純電動汽車鋰離子電池工作原理與市場研究

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

　　目前，純電動汽車上使用的動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。其主要通過化學反應來實現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)儲能和放電。目前鉛酸電池工藝成熟、過放性能良好、安全性能好、價格低廉，在電動自行車、電動摩托車以及低速純電動汽車上有廣泛的應用，但是由于其比能量和比功率較低，不能滿足純電動汽車續(xù)駛里程要求，在純電動汽車上未能廣泛應用。

　　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反應來實現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)儲能和放電。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等優(yōu)點，缺點是電壓平臺低（1.2V），用于純電動汽車上，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)復雜，制約其在純電動汽車上使用。

　　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現(xiàn)化學能與電能之間的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)儲能和放電。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較大、無記憶效應、充放電效率高、自放電率低、循環(huán)壽命長和無污染性等優(yōu)點，因此，鋰離子電池成為了目前在純電動汽車上應用最廣泛的動力電池。其中，以磷酸鐵鋰三元材料為代表的鋰離子電池，因其能量密度可達到130Wh/kg-140Wh/kg，且充放電平臺穩(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力電池材料高峰論壇上，華中科技大學材料學材料與工程學院院長黃云輝也表示，磷酸鐵鋰電池通過納米技術和富鋰技術等手段而應用，其實際能量密度將會大幅度提升，并且磷酸鐵鋰電池實現(xiàn)2元/瓦時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)在是目前純電動汽車主要的動力電源。

　　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，動力電池比能量應達到 500-700Wh/kg。而目前的鋰離子電池的能量密度遠遠低于該值。因此目前提高動力電池能量密度是制約鋰離子電池發(fā)展的一個瓶頸問題。

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

　　在材料方面，而以硅基和錫基合金作為鋰離子電池的負極材料。通過這種材料的改進的鋰離子電池其理論的容量可分別高達4200Wh/kg和990Wh/kg，完全能滿足純動力汽車動力電池能量的要求，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，以及鋰在硅膜中擴散系數(shù)相對較小、電化學性能顯著惡化；錫基合金負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，目前未能在純電動汽車動力電池領域得到產(chǎn)業(yè)化。

　　另外一方面，主要是從制備技術和成組技術上進行突破。從電池的制備技術綜合考慮，采用納米技術制備來提高電池的性能，開發(fā)新型的納米材料。從成組技術上考慮，可合理設計動力電池系統(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；并且通過對實車上電池系統(tǒng)進行能量管理，實現(xiàn)能量的進一步合理分配利用。目前主要集中在對電池組的能量管理、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，針對混合動力電動汽車能量分配，國內(nèi)外學者對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，目前純電動汽車動力電池，主要采用的是鋰離子電池。其提高性能的主要的技術瓶頸在于進一步提高純電動汽車單體電池的性能水平，以及提升純電動汽車動力電池系統(tǒng)的管理等方面。