1.1.2　電動汽車動力電池技術現狀及充放電特性

1.1.2.1　電動汽車動力電池技術現狀

電動汽車的動力電池是影響電動汽車發展的關鍵因素之一，目前，新能源汽車的動力電池多采用鋰動力電池，其體積小、重量輕、工作電壓高（約為鎳氫動力電池、鉛酸動力電池、鎘動力電池的3倍）、壽命長、循環次數多、無記憶效應、自放電率低、無污染以及安全性能好。鋰動力電池主要包括錳酸鋰動力電池、磷酸鐵鋰動力電池和三元材料鋰動力電池，而后兩者的壽命更長、安全性能更高。

不同種類動力電池具有不同的充電特性，最佳充電率在0.2～2.0C之間變化。在動力電池系統額定電壓相同的情況下，最高充電電壓因動力電池種類、結構型式不同而有一定的差別。對于不同種類的動力電池，充電方法及充電控制策略也不同，應根據動力電池特性采用不同的充電方法。

不同運行模式的電動汽車對充電時間提出了不同的要求，而充電時間的不同需要不同的充電方式來滿足。在電動汽車對充電時間要求不高的情況下，可在停運時間利用電力低谷進行常規充電，以延長電動汽車的續駛里程；在充電時間較為緊迫的情況下，需要采用快速充電或動力電池組快速更換的方式及時實現電能補充。

動力電池充放電工作效率會受到充電場所及其他環境條件的影響，尤其是受環境溫度的影響較明顯。在常溫下，動力電池充電接受能力較強，隨著環境溫度的降低，其充電接受能力逐漸降低。因此，隨環境溫度降低，充電站功率需求將增加。因而，建設充電站時應盡可能保證其環境不受人為溫度條件的影響。

從技術及產業的角度綜合來看，日本在動力電池技術方面依舊領先，韓國在市場份額上超越日本占據第一位。目前，我國已形成了包括關鍵原材料（正極、負極、隔膜、電解液等）生產、動力電池制造、系統集成、示范應用、回收利用、生產裝備、基礎研發等在內的完善的動力電池產業鏈體系，掌握了動力電池的配方設計、結構設計和制造工藝技術，生產線逐步從半自動中試向全自動大規模制造技術過渡。

我國在動力電池技術方面，動力電池單體和模塊雖然通過了GB/T 31485安全性的要求，但動力電池系統的安全性有待進一步驗證和提升。關鍵材料基本實現了國產化，單體技術與國外基本處于同一水平。在動力電池產品均勻一致性、系統集成技術、生產自動化程度等方面還需加緊追趕。

動力電池的種類不同，其充電特性也有較大差異，主要表現在最大可接受充電電流、最高充電電壓、充/放電率、充/放電終止電壓、循環壽命、荷電保持能力等參數上。充電電流越大、充電電壓越高，則單機充電機的功率需求就越大。鋰動力電池的充電特性主要受充電電流、健康狀態（State of Health，SOH）、動力電池荷電狀態（State of Charge，SOC）和循環次數等的影響。電動汽車用鋰動力電池類型和參數見表1-1。

（1）鉛酸動力電池　鉛酸動力電池是應用最為廣泛的動力電池，如圖1-2所示。鉛酸動力電池以氧化鉛為正極板，以海綿鉛為負極板，硫酸水溶液作為電解液，充放電過程依靠極板上活性物質和電解液發生化學反應來實現。鉛酸動力電池主要的優點是電壓穩定、價格便宜，但同時也存在著比能低、使用壽命短和日常維護頻繁等問題。在國內，鉛酸動力電池在國內的低速電動汽車上的應用最為普遍。鉛酸動力電池有2V、4V、6V、8V、12V和24V等系列，容量為200～3000mA·h。鉛酸動力電池的放電時長可以用下式粗略計算。

鉛酸動力電池雖然價格低廉，但續航能力比較低。所以，電動汽車完全由鉛酸動力電池來提供能源并不是太合適。

（2）磷酸鐵錳鋰動力電池　比亞迪最新研究的磷酸鐵錳鋰動力電池如圖1-3所示，磷酸鐵錳鋰動力電池是在磷酸鐵鋰路線下的改進型，稱為磷酸鐵錳鋰動力電池是因為在材料里面添加了錳元素。磷酸鐵錳鋰動力電池突破了傳統的磷酸鐵鋰動力電池的能量密度限制，達到了三元材料水平，而在成本控制上比普通的磷酸鐵鋰動力電池更加優秀，而且已經應用在了比亞迪電動汽車上，在續航能力上比現在的磷酸鐵鋰動力電池更加持久。

（3）磷酸鐵鋰動力電池　磷酸鐵鋰動力電池如圖1-4所示，磷酸鐵鋰動力電池的放電效率較高，倍率放電情況下充放電效率可達到90%以上（鉛酸動力電池大約為80%）。在各類動力電池中，磷酸鐵鋰動力電池的安全性也高于其他的動力電池，理論壽命可以達到7～8年，實際使用壽命為3～5年，性能價格比理論上為鉛酸動力電池的4倍以上。磷酸鐵鋰動力電池的缺點是價格高于其他類型的動力電池，而且容量較小，續行里程短。

（4）鈷酸鋰動力電池　特斯拉生產的電動汽車采用了松下公司提供的NCA系列（鎳鈷鋁體系）18650鈷酸鋰動力電池，單個動力電池容量為3100mA·h。特斯拉電動汽車采用了動力電池組的戰略，85kW·h的MODELS動力電池單元一共運用了8142個18650鈷酸鋰動力電池，將這些動力電池以磚、片的方式逐一平均分配，最終組成一個動力電池組，動力電池組位于車身底板，如圖1-5所示。

鈷酸鋰動力電池具有結構穩定、容量比高、綜合性能突出的特點，但是其安全性差而且成本非常高，主要用于中小型號電芯，標稱電壓為3.7V。特斯拉把這樣的動力電池組合到一起，安全性就成為一個很需要關注的問題，特斯拉在動力電池組內設置的保險裝置分布到每一節18650鈷酸鋰動力電池，每一節18650鈷酸鋰動力電池兩端均設有熔絲，當動力電池出現過熱或電流過大時，熔絲會熔斷，以此避免因某個動力電池出現異常情況（過熱或電流過大）時影響到整個動力電池組。雖然鈷酸鋰動力電池本身存在著安全缺陷，但是經特斯拉組合后期其安全性得以提高。顯然，這樣的解決方案還是很適合在純電動汽車上發展。

鈷酸鋰動力電池相對于其他的動力電池來說續航里程、總容量要高，如果鈷酸鋰動力電池的安全性再提高一點，那么其在電動汽車上的應用會更廣。

1.1.2.2　動力電池組充放電特性

動力電池組中的各動力電池單體之間的差異總是存在的，以容量為例，其差異性永不會趨于消失，而是逐步惡化的。動力電池組中流過同樣電流，相對而言，容量大者總是處于小電流淺充淺放、趨于容量衰減緩慢、壽命延長，而容量小者總是處于大電流過充過放、趨于容量衰減加快、壽命縮短，兩者之間性能參數差異越來越大，形成正反饋特性，小容量的動力電池將提前失效，導致動力電池組的壽命縮短。

（1）充電　目前，動力電池組充電主要采用的是限壓限流法，初期恒流（CC）充電，動力電池接受能力最強，主要為吸熱反應，但溫度過低時，材料活性降低，可能提前進入恒流階段，因此在北方冬天低溫時，充電前把動力電池預熱可以改善充電效果。隨著充電過程不斷進行，極化作用加強，溫升加劇，伴隨析氣，電極過電位增高，電壓上升，當荷電達到70%～80%時，達到最高充電限制電壓，轉入恒壓（CV）階段。

理論上，動力電池組并不存在客觀的過充電壓閾值，若理解為析氣、升溫就意味著過充，則在恒流階段末期總是發生不同程度的過充，溫升達到40～50℃，殼體容易發生形變，部分逸出氣體還可以復合，另一些就作為不可逆反應的結果，損失了容量，這可以看作電流強度超出動力電池接受能力。在恒壓階段，有的稱涓流充電，大約花費30%的時間充入10%的電量，電流強度減小，析氣、溫升不再增加，并反方向變化。

（2）過充電　上述充電過程考慮動力電池組總電壓或平均電壓控制，由于動力電池單體電壓的不一致性，有的動力電池單體相對動力電池組內其他動力電池單體已經進入過充電階段。過充電時，若在恒流階段發生，由于電流強度大，電壓、溫升、內壓持續升高，以4V鋰動力電池為例，電壓達到4.5V時，溫升40℃，塑料殼體變硬；電壓達到4.6V時，溫升可達60℃，塑料殼體形變明顯并不可恢復，若繼續過充，氣閥打開、溫升繼續升高、不可逆反應加劇。

在恒壓階段，電流強度較小，過充癥狀不如恒流階段顯著。只要溫升、內壓過高，就伴隨副反應，動力電池容量就會減少，而副反應具有慣性，發展到一定程度，可能在充電中，也可能在充電結束后的短時間里，使動力電池內部物質燃燒，導致動力電池報廢。過充電將加速動力電池容量衰減，導致動力電池失效。

（3）放電　動力電池組在恒流放電時，放電初始電壓若有陡然跌落，則主要是由動力電池歐姆電阻造成的，動力電池的歐姆電阻包括連接動力電池單體電極的導線電阻和觸點電阻。動力電池組的電壓經過一段時間以后，到達新的電化學平衡，進入放電平臺期，電壓變化不明顯，放熱反應加歐姆電阻釋熱使動力電池溫升較高。動力電池組的放電電壓曲線近似動力電池單體放電曲線，持續放電，電壓曲線進入馬尾下降階段，極化阻抗增大，輸出效率降低，熱耗增大，接近終止電壓時停止放電。

（4）過放電　在動力電池組放電過程中，動力電池組內的動力電池單體必有相對的過放電情況。在放電后期，電壓接近馬尾曲線，動力電池組中動力電池單體容量是正態分布，電壓分布很復雜，容量最小的動力電池單體電壓跌落最早、最快，若這時其他動力電池單體電壓降低不是很明顯，小容量動力電池單體電壓跌落情況被掩蓋，將造成小容量動力電池單體被過度放電。

在容量小的動力電池單體放電進入馬尾曲線以后，若電流持續較大，電壓迅速降低，并很快反向，這時動力電池單體被反方向充電，或稱被動放電，活性物質結構被破壞，過一段時間，動力電池單體活性材料接近全部喪失，等效為一個無源電阻，電壓為負值，數值上等于反充電流在等效電阻上產生的壓降。停止放電后，原動力電池單體電動勢消失，電壓不能恢復，因此，一次反充電足以使動力電池單體報廢。在動力電池組中動力電池單體過放容易發生，不易控制，控制器采用的限壓限流辦法都不起有效作用，動力電池組輸出功率的變化產生的歐姆、極化電壓波動足以掩蓋動力電池單體電壓跌落信號，使動力電池組的電壓監視失去意義。

（5）經濟速度與續駛里程　傳統汽車以經濟速度行駛耗油最省，用百千米耗油量評價，經濟速度由發動機效率、動力傳動效率和摩擦力決定。電動汽車也有經濟速度，由動力電池組使用效率、電動機和控制器效率、摩擦阻力決定。經濟速度與動力電池組內阻有直接關系，在一定范圍內變化。以經濟速度行駛，電動汽車能達到最大的續駛里程。續駛里程可以考察動力電池組的能量供給能力，經濟速度反映了動力電池組功率提供能力，電動汽車希望動力電池組能提供大容量和高功率。

（6）加速與爬坡　電動汽車在加速和爬坡時需要動力電池組輸出大功率，此時動力電池組要大電流放電，導致電壓跌落幅度也大，輸出效率下降，歐姆損耗增大；另外，電壓下降也會導致電動機效率降低，工作條件惡劣，可能發生過強度放電，即超出動力電池組電流輸出能力，此時動力電池組處于過載使用。避免動力電池組過載的措施如下。

①使用功率較大的動力電池組。

②限電壓、電流、功率或其組合限制電動汽車行駛。

③平穩行使，限制加速度。

（7）剎車制動與逆變　只要加速度為負值，傳動機構就可以帶動發電機發電，回饋電能可以給動力電池組充電，將機械動能轉化為化學能存儲于動力電池組，瞬間逆變功率與輸出功率屬同一數量級，取決于發電動機逆變效率，加速時有過強度放電，逆變時就有可能存在過強度充電。

過充電和過放電對動力電池組的損害都是致命的，不同之處僅在于過充電產生大量氣體、易自燃和爆炸、表象劇烈；過放電外觀變化和緩，但失效速率卻極快，在正常使用中都應嚴格避免出現對動力電池組過充電和過放電。

相同原材料、同批次的動力電池單體，其容量、內阻、壽命等性能參數符合正態分布并且離散程度有限；在相同的電流激勵條件下，動力電池單體電壓變化過程的一致性漸進逼近其他性能參數的一致性，其中最重要的參數是荷電程度。動力電池若未曾歷經過過充電、過放電的損害，在其壽命期里不容易提前失效，可以推斷，如果在充放電過程中通過能量變換的辦法，實施動力電池組中動力電池單體電壓的均衡控制，使動力電池單體電壓趨于一致，那么動力電池單體的相對荷電程度也趨于一致，可以實現同時充足電，也同時放空電，進而，動力電池組的壽命應接近于動力電池單體的平均壽命。