汽车动力电池技术及发展方向

NO.010 动力电池的基本构成⚫ 电池管理系统（BMS）：主体和温度、电压、电流传感器等⚫ 电池箱：支撑、固定、包围电池组的箱体，包含上盖和下托盘，辅助元器件如连接件、护板、螺栓等⚫ 辅助元器件：包括如熔断器、继电器、分流器、接插件、紧急开关、烟雾传感器、维修开关、密封条、绝缘材料等⚫ 电池系统：单体电池串、并联组成的多级单元⚫ 主/被动散热系统（氟冷/水冷/风冷）电池管理系统组成动力电池基本理论动力电池作为电能直接来源，主要应用于插电式混合动力汽车(PHEV)、纯电动汽车(BEV）和燃料电池汽车（FCEV)等新能源汽车。要求比能量高、比功率大、寿命长、成本低。基本分类根据电池的基本原理，动力电池可分为化学电池、物理电池、生物电池三类。1)化学电池：利用物质的化学反应储存和（或）释放能量，如铅酸电池、离子电池、燃料电池等；2)物理电池：利用光、热、物理吸附等物理能量储存和（或）释放能量，如超级电容、飞轮电池、太阳能电池等；3)生物电池：利用生物化学反应产生电能，如生物太阳能电池、酶电池、微生物电池。基本原理锂离子动力电池电化学表达式：正极反应：负极反应：电池反应：正极化合物有LiCoO2，LiNiO2，LiMnO4，LiFeO2，LiFePO4等，负极化合物有LixC6，TiS2，WO3，NbS2，V2O5等。车用动力电池种类及特性电动汽车用电池经过多年的发展，已取得了突破性的进展。第一代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前大批量生产和广泛应用的电动汽车用电池，主要用于低端车辆上。第二代是碱性电池，主要有镍镐（Ni-cd）、镍氢（Ni-MH）、钠硫（Na/S） 、锂离子（Li-ion）和锌空气（Zn/Air）等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。目前已经大批量生产和普遍应用。第三代是燃料电池。燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转化效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池，但目前还处于研制和小批量试用阶段，一些关键技术还有待突破。超级电容器：利用多孔电极和电解质组成双层电容结构，外加电压时，正负极板分别吸引电解液中的带电离子，建立两个电荷储层，从而实现电能存储。超级电容器结构（1）铅酸电池铅酸电池采用金属铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸作为电解液。现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电池(VRLA)。分类：①普通铅酸电池：电解液是硫酸水溶液。电压稳定、价格低，比能量低、使用寿命短，维护频繁，多用于车辆辅助电源。②干式铅酸电池：使用时加入电解液，储电能力强。③免维护蓄电池：目前在车用动力电池中使用较多，其中阀控铅酸蓄电池(VRLA)具有电流大、寿命长等特点。主要优点：大电流放电性能好；价格低廉；无记忆效应；易于识别荷电状态；主要缺点：比能量低；寿命短，使用成本高；原料含铅，有污染；充电时间长。类型比能量（W·h/kg）能量密度（W·h/L）比功率（W/kg）循环寿命（次）价格（美元/KW·h）铅酸电池20-5060-100200-400400-6--120-150镍氢电池50-70100-140150-300800-2000150-200Li-ion120-140240-280200-3001200150-180车用动力电池分类各类型动力电池主要性能参数（2）镍氢电池镍氢蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍（NiOH），负极活性物质为贮氢合金（MH） ，电解液为30％的氢氧化钾溶液，电池充电时，正极的氢进入负极贮氢合金中，放电时过程正好相反。在此过程中，正、负极的活性物质都伴随着结构、 成分、体积的变化，电解液也发生变化。镍氢电池具有不明显的“记忆效应”。记忆效应大大缩小了电池的储存电容量，直接影响电池的使用。即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，而过度充电或放电，都可能加剧电池的容量损耗。因此对于厂商来说，镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电，如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内，以降低容量衰减速度。镍氢电池主要特点：比功率高；无污染；耐过充过放；无记忆效应；温度范围宽；自放电率高；高温性能差；过充过放会排出气体。镍氢单体电池的额定电压为1.2V，通常由六个或十个单体电池构成一块电压为7.2V或12V的电池模组。丰田普锐斯混合动力车型上就用了这种7.2V一节的电池，如图示。电容量为6.5Ah，实测每节外形尺寸为274mm×106mm×20mm，质量为1.1kg，有28节串联共计201.6V。（3）锂离子电池锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。分类：锂离子电池根据正极材料的不同，种类很多，其中较为广泛应用的主要有磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元锂电池。三元锂电又分NCM/NCA两种材料NCM：（LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2）正极材料由镍钴锰三种材料按比例组合而成；NCA（LiNi0.8Co0.15Al0.05O2），正极材料是由镍钴铝构成。两种三元材料的前两者是一样的，都是镍和钴，只有最后一个不同，前者为锰，后者为铝。NCA生产过程中比NCM的生产工艺要求更为严格。NCM中镍：钴：锰的摩尔比常见为5：2：3或1：1：1，而NCA中镍：钴：铝常见的摩尔比为8：1.5：0.5，由于NCA中铝的含量过少，因此也常称为二元材料。而NCA中以Al（过渡金属）代替锰，实际是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性，离子掺杂可以增强材料的稳定性，提高材料的循环性能。制作过程中由于Al为两性金属，不易沉淀，因此NCA材料制作工艺上难度大。由于NCA的技术更高端，生产难度更大。NCM的生产厂家众多，包括LG和中国的主要动力电池厂家。锂离子电池规格GB/T34013-2017《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》。表1 蓄电池尺寸范围产品尺寸尺寸范围＜10±0.5≥10，＜100±2.0≥100，＜500±5.0≥500±10.0表2 圆柱形电池尺寸系统序号外形尺寸mmN1N3118652217032665/7043270/134注：所列尺寸其尺寸范围参照表1.方形电池尺寸系列序号外形尺寸mmN1N2N312065138220/2770107/120/131312/20100141/310412/2012080/85527135192/214620/27/40/53/57/79/8614891/95/98/129/200/396712/20/32/40/45/48/53/7117385/110/125/137/149/166/184/200832/5321798注：1.所列尺寸范围参照表1.2.考虑整车布置的需要，推荐方形电池极柱高度不超过10mm。锂离子电池分类及特点1）磷酸铁锂电池 — 大量应用，优点：寿命长、充放电倍率大、安全性好、高温性好、元素无害、成本低。缺点：能量密度低、振实密度低(体积密度)。 2）钴酸锂电池，优点：电池结构稳定、容量比高