電動汽車動力蓄電池的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及動向

電動汽車動力蓄電池的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r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(dāng)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(dāng)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(yán)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(biāo)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(rèn)為，作為實用開發(fā)的重點和目標(biāo)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）；體積小；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(dāng)，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(biāo)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(jì)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)。“EVl”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(rèn)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(dān)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(dān)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(dān)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(dān)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(zhǔn)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(yán)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(dāng)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(yán)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