王濤，韋秀磊，林秋豐，董小平

一種應(yīng)用于電動(dòng)汽車的復(fù)合電池能源模塊

王濤1，韋秀磊1，林秋豐2，董小平1

（1．河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002，2．國(guó)立屏東科技大學(xué) 工學(xué)院，臺(tái)灣 屏東 000912）

就目前現(xiàn)有的電動(dòng)汽車電池能源模塊無(wú)法滿足車輛實(shí)際性能需求的問題，提出了一種全新的電動(dòng)車用電池能源模塊，該模塊是由鋰離子電池與鋅空氣燃料電池進(jìn)行配合組成的．首先分析了全球各個(gè)汽車企業(yè)就目前車用能源日趨緊張問題所提出的不同解決方案，指出了電動(dòng)汽車發(fā)展前景樂觀；其次，分析了應(yīng)用于純電動(dòng)汽車的電池能源模塊存在的瓶頸，提出了一個(gè)全新的電動(dòng)車用電池能源模塊的構(gòu)想；然后，對(duì)該動(dòng)力電池能源模塊的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，指出了該模塊未來應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的可行性；最后，就下一步開發(fā)該模塊所要做的具體工作進(jìn)行了介紹．

電動(dòng)汽車；鋰離子電池；鋅空氣燃料電池

近年來，因能源的過度消耗致使國(guó)際油價(jià)逐年上升，直接沖擊了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)程．根據(jù)美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，全世界約有55%的石油被交通運(yùn)輸所消耗；因此，為了達(dá)到節(jié)能減排的目的，各國(guó)相繼提高車輛燃油消耗標(biāo)準(zhǔn)，并通過強(qiáng)制性法律法規(guī)控制能源的過度消耗．

1 電動(dòng)汽車的發(fā)展前景

為解決本世紀(jì)車用能源緊張問題，全球汽車企業(yè)提出了不同的解決方案．在過去的幾年內(nèi)，世界主要汽車生產(chǎn)企業(yè)所開發(fā)的電動(dòng)汽車，絕大多數(shù)還是以混合動(dòng)力汽車為主，其中以TOYOTA Prius最受到市場(chǎng)的關(guān)注［1］，HONDA，F(xiàn)ORD，GM等汽車公司也相繼開發(fā)了混合動(dòng)力汽車［2－4］．目前，Tesla公司已成功研發(fā)了一款搭載鎳氫電池的純電動(dòng)跑車，因鋰離子電池的性能優(yōu)于鎳氫電池，所以各大汽車企業(yè)開始嘗試應(yīng)用鋰離子電池，Tesla公司下一步將繼續(xù)研發(fā)搭載磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車，寶馬公司所開發(fā)的電動(dòng)汽車也是采用鋰離子電池，近兩年，各大汽車企業(yè)所開發(fā)的電動(dòng)汽車以插電式混合動(dòng)力汽車為主，電池則以鋰離子電池為主．因混合動(dòng)力汽車還是會(huì)消耗石油，產(chǎn)生污染排放．因此，在現(xiàn)階段車用電池技術(shù)已取得有效突破之際，各國(guó)汽車企業(yè)積極響應(yīng)目前環(huán)保議題，大力發(fā)展電動(dòng)車輛，電動(dòng)汽車的發(fā)展前景逐步被看好．

2 電動(dòng)車用電池能源模塊的瓶頸

在純電動(dòng)汽車的開發(fā)中，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池模塊、電機(jī)模塊、控制器以及輕量化車體．其中，以電池模塊最為關(guān)鍵，因?yàn)樗苯佑绊懼妱?dòng)汽車的性能、成本以及安全．目前，搭載在電動(dòng)汽車上的電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及鋅空氣燃料電池等［5］，其中，鉛酸電池具有技術(shù)成熟、安全且價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)，但能量密度、功率密度、壽命等方面存在嚴(yán)重不足，因此，不適合在電動(dòng)汽車上使用；鎳氫電池在性能上比鉛酸電池具有顯著優(yōu)勢(shì)，但其性能和成本上仍然無(wú)法滿足純電動(dòng)車的性能需求；鋰離子電池的功率密度、能量密度優(yōu)于鎳氫電池，因此，目前電池發(fā)展趨勢(shì)逐漸偏向鋰離子電池［6－9］．然而，因鋰離子電池技術(shù)仍未成熟，仍有相當(dāng)大的研發(fā)空間，各國(guó)還在投入大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)行開發(fā)．鋅金屬燃料電池具有能量密度高且安全，成本也僅略高于鉛酸電池的1倍．放電后的鋅變?yōu)檠趸\不僅環(huán)保、易回收，且仍具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，再加上我國(guó)在鋅和石墨的儲(chǔ)量豐富，因此，該電池具有先天的資源優(yōu)勢(shì)．另外，近幾年，通過采用最新的納米材料技術(shù)，鋅－空氣燃料電池的發(fā)展突飛猛進(jìn)，預(yù)期在未來幾年，實(shí)際可用的比能量可上升至理論值1 316 Wh／kg左右，遠(yuǎn)比目前現(xiàn)有的電池都高出許多，故極適合應(yīng)用在對(duì)續(xù)航里程及輸出需求功率較高的電動(dòng)汽車上，然而，該電池功率密度較低，因此，可通過搭配二次電池以彌補(bǔ)其性能存在的缺陷．

到目前為止，單一類型電池還是無(wú)法滿足純電動(dòng)汽車實(shí)際的動(dòng)力性及行駛里程需求，所以，除了采用油電混合的方案之外，還可采用電電混合的方案，也就是說，為車輛上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電力的是2個(gè)具有不同特性的電池混合模塊，通過取其各自優(yōu)點(diǎn)以使電池模塊的整體性能符合電動(dòng)車輛所需的能量模塊，從而實(shí)現(xiàn)功能上的互補(bǔ)，滿足車輛的性能要求．美國(guó)圣地亞哥曾對(duì)搭載鋅空氣燃料電池的純電動(dòng)公交車做過改裝，因鋅空氣燃料電池?zé)o法進(jìn)行大功率輸出，所以采用加裝一組Ni－Cd電池，彌補(bǔ)燃料電池的不足．為了彌補(bǔ)燃料電池功率密度低的缺點(diǎn)，還有采用與能量密度及功率密度較高的超級(jí)電容相匹配［10］，類似的還有將太陽(yáng)能電池與超級(jí)電容結(jié)合起來的電池能源模塊［11］；其中，最常見的模塊還是超級(jí)電容與二次電池的組合［12］．可是，因超級(jí)電容的成本較高，在組合后，雖在性能上滿足使用需求，但不具備實(shí)現(xiàn)商業(yè)化上的可行性．

3 鋰離子電池及鋅空氣燃料電池能源組合模塊

通過對(duì)上述各種電池的特性進(jìn)行分析，對(duì)比目前市面上的各種電池性能與價(jià)格，如表1所示，本文提出了利用功率密度較高的鋰離子電池與能量密度較高的鋅空氣燃料電池進(jìn)行性能上的匹配，構(gòu)成一個(gè)全新的電動(dòng)車用電池能源模塊．鋰離子電池可滿足車輛行駛時(shí)動(dòng)力性所需要的功率要求，鋅空氣燃料電池則主要滿足車輛行駛里程所需要的能量要求．

表1 鋅空氣燃料電池與其他主要電池性能與價(jià)格之間的比較Tab．1 Property and price between zinc air fuel battery and other main batteries

該電池模塊應(yīng)用在純電動(dòng)汽車上的能量傳遞路線圖，如圖1所示；該電池模塊在能量輸出的分配上，如圖2表示，在上坡及加速路段，鋅空氣燃料電池與鋰離子電池共同為電機(jī)提供能量以滿足車輛行駛時(shí)所需功率要求；在平坦路段時(shí)，由鋅空氣燃料電池單獨(dú)為電機(jī)提供能量；在下坡路段，通過制動(dòng)電機(jī)可為鋰離子電池模塊回收部分能量，同時(shí)，在監(jiān)測(cè)到鋰離子電池SOC不足的時(shí)候，鋅空氣燃料電池也將為鋰離子電池進(jìn)行補(bǔ)電；在車輛停止時(shí)，當(dāng)電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到鋰離子電池SOC不足時(shí)，鋅空氣燃料電池將對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電．

圖1 純電動(dòng)汽車能量傳遞路線Fig．1 Power flow in pure electric vehicle

該組合模塊可認(rèn)為是目前所提出的車用能源模塊當(dāng)中較佳的選擇，兼顧了單一電池在能量密度以及功率密度等方面存在的不足，同時(shí)解決了目前電動(dòng)車在動(dòng)力性差、行駛里程短等不足，大大降低鋰離子電池?cái)?shù)量，避免了因大量使用鋰離子電池而造成的電池能源模塊成本升高及安全性風(fēng)險(xiǎn)等問題．相比較圣地亞哥市公交車計(jì)劃所使用的二次電池是Ni－Cd電池，本文所提出的電池能源模塊在使用特性上與之有相當(dāng)大的差異，Ni－Cd電池有廢棄污染的問題，不值得推廣．因此，本文所提出的電池能量模塊將比美國(guó)圣地亞哥大巴士計(jì)劃更具有優(yōu)勢(shì)，它將進(jìn)一步促使純電動(dòng)汽車成為下一代主要的交通工具成為可能．

圖2 鋰離子電池與鋅空氣燃料電池能量管理策略Fig．2 Energy management strategy of zinc air fuel battery ＆lithium ion battery

本模塊的優(yōu)勢(shì)有4點(diǎn)：第一，在性能上，因傳統(tǒng)電池?zé)o法同時(shí)兼顧能量密度及功率密度的要求，導(dǎo)致無(wú)法滿足車輛動(dòng)力性及續(xù)駛里程要求，本文所提出的電池能源模塊，其總體性能與目前全球汽車企業(yè)所搭載的電動(dòng)汽車電池模塊相比較，如圖3所示，該模塊的規(guī)格參數(shù)已接近日本NEDO（負(fù)責(zé)日本能源政策的規(guī)劃以及推動(dòng)）官方設(shè)定的在2020年擬達(dá)到的目標(biāo)．第二，在安全性上，本文所提出的電池能源模塊將大大降低鋰離子電池的數(shù)量，避免因鋰離子電池大量使用而造成自燃的風(fēng)險(xiǎn)．第三，在成本上，本文所提出的電池組合模塊，鋅空氣燃料電池的成本遠(yuǎn)低于鋰離子電池，整個(gè)組合能源模塊的價(jià)格將會(huì)是目前單獨(dú)使用鋰離子電池模塊同等規(guī)格的1／7，因此，該模塊降低了電池的購(gòu)買成本，提升了商業(yè)化的可行性．第四，執(zhí)行本方案對(duì)減少我國(guó)車輛石油資源的消耗、減輕溫室效應(yīng)等方面具有明顯的效果．

圖3 所規(guī)劃的能源模塊與目前各種電動(dòng)車能源模塊規(guī)劃目標(biāo)的比較Fig．3 Power module planed compared with current other power modules

4 結(jié)論及展望

1）本文主要為現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展的純電動(dòng)汽車規(guī)劃了一套具備安全、低成本且能夠滿足車輛性能需求的動(dòng)力電池組合模塊方案．該方案綜合了2種電池自身特性，可在滿足車輛實(shí)際動(dòng)力性和續(xù)駛里程的需求下，使車輛能源模塊的成本最低．

2）下一步將開發(fā)一個(gè)針對(duì)二者電池進(jìn)行匹配的能量管理控制器，依照車輛運(yùn)行時(shí)所需要的功率，由該模塊判斷這兩組電池是單獨(dú)工作還是共同配合為電動(dòng)車輛輸出電量；同時(shí)，在車輛行駛當(dāng)中，以維持鋰離子電池的SOC在最佳區(qū)域內(nèi)，以延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命．

3）為驗(yàn)證所建立的電池能量模塊以及電池能量管理系統(tǒng)的可行性，還需建立一臺(tái)搭載鋰離子電池與鋅空氣燃料電池的電動(dòng)車輛實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)車輛整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)特性進(jìn)行研究，并測(cè)試能量管理模塊的性能．

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（責(zé)任編輯：孟素蘭）

A hybrid battery energy module for electric vehicles

WANG Tao1，WEI Xiu－lei1，LIN Chiu－feng2，DONG Xiao－ping1
（1．College of Quality Technology and Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China；
2．School of Engineering，National Pingtung University of Science and Technology，Pingtung 000912，China）

The existing battery ower module for electric vehicle can not meet the actual vehicle performance requirements．A new battery power module is carried out in this paper，which is composed of the li－ion batteries and zinc－air fuel cell．Firstly，the different solutions about the vehicle energy short supply are proposed by the global automobile companies．The prospective of electric vehicles becomes optimistic．Secondly，the bottle neck for power battery module applied in pure electric vehicle is analyzed．A new battery power module for electric vehicle is put forward；then，the advantage of the power battery energymodule is analyzed，the feasibility of the module used in electric vehicles is pointed out in the future．Finally，the next specific work on the development of the module is introduced．

electric vehicle；li－ion battery；zinc air fuel cell battery

U469．72

A

1000－1565（2012）04－0429－05

2012－03－20

河北省教育廳項(xiàng)目（2011206）；河北大學(xué)自然科學(xué)研究計(jì)劃（2011－208）；2012年度河北省人社廳留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目；臺(tái)灣國(guó)科會(huì)計(jì)劃項(xiàng)目（NSC 100－3113－E－020－001）；河北省自然科學(xué)基金（E2013201）

王濤（1982－），男，山東泰安人，河北大學(xué)講師，博士，主要從事新能源電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)研究．E－mail：taowangustbntu＠sohu．com

林秋豐（1964－），男，臺(tái)灣人，屏東科技大學(xué)教授，主要從事電動(dòng)汽車永續(xù)能源系統(tǒng)的方向研究．E－mail：chiufeng＠m(xù)ail．npust．edu．tw．