電動汽車動力蓄電池的國內(nèi)外發(fā)展狀況及動向

電動汽車動力蓄電池的國內(nèi)外發(fā)展狀況及動向摘要：隨著人們對環(huán)境保護與節(jié)約能源的關(guān)注，電動汽車和混合動力汽車已經(jīng)越來越引起人們的關(guān)注，而兩者發(fā)展的核心及難點就在于蓄電池技術(shù)的發(fā)展。世界各國特別是汽車工業(yè)比較發(fā)達的國家，正在致力于研發(fā)低污染和無污染汽車。而今，電動汽車是當前能滿足“零排放’’要求的首選方案。電動汽車的能量效率比普通燃油汽車高40%左右。本文將從蓄電池的角度綜述電動汽車國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展。關(guān)鍵詞：電動汽車；蓄電池；能量管理隨著社會的進步和科技的發(fā)展，隨著保護環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲日益高漲，新一代電動汽車作為無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，近些年來引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。北京要把2008年奧運會辦成一屆綠色的奧運會，其中的一項工作就是要用環(huán)保型的電動汽車來替代目前的內(nèi)燃機汽車。電動汽車以電力驅(qū)動，行駛無排放（或低排放），噪音低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機汽車高很多，同時電動汽車還具有結(jié)構(gòu)簡單、運行費用低等優(yōu)點，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機汽車。但電動汽車目前還存在價格較高、續(xù)駛里程較短、動力性能較差等問題，而這些問題都是和電源技術(shù)密切相關(guān)的，電動汽車實用化的難點仍然在于電源技術(shù)，特別是電池（化學(xué)電源）技術(shù)。目前制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動力蓄電池不理想，對于開發(fā)電動汽車的競爭，最重要的就在于開發(fā)車載動力電池的競爭。1電動汽車蓄電池種類及研究動向1.1當前世界上研究開發(fā)的電動汽車動力電池主要包括鉛酸電池、鎳金屬電池、鋰離子電池、鈉電池、金屬空氣電池、超級電容、飛輪電池以及具有更好發(fā)展遠景的燃料電池1。1、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源。它也是成熟的電動汽車蓄電池，目前約有8%?90%的采用率。它可靠性好、原材料易得、價格便宜；比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它有兩大缺點；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本過高。鎳鎘電池目前，鎳鎘電池的應(yīng)用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池其比能量可達55W?h/kg，比功率超過190W/kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達到2000多次，但價格為鉛酸蓄電池的4-5倍。它的初期購置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環(huán)境污染。2、 鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池和鎳鎘蓄電池一樣，也屬于堿性電池，其特性和鎳鎘蓄電池相似，不過鎳氫蓄電池不含鎘、銅，不存在重金屬污染問題。目前生產(chǎn)電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovine公司，它現(xiàn)有80A?h和130A?h兩種單元電池，并由此構(gòu)成30kw?h和50kw?h兩種規(guī)格的電池。其比能量達75-80W?h/kg，比功率達160-230W/kg，循環(huán)使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛345km，有一輛車一年中行駛了8萬多公里。由于價格較高，目前尚未大批量生產(chǎn)。估計隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展，其比能量可超過80w?h/kg，循環(huán)使用壽命可超過2000次，遠景價格可降至150美元/Kw?h。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動汽車優(yōu)先考慮蓄電池。3、 鈉硫蓄電池鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車蓄電池，美國福特汽車公司的Minivan電動汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國先進電池聯(lián)合體(USMABC)列為中期發(fā)展的電動汽車蓄電池，德國ABB公司生產(chǎn)的B240K型鈉硫蓄電池，其質(zhì)量為17.5kg，蓄電量19.2Kw?h；比能量達109W?h/kg，循環(huán)使用壽命1200次，裝車試驗時最好的一輛車無故障地行駛了2300km。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴重，電池壽命較短。性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問題。4、 鋰電池鋰電池的種類繁多，常見的有色鋰離子電池、高溫鋰熔直鹽電池、鋰聚合物電池和但聚合物固體電解質(zhì)電池等，鋰離子電池比能量的理論值為570W?h/kg，它目前達到的性能指標是：比能量為100w?h/kg，比功率200w/kg，循環(huán)使用壽命為1200次，充電時間2-4小時。采用能量密度更高的鋰離子電池取代鉛和鎳氫電池，運用于汽車領(lǐng)域正成為一項核心技術(shù)，它具有重量輕、儲能大、功率大、無污染、也無二次污染、壽命長、自放電系數(shù)小、溫度適應(yīng)范圍寬泛，是電動自行車、電動摩托車、電動小轎車、電動大貨車等較為理想的車用蓄電池。缺點是價格較貴、安全性較差。不過現(xiàn)在已有技術(shù)開發(fā)錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料，大大提高了鋰離子電池的安全性，而且降低了成本。5、 鋅空氣電池鋅空氣電池的潛在比能量在200w?h/kg左右。美國DEMI公司為電動汽車開發(fā)的鋅空氣電池的比能量已達160W-h/kg左右，但它目前尚存在壽命短、比功率小、不能輸出大電流及難以充電等缺點。美國的CRX電動汽車裝的就是鋅空氣電池，該車為彌補它的不足，還裝有鎳鎘蓄電池以幫助汽車起運和加速CRX車的鋅空氣電池組質(zhì)量為340kg,充足電后可存儲45kw?h的能量，同時裝備CRX的重達159kg的鎳錫蓄電池充足電后有4kw?h能量。充電12分鐘可使CRX電動汽車行駛65km，充電一小時則可行駛160km。6、 飛輪電池飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。眾所周知。當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉(zhuǎn)換。當飛輪電池出電的時，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達200000r/min），使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能可達150W?h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛600km，由到96km/h加速度時間為6.5秒。7、 燃料電池燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不經(jīng)歷熱機過程，不受熱力循環(huán)限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達100%，實際效率已達60%?80%，是普通內(nèi)燃機熱效率的2—3倍?，F(xiàn)在應(yīng)用于電動汽車中的燃料電池是一種被稱為質(zhì)于交換膜燃料電池（PEMFC），它以純氫為燃料，以空氣成龍為氧化劑。在1993年加拿大溫哥華科技展覽會上，加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一輛以PEMFC電池為動力的電動公共汽車。載客20人，可行駛160km/h，最高速度72.2km/h0德國奔馳汽車公司也研制了以PEMFC電池為動力的電動汽車。1.2國內(nèi)外的主要研究動向目前普遍認為，作為實用開發(fā)的重點和目標可分為近期、中期和遠期。近期以改進型鉛酸和Cd-Ni電池為主，中期以MH-Ni電池和Na-S電池為主，遠期以Li離子電池和燃料電池為主。目前，越來越多的研究人員選用鋰離子電池作為電動汽車的動力電池，因為鋰離子動力電池有以下優(yōu)點：工作電壓高（是鎳鎘電池氫-鎳電池的3倍）；比能量大（可達165WH/kg,是氫鎳電池的3倍）；體積??；質(zhì)量輕；循環(huán)壽命長；自放電率低；無記憶效應(yīng)；無污染等。如果采用鋰離子電池，電動汽車成本難以降低。磷酸鐵鋰電池也是一種鋰電池，其比能量不到鉆酸鋰電池的一半，但是其安全性高，循環(huán)次數(shù)能達到2000次，放電穩(wěn)定，價格便宜，成為車用動力新的選擇。據(jù)有關(guān)資料顯示，全球汽車鋰電池的生產(chǎn)企業(yè)主要有二十多家，而日本則走在全球前列，有美國的A123、江森自控（JohnsonControls）；中國的比亞迪、韓國的LG化學(xué)，而僅僅日本就有東芝、日立制作所、日本電氣（NEC）、GSYuasa、豐田汽車和松下電器產(chǎn)業(yè)的合并公司PanasonicEVEnergy等十來家相關(guān)企業(yè)。中投顧問產(chǎn)業(yè)研究中心數(shù)據(jù)顯示，據(jù)目前在混合電動汽車上所使用的鎳氫電池幾乎大部分是由日本企業(yè)制造的，日本的豐田公司與本田公司主導(dǎo)著與混合電力汽車相關(guān)的技術(shù)，兩家公司在世界市場上的占有率超過85%。以現(xiàn)代汽車公司與LG化學(xué)公司為主力的韓國企業(yè)從2004年開始的5年以來，作為第二代電池成長動力產(chǎn)業(yè)的一環(huán)，在混合電動汽車用高輸出動力的鋰電池開發(fā)方面已經(jīng)投入了160億韓元的預(yù)算。另外，去年韓國知識經(jīng)濟部決定在5年內(nèi)，對內(nèi)置型混合電力汽車用的移動電池與相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)方面援助400億韓元，并在2013年開始大規(guī)模生產(chǎn)。我國電池企業(yè)研發(fā)現(xiàn)狀：動力電池研發(fā)產(chǎn)品的主要性能居國際先進水平，電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)雄厚，但需要解決一些薄弱環(huán)節(jié)。我國動力電池關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品研發(fā)取得重大進展，與日本、美國、德國等國際先進水平比較，總體水平相當，比亞迪、力神、雷天等企業(yè)開發(fā)出的鎳氫和鋰離子兩種類型、多個系列的車用動力電池，能量密度、功率密度（能量密度、功率密度是指單位重量的能量和功率，前者決定了電動汽車的續(xù)航里程和重量，后者決定了汽車的動力性）等主要性能指標居國際先進水平。電催化劑、復(fù)合膜、雙極板等關(guān)鍵材料也取得重要進展。2電池管理系統(tǒng)2.1國外電池管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀隨著電動汽車研究和應(yīng)用的不斷升溫，國外一些大的汽車生產(chǎn)企業(yè)和電池生產(chǎn)廠家針對各種電動汽車車載電池作了大量研究及試驗，構(gòu)建出了各自的數(shù)學(xué)模型，成功地開發(fā)出電池管理系統(tǒng)，并在車上試用。其中較典型的電池管理系統(tǒng)34[5]有：⑴美國Aerovironment公司研發(fā)的SmartGuard電池管理系統(tǒng)：（2）美國ACPropulsion公司開發(fā)的名為BatObt的高性能電池管理系統(tǒng)；(3)美國通用汽車公司生產(chǎn)的“EVl"型電動汽車上應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)；(4)德國柏林大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng)；(5)德國B.Hauck設(shè)計的BATTMAN系統(tǒng)。SmartGuard。SmartGuard系統(tǒng)是在電池上裝有一個分布式的管理裝置(用了專用IC)來測量電池的電壓和溫度，在主控部件有信號來時還可起動電流旁路電路。SmartGuard的主要功能有：過充電監(jiān)測與控制、電池歷史紀錄、提供最差供電電池單元的信息。。BatObt系統(tǒng)。該系統(tǒng)每個電池上的監(jiān)控模塊和中心控制單元組成一個分布式系統(tǒng)。通過twowire總線，監(jiān)控模塊向主控單元報告電池電壓、溫度等信息，主控單元收集單體電池信息后，提供手動和自動充電策略，它有以下特點：每個模塊提供5安培的均充電流、模塊有一溫度監(jiān)控、twowire總線接口?！癊Vl”電池管理系統(tǒng)?！癊Vl”電池管理系統(tǒng)包括：電池模塊(用于汽車驅(qū)動和其他用電系統(tǒng))，電池組控制模塊(batterypackmodule，BPM)，電池組熱管理系統(tǒng)(thermalmanagementsystem)和電池組高壓斷電保護裝置(highvoltagedisconnect)四個組成部分。其中，電池組控制模塊有以下功能：電池單體電壓監(jiān)測、電流采樣、電池組高壓保護、溫度采樣、控制充放電、電量或里程計算和高壓回路繼電器。德國柏林大學(xué)研制的電池管理系統(tǒng)包括，顯示模塊(display)、速度調(diào)節(jié)模塊(accelerator)>溫度調(diào)節(jié)模塊(coolingandheating)、上位機診斷模塊(diagnosisPC)以及為每個電池模塊配備的平衡器(chargerbalancing)。在總體控制方案中，采用CAN總線方式，微處理器單元采用西門子公司的Microcontroller80C167CR。功能上該管理系統(tǒng)包括：防止電池過充過放、均衡器實現(xiàn)電池均衡充電、電池組熱管理、剩余電量估計、電池老化信息、電池故障診斷、系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)記錄和存儲。BATTMAN系統(tǒng)。BATTMAN電池管理系統(tǒng)強調(diào)了將所有的不同型號動力型電池組的管理做成一個系統(tǒng)，通過改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法，來實現(xiàn)對不同型號電池組的管理。之所以要這樣做，是根據(jù)對不同型號的電池組的管理可分為共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他認為這些共同的部分是：決定電池能存儲的電流能量、決定最弱電池單體的剩余電量、能影響電池的運行和數(shù)據(jù)的記錄、溫度的測量。2.2國內(nèi)電池管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀我國在十五期間設(shè)立電動汽車重大專門研究項目，經(jīng)過幾年的發(fā)展之后，在電池管理系統(tǒng)技術(shù)方面取得很大的突破，與國外水平也較為接近。在國家863計劃2005年第一批立項研究課題中，就分別有北京理工大學(xué)承擔的EQ7200HEV混合動力轎車用鎳氫動力電池組及管理系統(tǒng)、湖南神舟公司承擔的EQ6110HEV混合動力城市公交車用大功率鎳氫動力電池及其管理5系統(tǒng)、蘇州星恒電源有限公司承擔的燃料電池轎車用高功率型鋰離子動力電池組及其管理系統(tǒng)、北京有色金屬總院承擔的解放牌混合動力城市客車用鋰離子電池及管理模塊等課題。其中電池管理系統(tǒng)主要以各高校為主力進行研發(fā)，典型的有北京交通大學(xué)為湖南神舟公司開發(fā)的鎳氫電池管理系統(tǒng)，已用于長安產(chǎn)業(yè)化的混合動力汽車上：北方工業(yè)大學(xué)研發(fā)的混合動力電動汽車電池管理系統(tǒng)，及同濟大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高校研發(fā)的管理系統(tǒng)；北京交通大學(xué)研發(fā)的鎳氫電池管理系統(tǒng)［6］主要功能包括：動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)，即實時采集電動汽車蓄電池組中的模塊電池的端電壓和溫度、充放電電流以及電池包總電壓；準確估測動力電池組的荷電狀態(tài)（即SOC），從而隨時預(yù)報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或儲能電池的荷電狀態(tài)，使電池的SOC工作范圍控制在30%,--70%；蓄電池故障的早期預(yù)測和報警（過壓欠壓報警，過溫報警）；動力電池組的熱平衡管理；整車高壓絕緣性能的預(yù)測報警；與整車通過CAN總線進行數(shù)據(jù)通訊。該管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用了集中設(shè)計的方式，適合用于對空間要求比較嚴格的小轎車，從圖中可見管理系統(tǒng)由主控器、電流測量、電壓測量、溫度測量、絕緣測量、高壓控制系統(tǒng)、CAN通訊，RS232通訊，計時及數(shù)據(jù)存儲等功能模塊組成。其中主控器選用了Motorola公司的9S12系列的單片機；電流測量部分利用分流器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再利用A/D芯片進行采樣；電壓測量部分采用光電繼電器將電池電壓逐節(jié)切入，并使用專門的A/D轉(zhuǎn)換器MAXlll將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給CPU；溫度測量部分選用了10個集成的溫度傳感DSl8820對電池組溫度進行監(jiān)測；絕緣測量部分使用平衡電橋法，外加可控的MOSFET人為改變平衡電橋的平衡，利用A/D芯片采樣相應(yīng)電壓，通過計算獲得電池的絕緣狀態(tài)。該管理系統(tǒng)另一主要特點是采樣部分和CAN通訊都對數(shù)字信號的傳遞進行了光耦隔離，供電電源也利用了DC/DC轉(zhuǎn)換器進行隔離，這樣使系統(tǒng)的抗干擾能力得到了大大提升。北方工業(yè)大學(xué)的管理系統(tǒng)［7］主要功能模塊分為電流測量、電壓測量、溫度測量等。該管理系統(tǒng)以TMS320LF2407作為主控器；其電流測量部分采用電流型霍爾元件LT308,并經(jīng)放大電路放大后由外部的A/D芯片進行轉(zhuǎn)換得到電流值；電壓測量也采用了通過光電繼電器進行電池電壓切換的模式；溫度測量部分選用了熱敏電阻作為溫度傳感器。綜上可見，國內(nèi)電池管理系統(tǒng)主要有過充過放控制、過壓欠壓報警、S0C估算、電池組熱管理、與整車的CAN通訊等功能，其設(shè)計上也主要針對單一的電池，應(yīng)用在單一的車型上，多數(shù)還處在實驗室研究的階段，無法適應(yīng)不同類型電動汽車的快速研發(fā)甚至產(chǎn)業(yè)化，對于新電池的應(yīng)用也需要進行多次重復(fù)的電池管理系統(tǒng)開發(fā)，這即耗費人力資金也大大的阻礙了動力電池在電動汽車上的應(yīng)用。3小結(jié)盡管傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車仍在當今世界占據(jù)主導(dǎo)地位，但發(fā)展清潔無污染的電動汽車已是大勢所趨，也是世界各國的必然選擇。目前，在電動汽車的商業(yè)化運作上，無論從產(chǎn)品技術(shù)還是從市場開發(fā)方面.都還面臨許多亟待解決的問題，比如續(xù)駛里程有限、蓄電池使用壽命太短、蓄電池尺寸和質(zhì)量的制約、電動汽車價格昂貴、間接污染嚴重等。因此燃料電池汽車將在未來成為競爭的焦點，燃料電池在成本和整體性能上，特別是行程和補充燃料時間上明顯優(yōu)于其他電池，且燃料電