30kW～70kW電動(dòng)機(jī)。電池組的總電壓很高，所以對(duì)于一個(gè)給定的功率級(jí)，平均電流很低。較低的電流所需的電纜較細(xì)，重量較輕，成本較低。在峰值條件下，該電池組應(yīng)提供200A電流，并可迅速地完成再充電。換句話說(shuō)，電池必需具備優(yōu)良的功率密度和上佳的能量密度。大型系統(tǒng)(例如：公共汽車和牽引拖車)采用多達(dá)4個(gè)640V并聯(lián)電池組。