新能源汽車動力電池技術(shù)篇

新能源汽車動力電池技術(shù)篇I.車用電池是發(fā)展電動車的關(guān)鍵隨著技術(shù)的演進，傳統(tǒng)汽車的動力來源由以往的引擎逐漸轉(zhuǎn)向電池動力模組。其中電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)是油電混合車和電動車的核心，站區(qū)別于引擎汽車的最大不同點。電力驅(qū)動及控制系統(tǒng)由電源、驅(qū)動電動機和電動機的調(diào)速控制裝置等組成,其中系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件電車目前用在油電混合車和電動車的車用電池型態(tài)與種類包括鉛酸電池、鍥氫電池、銀銘電池、鋰離了?電池，以及更具遠景的燃料電池和太陽能電池等。由于車用電池的性能，成本和安全性，將很直接地決定油電混合車和純電動車的發(fā)展進程，而性能、成本和安全性也決定了車用電池各種技術(shù)路線的前景。車用電池的技術(shù)指標作為電動車輛驅(qū)動電源的二次電池。因此，在評量油電混合車的車用電池有以下幾項技術(shù)指標：1)電力密度PowerDensity(W/Kg)代表每公斤品質(zhì)的電池能提供的功率。它的大小決定電池所能輸出的最大功率，標志著汽車的加速性能和最高車速,對電動車的動力性能等有直接影響。2)能量密度EnergyDensitv(Wh/kg)代表者單位重量(如Kg)或單位體積電池所能儲存:的能量。也就是以電池之反應(yīng)物在電化學(xué)反應(yīng)時所釋放出來的總能量除以電池的總重量或總體積，通常能量密度意味著純電動模式下的續(xù)航能力。3)循環(huán)壽命CycleLife車用電池的工作是一個不斷充電一一放電——充電一一放電的循環(huán)過程，每充電和放電一次，車用電池中的化學(xué)物質(zhì)就要發(fā)生一次可逆性的化學(xué)反應(yīng)。隨著充電好放電次數(shù)的增加，車用電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會發(fā)生老化，逐漸削弱其化學(xué)功能，降低車用電池的充電和放電效率，最后部分或完全喪失其充電和放電功能。車用電池的工作循環(huán)壽命是衡量:車用電池壽命的重要指標，對車用電池的使用有.直接影響。4)尖峰電力密度PeakSpecificPower(KW)：系統(tǒng)效率系統(tǒng)效率成本高潛水艇4.低于峰值功率輸出特>50%氣電共生分散型發(fā)電離島地區(qū)發(fā)電移動式電取代大規(guī)?；鹆Πl(fā)電源運輸工具之電源氣電共生分散后發(fā)電發(fā)電。主要的國際電池相關(guān)標準目前全球各主要國家或市場，正在制定相關(guān)的電動車用電池標準，并參考過去電池的標準，以及結(jié)合對包括油電混合車、純電動車等電動車特當前的主要電池標準如卜.:主要的現(xiàn)存國際電池相關(guān)標準電移動式電源運輸工分散向發(fā)電具之電源標準號標準名稱主要應(yīng)用含堿性或非酸性電解液的單體蓄電池(電芯)個蓄電池組：便攜式蓄電芯及使用其制造的電池、便攜應(yīng)用的安全要求能測試國際標注含堿性或非酸性電解液的單體蓄電池(電芯)和韓國KPS認證主要測試標準蓄電池組：便攜式鋰單體蓄電池(電芯)和鋰蓄UNRccommcndationsontheTransportof鋰電池運輸(空運、海運)必須通過aUN關(guān)于危險品運輸?shù)慕ㄗh，手冊及試驗標含堿性或非酸性電解液的單體蓄電池和蓄電池：便攜式密封鋰單體蓄電池和鋰蓄電池的機械試驗Lithiumbatteries鋰電芯權(quán)威安全標準鋰電池鋰電池家用及商業(yè)電池鋰寓子蓄電池組規(guī)格鋰電池權(quán)威安全標準輕工業(yè)標準的最大加速能力。電池的成本與電池的新技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開發(fā)的高功率比車用電池成本較高。2.各種電動車對車用電池的要求?般情況下，油電混合車的車用電池需要進行頻繁、淺度的充放電循環(huán)。在充放電過程中，電壓、電流可能有較大的變化。針對這種使用特點，油電混合車系統(tǒng)對電池有?以下特別要求：電力密度是衡量蓄電池快速充放電能力的指標，相對于能力密度要求，油電混合車對電力密度要求更高。車用電池中能量的循環(huán)，必須經(jīng)過充電——放電一一充電的循環(huán)，高的充放電效率對于保證整車效率具有非常重要的作用。車用電池應(yīng)當在快速充放電和充放電過程的條件下保持性能的相對穩(wěn)定，使其在動力系統(tǒng)使用條件下能達到足夠的充放電循環(huán)從下表可見，油電混合車(HEV)因為仍抱有汽油作為主要動力，續(xù)航力問題并非主要考慮。二是更為強調(diào)加速與爬坡性能，因此相對其它類型的電動車更為注重電力密度(要求800~1200W/Kg),而純電動車(EV)則是完全依賴電池當作動力來源，更為強調(diào)充電后的續(xù)電電力密度(min.kg)(min.kwh)(I)EV對于電池性能要求尖峰電力密度(min.kv)能量密度(niin.wh/kg)(II)HEV、PHEV、重量(max.kg)油電混合車(HEV)充電式油電混合車(PHEV)純電動車(EV)iin)以現(xiàn)階段各種電池的技術(shù)觀察，口前技術(shù)最成熟、能夠商業(yè)化的仍屬鍥氫電池。但是新的技術(shù)也急起直追，未來鋰離子電池以及燃料電池也有機會達到動力汽車的要求。鍥氫電池的組成由正極材料、電解液、金屈材料、隔膜所組成。其中正極采用金屬氫氧化鍥，負極使用錫氫合金。鍥氫車用電池具有無污染、能量密度、電力密度、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)異特性。與鉛酸電池相比，鍥氫電池具有能量密度高、重量輕、體積小、循環(huán)壽命長的特點；與銀鎘電池相比，其能量密度是鍥鎘電池的兩倍。另一大優(yōu)點就是鍥氫電池不含有鎘、鉛這類有毒金屈，其中一些金屬還有較高的回收價值，可稱為綠色能源。下列為鍥氫電池主要特點：銀氫車用電池模組主要規(guī)格能量玄度(Wh/kg)N/AW*H*L)N/A銀氫車用電池是目前最成熟與安全的技術(shù)目前階段開發(fā)油電混合乍，車用電池選銀氫電池是比較理想的。隨著油電混合車市場的逐漸成熟，銀氫電池的價格也會隨之下降，銀氫不用電IIEV能源汽中銷員的80%以上。長達十多年的成功商業(yè)化運行，已充分證明HEV是目前技術(shù)最成熟、使用最安全的車型。鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)況鋰離子電池技術(shù)與特性鋰離子電池的原材料主要包括正負極材料、電解液、電極基材、隔膜和外殼等。其中，正極材料是鋰電池中最為關(guān)健的原材料，直接決定了電池的鍥鉆(三元材料)和悝鐵等。而各種不同正極材料決定了鋰離子電池的主要用途。鋰鉆最早實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展至今己相當成熟，并且廣泛應(yīng)用在小型低功率的可攜式電池產(chǎn)品如手機、筆記型電腦和數(shù)碼相機等消費性電銀鍥和鋰鎰由于存在容量低、性能差、有安全隱患等固有缺陷，因此只能用作過渡材料，短期內(nèi)用于車用電池有所表現(xiàn)，長期必然被鋰鐵所取代。鋰鍥鉆也就是三元材料，它融合了鋰鉆和鋰鎰的優(yōu)點，無論是在小型低功率電池還是在大功率車用電池上都有應(yīng)用。鋰鐵材料相較于其他材料具有大電流、快速充放電等特性，是最被業(yè)界看好應(yīng)用于車用電池領(lǐng)域的。但卻是當前產(chǎn)量最少、成本最高的?種正極材而目前鋰離子電池應(yīng)用于車用電池領(lǐng)域主要以鋰缽電池以及鋰鐵電池為主。在規(guī)格上，由于鋰鎰電池的電壓面達3.8V,加上材料因素，因此在能達2000次，工作溫度約-20、65C,都比鋰缽電池來的優(yōu)秀，因此更適合應(yīng)用于車用領(lǐng)域。尺寸都有廠商在生產(chǎn)，尺寸的考慮主要在于自家工廠的生產(chǎn)效率以及技術(shù)上如何解決不同電池芯間電性平衡的問題。而聚合物鋰電池由于體積可以有不等。并且可依照客制化的要求，在外形做改變。鋰離子電池芯規(guī)格鋰電池較沒有記憶效應(yīng)升陽半導(dǎo)體升陽半導(dǎo)體鋰鐵電池Wkg能量密度W*H*D蘭陽能源鋰鐵電池N/AN/A技鋰缽電池N/AN/A必翔電能鋰鐵電池N/A鋰電池和銀氫電池不同，已經(jīng)沒有記憶效應(yīng)，是以多少次循環(huán)(cycle)當做壽命計算的單位，而不是充電的次數(shù)來計算。也就是說，充滿鋰電池到飽再放到完算是一次，?般鋰電池的充放電循環(huán)可達數(shù)百次以上。鋰電池的設(shè)計會加上防止電力過低的保護電路板，這種電路板的用途是避免鋰電池電量過低，因為太低的話，很難充電，鋰電池也就會有損壞的風(fēng)險。燃料電池的發(fā)展現(xiàn)況其生成物只有水和熱。無噪音：燃料電池發(fā)電本體在發(fā)電時，不雷其他移動機件的配合，因此沒有噪音問題。用途多樣化：燃料電池所能提供的電力范圍相當廣泛，小至手機大至萬瓦發(fā)電廠，都在其適用范圍內(nèi)。地供紿燃料，燃料電池變可以不停地發(fā)電。燃料電池方面的挑戰(zhàn)燃料資源多：只要含有氫原了?的石化能源如石油、天然氣、煤炭、沼氣、酒精與甲醉等，通過一個轉(zhuǎn)換器，都可作為燃料電池的能源進料。目前更有利用高壓鋼瓶或金屬氧化物等儲氫材料制成的儲氫卡叩，成為燃料電池電力組，可取代一般的蓄電池，因此被視為節(jié)能、無污染的最佳解決目前燃料電池在技術(shù)上依照電解質(zhì)及電極材料的不同，主要被發(fā)展的共有質(zhì)子交換膜燃料(PEMFC)、磷酸型燃料(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料(MCFC)、固態(tài)輒化物燃料(SOFC)以及堿性燃料(AFC),其性能及架構(gòu)如下表所示：燃料電池發(fā)展現(xiàn)況燃料電池現(xiàn)況:質(zhì)子交換膜燃料碳酸型燃料熔融碳酸鹽燃料固態(tài)氧化物燃料堿性燃料電力密度(W/Kg)發(fā)電效率(%)發(fā)電范圍2MW啟動時間鐘鐘主要應(yīng)用太空、運輸、攜帶裝分布式電廠等大型太空、運輸日本曾預(yù)測下個世紀的能源供應(yīng)將由石化燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闅淠艿纳鐣?，其中氫能轉(zhuǎn)換成電能的主要裝置就是燃料電池。燃料電池因具有干凈、環(huán)保與前商業(yè)之應(yīng)用如日本以燃料電池作為市區(qū)電力負載管理工具；德國燃料電池動力潛水艇：美國采用汽電共生方式作為醫(yī)院、飯店、建筑物之供電；加拿大推出燃料電池的巴士：福特、寶土、豐田等汽車大廠相繼推出燃料電池電動車。亞電路板、奇宏科技與思柏科技組成研發(fā)聯(lián)盟，開發(fā)筆記本型電腦用直接甲醉燃料電池電力組(DMFC)。上述五種電池中以質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)為車用電池的首選，具有電力密度高和啟動快的能夠特點。目前，國際上車用電池技術(shù)領(lǐng)先者為加拿Ballard司和鐫國DaimlerChrysler公司技術(shù)合作所開發(fā)出的車用電池,另外其他公司如Honda、GM、Ford、也紛紛推出自有品牌如FCX、盡管燃料電池具有節(jié)能零污染材料取得方便的優(yōu)點，但在制作技術(shù)上仍面臨電池耐久性與高成本的挑戰(zhàn)，耐久性短的原因在于車輛使用狀況對燃料電池的影響,如頻繁的發(fā)動次數(shù)、車速快速切換、車子不穩(wěn)定駕駛、低溫的行駛環(huán)境等都容易造成電池的損壞,針對此問題，福特和克萊斯勒推出PHEV油電混合車電動車，使車子能在穩(wěn)定的環(huán)境下進行操作，但仍無法避免低溫和難質(zhì)環(huán)境下電池損耗的問題。在成本方面則面臨用來當做催化劑的貴金屬的成本居高不下，儲氫擢的體積龐大且價格昂貴，運輸成本大，以及加氫站等配套設(shè)施建設(shè)費用高皆使的燃料電池發(fā)展遭遇阻礙，有賴未來技術(shù)改良提出更好的解決方案。目前?輛燃料電池車價格約14,300美元，相當于臺幣500萬元，其價格遠高于?般車款，無法被大眾接受，因此中長期來看質(zhì)質(zhì)子交換膜燃料電熔融碳酸鹽燃料電固態(tài)氧化物燃料電堿性燃料電池磷酸燃料電池化普及使用被各國視為長期發(fā)展目標。其它愫瓶可控制.7%導(dǎo)電離子工作溫度料氧化劑性KOU含瓶質(zhì)子交換膜H3P()4C(含Pt)C(含Pt)C(含Pt)C(含觸媒)C(含Pt)、粕坦C(含Pt)0H斤H,純氫氫氣、甲醇