純電動(dòng)汽車鋰離子電池工作原理與市場(chǎng)研究

　　目前，我國新能源純電動(dòng)汽車經(jīng)過十多年的研究和發(fā)展，已經(jīng)取得了一系列的突破，也開始逐步投放進(jìn)市場(chǎng)，但仍然存在諸多的問題。其中，電動(dòng)汽車的續(xù)航能力及動(dòng)力性能是這諸多問題的焦點(diǎn)。而動(dòng)力電池系統(tǒng)是制約續(xù)航能力及動(dòng)力性能的關(guān)鍵技術(shù)問題。在此，本文擬針對(duì)電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行一定的介紹。

　　目前，純電動(dòng)汽車上使用的動(dòng)力電池主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。其電池的反應(yīng)原理圖如下圖（a）（b）（c）所示，其基本性能如下所述。

　　圖（a）鉛酸電池的工作原理圖

　　圖（a）為鉛酸電池的工作原理圖。其主要通過化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和放電。目前鉛酸電池工藝成熟、過放性能良好、安全性能好、價(jià)格低廉，在電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車以及低速純電動(dòng)汽車上有廣泛的應(yīng)用，但是由于其比能量和比功率較低，不能滿足純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程要求，在純電動(dòng)汽車上未能廣泛應(yīng)用。

　　圖（b）鎳氫電池的工作原理圖

　　圖（b）為鎳氫電池的工作原理圖。其主要也是通過化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和放電。但是鎳氫電池與鉛酸電池相比具有環(huán)境友好、大電流放電、能量密度比鉛酸電池高以及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是電壓平臺(tái)低（1.2V），用于純電動(dòng)汽車上，需要大量地串并聯(lián)組合，使得電池組一致性變差，電池管理系統(tǒng)復(fù)雜，制約其在純電動(dòng)汽車上使用。

　　圖（c）鋰離子電池的工作原理

　　圖（c）為鋰離子電池的工作原理圖。其主要通過離子的遷移來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和放電。鋰離子電池的單體電壓為鎳氫電池的3倍，并且具有比能量密度相對(duì)較大、無記憶效應(yīng)、充放電效率高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)和無污染性等優(yōu)點(diǎn)，因此，鋰離子電池成為了目前在純電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力電池。其中，以磷酸鐵鋰三元材料為代表的鋰離子電池，因其能量密度可達(dá)到130Wh/kg-140Wh/kg，且充放電平臺(tái)穩(wěn)定、安全性能良好、低溫性能和循環(huán)壽命較好2015年10月11日，在合肥中國新能源汽車動(dòng)力電池材料高峰論壇上，華中科技大學(xué)材料學(xué)材料與工程學(xué)院院長(zhǎng)黃云輝也表示，磷酸鐵鋰電池通過納米技術(shù)和富鋰技術(shù)等手段而應(yīng)用，其實(shí)際能量密度將會(huì)大幅度提升，并且磷酸鐵鋰電池實(shí)現(xiàn)2元/瓦時(shí)以下的成本沒有問題。因此，以磷酸鋰鐵為代表的三元材料電池，現(xiàn)在是目前純電動(dòng)汽車主要的動(dòng)力電源。

　　雖然鋰離子電池經(jīng)過發(fā)展能量密度及其他性能都得到了很大的提高，但是按照現(xiàn)在車輛油箱的位置大小，且電池重量符合車輛承載能力和軸荷分配要求，動(dòng)力電池比能量應(yīng)達(dá)到 500-700Wh/kg。而目前的鋰離子電池的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該值。因此目前提高動(dòng)力電池能量密度是制約鋰離子電池發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。

　　目前，為了突破能量密度低這個(gè)電池的瓶頸問題，國內(nèi)外學(xué)者主要做了以下幾個(gè)方面的研究。

　　在材料方面，而以硅基和錫基合金作為鋰離子電池的負(fù)極材料。通過這種材料的改進(jìn)的鋰離子電池其理論的容量可分別高達(dá)4200Wh/kg和990Wh/kg，完全能滿足純動(dòng)力汽車動(dòng)力電池能量的要求，但是硅基鋰離子電池由于充放電過程產(chǎn)生巨大材料體積膨脹效應(yīng)，以及鋰在硅膜中擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較小、電化學(xué)性能顯著惡化；錫基合金負(fù)極材料電池理需解決首次不可逆容量高，充放電循環(huán)性能差的問題，目前未能在純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域得到產(chǎn)業(yè)化。

　　另外一方面，主要是從制備技術(shù)和成組技術(shù)上進(jìn)行突破。從電池的制備技術(shù)綜合考慮，采用納米技術(shù)制備來提高電池的性能，開發(fā)新型的納米材料。從成組技術(shù)上考慮，可合理設(shè)計(jì)動(dòng)力電池系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)，減少由電池單體組成的電池組產(chǎn)生的性能衰減，減小電池組中電池單體一致性的影響；并且通過對(duì)實(shí)車上電池系統(tǒng)進(jìn)行能量管理，實(shí)現(xiàn)能量的進(jìn)一步合理分配利用。目前主要集中在對(duì)電池組的能量管理、充放電均衡、以及SOC估算等方面。在電池組能量管理研究方面，針對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量分配，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電池組能量管理分配策略做了大量的研究，總結(jié)出了功率跟隨控制策略、幵關(guān)式控制策略、固定因子功率分配控制策略、模糊控制策略等一系列能量管理控制策略。

　　綜合以上分析，目前純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池，主要采用的是鋰離子電池。其提高性能的主要的技術(shù)瓶頸在于進(jìn)一步提高純電動(dòng)汽車單體電池的性能水平，以及提升純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的管理等方面。