新能源汽车电池概述

付甜甜

汽车电池系统综述

内燃机汽车的心脏是动力系统，但是新能源车的心脏则是电池系统。电池系统的优劣直接关系到车的行驶里程、使用便利性等情况，而目前新能源动力车型最大的技术瓶颈也恰恰限制在了电池系统上，比如充电时间、充电效率、能量密度以及体积、材质、安全或者质量等等。

新能源汽车所使用的电池主要分为三大类，即化学电池、物理电池以及生物电池。我们目前最常见的汽车用电池有铅酸蓄电池、氢镍电池、锂离子电池、燃料电池等等。

铅酸蓄电池

铅酸蓄电池发明以来，其使用和发展已有100多年的历史，广泛应用于内燃机车的动力端，而新能源车所使用的铅酸蓄电池因为需要为车辆提供动力，所以它的主要发展方向是提高比能量，增大循环使用寿命。铅酸蓄电池是最成熟的新能源电池系统，1881年，世界第一辆电动三轮车使用的就是铅酸蓄电池，由于铅酸蓄电池成熟、可靠性好、原材料价格低廉，同时比功率也基本上可以满足电动驱动的动力要求，所以在新能源汽车中广泛应用。

铅酸蓄电池的优点：

(1)在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压较高，为2.0 V；

(2)制造成本低；

(3)可以做成各种尺寸和结构的蓄电池；

(4)高倍率放电性能良好，可用于发动机启动；

(5)电能效率可以达到60%；

(6)高低温性能良好；

(7)易于浮充使用，没有“记忆”效应，且易于识别荷电状态。

铅酸蓄电池的缺点：

(1)比能量低，在新能源车中所需要占用的整体质量以及体积比较大，一次充电可行驶的里程比较短；

(2)使用寿命短，且后期使用成本高；

(3)充电时间长；

(4)铅是重金属，存在污染。

氢镍电池

氢镍电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池，其正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质则由氢合金支撑，属碱性电池。氢镍电池属于一种绿色能源电池，目前很多新能源动力车型所使用的电池组都会选择氢镍电池。如右图的大众Hybird版途锐。

氢镍电池的特点：

(1)比功率高；

(2)循环次数多，目前应用在电动车辆上的氢镍动力电池组，80%放电深度循环可以达到1000次以上，为铅酸电池的三倍以上，100%DOD循环寿命也在500次以上，在混合动力汽车上可以使用五年以上；

(3)无污染，氢镍电池不含铅、镉等对人体有害的金属；

(4)耐过充过放，无记忆效应；

(5)使用温度范围宽；

(6)安全，可以抵抗短路、挤压、针刺、跌落、加热、震动等情况，且不会发生爆炸或者燃烧现象。

锂离子电池

锂离子电池最早在1990年由日本的索尼公司推向市场，是目前世界上最新一代的充电电池系统。相比较氢镍电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可使电池系统的质量下降40%~50%、体积减小20%～30%，能源效率大幅提升。现今大部分新能源车采用锂离子电池来提供动力，如BMW i3、特斯拉Model S等。

锂离子电池按照不同的正极材料可以分为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池以及镍钴锂电池等，而现在大多数新能源车型所使用的第二代电池组为磷酸铁锂电池，也是未来锂离子电池的发展方向所在。

大众的Hybrid 版途锐所使用的氢镍电池

锂离子电池优点:

(1)工作电压高，是氢镍、镉镍电池工作电压的3倍；

(2)比能量高，是镉镍电池三倍，氢镍电池1.5倍；

(3)循环寿命长，其循环寿命可以达到千次以上，在低放电深度下可以达到几万次，超过了其它几种二次电池；

(4)自放电率低，锂离子电池的自放电率仅为6%～8%，远低于镉镍电池和氢镍电池。

(5)无记忆性、无污染、随意塑形。

锂离子电池缺点:

(1)成本高，低于氢镍电池，与镉镍电池持平，但高于铅酸蓄电池。

(2)必须有特殊的保护电路，以防止过充现象。

燃料电池

燃料电池是一种化学电池，直接把物质发生化学反应时释放的能量转化为电能，工作时需要连续地向其供给活性物质(起反应的物质)——燃料和氧化剂。燃料电池的发展是以电化学、电催化、电极过程动力学、材料科学、化工过程和自动化等学科为基础的。最早的燃料电池是在1839年格洛夫使用电解水产生的氢气和氧气而制造成功的。

燃料 电池优缺点:

燃料电池并不是纯粹意义上的电池，而是一个输送电能的“发动机”，其将化学能转化为电能后输送给电池，然后再将电能输送给电动机，其优点多于缺点：

(1)能量转换的效率更高；

(2)无污染；

(3)结构简单。燃料电池车(质子交换膜燃料电池)的电池模块是一种积木化的结构，使得电池组的组装以及维护都非常方便，在运行中的噪音也会更低；

(4)氢能来源充分。氢是一种来源非常广泛的能源，且是一种可再生资源。

缺点同样存在：成本非常高，同时对氢的纯净度要求非常高，由于氢属于活性物质，所以对于其储存器具的要求也颇为严苛。

新能源车对于电池系统的要求

就像内燃机车对于发动机的各种要求，新能源车对于电池组也有着苛刻的要求，而这几项要求则直接关系到了新能源车在电动驱动方面的效能等问题：

(1)比能量。为了提高电驱动的续航里程，要求汽车上动力电池需要最大限度的存储能量，但其前提是不能过多增加车体自重、占用空间，所以需要电池组有很高的比能量。

(2)比功率。为了能使电驱动的加速性能、爬坡性能以及负载性能与内燃机车相提并论，所以对于电池组的比功率会有很高的要求。

(3)充放电效率。电池中能量必须经过充电-放电-充电的循环，高充放电效率对于电驱动的行驶效率有着至关重要的作用。

(4)稳定性。电池组应当在快速充电和放电的往复工况中保持性能的稳定性，使其在动力系统使用条件下能达到足够的放电循环次数。

(5)成本。除了降低电池的初始购买成本，还要提高电池的使用寿命。

(6)安全性。电池不能自燃或者引起燃烧，同时在发生车辆碰撞的时候，不会对驾乘人员造成人身伤害。

新能源汽车电池充电方式

(1)常规充电方式：此类充电方式是采用恒压、恒流的传统方式对汽车电池进行充电。这种方式以相当低的充电电流为蓄电池充电，电流大小约为15 A，若以120 Ah的蓄电池为例，充电至少要持续8个小时以上。这种充电方式是目前比较常见的电动车充电模式，成本低且工作稳定，但缺点是充电速率较慢。

(2)快速充电方式：以150～400 A的高充电电流在短时间内为蓄电池充电，与常规充电方式相比，其制造以及安装成本更高，主要目的是在短时间内给电动车完全充电。虽然充电速度加快，但是因为在快速充电过程中，电池发热量急剧增加，同时电池内部剧烈进行化学反应，所以对电池的寿命会造成一定影响，从而使电动车的后期使用成本大幅度增加。

(3)无线充电方式：这是一种比较新的充电模式，其概念类似于移动电话的原理，是一种将电能转换为一种符合现行技术标准要求的特殊的激光或者微波束，并在汽车某位置安装接受器作为充电接入口即可。

(4)更换电池方式：即在蓄电池能量耗尽后，用充满电的电池或电池组进行更换。一般在此类模式中，电池归品牌经销商、厂家所有，电动车用户只需要租用电池即可。

(5)移动式充电：对于电动汽车的蓄电池而言，最理想的情况是在行驶中进行充电，这样就可以最大限度地降低续航里程对于电动车行驶和普及的制约，不过此类充电模式需要政府的大力支持才可以，因为关系到在公路路面之下架设充电系统。