浅谈现代电动汽车电池

现代电动汽车技术学院：机电学院姓名：翟强导师：曹铭学号：415914115038专业：机械工程浅谈现代电动汽车电池的现状及发展趋势摘要近年来电动汽车逐渐发展，成为当前重要的交通工具之一。虽然当前的内燃机电控技术尚未到非常经济的程度，但是汽车电池技术已经获得较大的发展。本文对于电动汽车的电池技术进行探讨，结合当前电动汽车的发展现状，分析电动汽车电池的现状以及发展趋势。关键词：电动汽车，电池，现状，发展趋势1、前言汽车是世界上最重要的交通工具之一，随着石油燃料的逐渐消耗，导致温室气体排房子增多，能耗增加，造成化石燃料消耗增大。电动汽车对于减少汽车排放，降低温室效应具有重要的意义。虽然当前的电动汽车的发展尚未能够从根本上解决汽车的排放和能源问题，但是为了维持汽车工业的稳定发展，污染的集中处理，电动汽车做出了突出贡献。电动汽车最初于1834年问世，随着汽车工业的发展，因为电动汽车无法满足人们的需求而逐渐退出历史舞台，上世纪60年代以来，由于燃油汽车带来大量的空气污染以及能源消耗，一些大的汽车制造公司逐渐开始加大对电动汽车的投入。随着绿色环保理念深入人心，能够达到零排放标准的电动汽车逐渐成为能够满足汽车排放的主要汽车之一。我国的电动汽车研究开始于上世纪70年代，直到上世纪90年代开始，国家逐渐将电动汽车作为国际科技攻关项目，并且研制电动汽车、配套电池、电机等，对于电动汽车的发展起到促进的作用。2、汽车使用电池作为动力的优势1、零排放。纯电动汽车使用电能，在行驶中无废气排出，不污染环境。2、电动汽车比汽油机驱动汽车的能源利用率要高。3、因使用单一的电能源，省去了发动机、变速器、油箱、冷却和排气系统，所以结构较简单。4、噪声小。5、可在用电低峰时进行汽车充电，可以平抑电网的峰谷差，使发电设备得到充分利用。3、电动汽车动力电池发展现状及趋势据统计，2015年1到8月份，我国新能源汽车已经到12.35万辆，尤其是纯电动车增长得非常快。我们不能光看这个产业的规模，产业发展持续的动力还是技术，如果说纯电动车的技术，我想核心大家肯定共识就是电池技术，所以我今天想介绍一下电池技术相关的。中国电动汽车电池技术的产业基础，应该说总体上还是不错的，我们从“十五”科技部电动汽车重点专项起步开始推动中国电动汽车动力电池的研发，当时主要是镍氢电池和锰酸锂电池；到“十一五”的时候，主要是磷酸铁锂电池，应该说磷酸铁锂电池的发展支撑了我们“十二五”电动汽车的发展；到“十二五”，我们重点的研发转向了三元锂离子电池，估计今年我们三元锂离子电池的比能量会达到180Wh/kg，现在我们正在起动“十三五”。“十三五”将会在此基础上进一步升级，我们估计在今后5到10年锂离子电池将会达到它的技术极限，我这里显示的是在中国目前的一些总体的产业情况和电池性能和成本的一些发展情况，我们预计它是在逐步的上升，这是系统比能量。预计到2020年会超过200Wh/kg，比现在估计要提高一倍。跟国际相比，我们也存在很多问题，包括我们先进材料和机理方面的研究比较差，电池结构设计的技术还不太先进。另外制造的自动化程度也比较低，精工艺的开发能力也比较弱，还有一个电池系统涉及技术比较落后，因为以前大家都觉得电池系统没什么技术，就是把单体给组合起来就完了，现在才开始知道，电池系统也是很复杂的技术。由于这些问题，我们高端材料供给还不太足，一致性、良品率、安全性、可靠性、产品性能还不能完全满足市场的要求，企业创新能力总体还不强，优势产能不足，而且面临韩国等国外电池企业的挑战，这是当前我们电池面临的一些问题。从全球看，电池技术尤其是锂离子电池技术还在不断进步，我们预计在今后5到10年，也就是到2025年，锂离子电池将会竭尽它的性能极限，到达大约350Wh/kg-400Wh/kg左右。真正到系统，可能在250Wh/kg，也就是到2020年至少可以达到200Wh/kg左右，应该说比现在的大约提高一倍。这是美国能源部对锂离子电池发展现状和趋势的一个判断，我们也基本是认同这个判断的。当然，为了达到这个系统，单体材料层面当然就要达到80Wh/kg左右。日本应该说也是有类似的看法，在2020年，达到300Wh/kg，这是他们的一个基本判断。这种电池将会采用硅碳复合的负极，高电压的电解质，以及富锂的固溶体或者高镍的三元材料，这个材料体系目前应该说从基础层面基本上是清楚的，关键是如何把它开发出来，也就是说我们现在其实300瓦时每公斤也可以做到，但是寿命非常短，尤其负极的硅这种材料充电的时候膨胀比非常大，容易迅速衰减，所以它现在提高寿命，如何来解决硅负极的相关问题，这是目前技术攻关的一个重点。根据国外的趋势，中国2020年的一个基本的发展目标，高比能量电池目标也是要达到300Wh/kg，寿命1500次，成本0.8元，系统比能量大约210Wh/kg，这是按照单体的70%，比现在约提高一倍。如果用这样的电池，我们用相同重量也就是200kg的电池的话，我们现在的性价比比较好的电动车续驶里程可以到300公里以上。在迈向高比能量锂离子电池的过程中，大家可以看到我们电池的成本下来了，比能量提高了，续驶里程上升了，我们电动车可以竞争了，但是这中间有一个重要的问题是，在这个过程中，安全性将会变得更加突出。2018年的，2020年的，2025年的，电池能量比在持续上升，但是我们的安全性并没有大的变化，安全性面临的挑战，越往高比能量挑战越大。所以我们必须下面对安全性要受到进一步的高度的重视，也就是说我们性能提高了，但是耐久性和安全性的问题将更加突出，这是我们面临的三个问题，安全性、耐久性、动力性，最核心的是安全性问题。下面我说一说动力电池的安全性是一个什么样的问题。我们先看一下，我们安全性的问题概括起来叫动力电池热失控，也就是到达一定的电池受热到一定温度之后，它就不可控了，温度直线上升，超过500℃、1000℃，然后就会燃烧爆炸。为什么会有这个问题，首先过热会引起这个问题，温度上来，最终都是温度上来导致的，它会触发电池里的副反应，随着温度的升高，我们电池里会产生一系列的副反应，这些副反应都会放热，导致热的失控。另外一种原因，电触发的，比方外部短路、内部短路、过充，这些都会导致产热，然后形成热，然后产生热失控。还有一个原因就是碰撞，比方说车辆的碰撞、挤压。挤压之后就像一个针刺了电池一样，然后短路，短路这是一个电的触发，然后再产热，然后热再引起热失控，这是大概它的几个诱因。这是热失控的过程，随着温度的升高，会触发不同的副反应，比如说石墨负极与电解液的反应、电解质的分解、大规模的内短路等，导致最后电解液燃烧，最后热失控，放热速率会非常快。一个热失控之后会导致它在一个电池里面的传播，比方热失控在第一个中间过来之后，它就会随着在整个电池组里面迅速扩散。我们看几种不同的热失控，第一种是过热的热失控触发，比如说插电式的普瑞斯。我们来看那个热失控的过程，这就是个三元电池的热失控过程，我们可以看出它分成几个阶段，随着不同时间、不同的温度，底下是它不同的热失控的反应，可以看出温度逐步上升，到这个时候温度就直接往上窜上，电压直线下降。为了研究热失控，我们需要采用一种量热仪，这就是一个加速的量热仪，动力电池各种复反应放热的过程都可以量出来，由此可以确定每一个副反应集合起来的温度的上升，也可以进行整个动力这个过程的一个模型的计算，由此我们可以在此基础上对这个温度进行一个预测和判断。这是过热的原因和解决办法，包括电池的选型和热设计的不合理，或者外短路导致电池的温度升高，或者是电缆的接头松动等，解决办法两个方面，一个是电池的设计，一个是电池的管理。比如说我们可以开发来防止热失控的材料，阻断热失控的反应，比如说这就是一种新的材料，温度到这个之后就平了，这是从材料设计的角度。另外一个，电池管理的角度，我们可以来预测不同的温度范围，来定义不同的安全等级。比如说在不同的阶段，我们可以算出它的温度是多少，来判断定义不同的安全等级，来进行分级报警，这是第一个问题。第二个问题，过充电触发的热失控，比如说前一阶段出现的电动巴士的燃烧就是这个原因，这个原因最后发现是电池管理系统本身对过充电的电池管理系统的电路没有功能安全，导致电池的BMS已经失控，然后还在充电导致的。我们必须了解过充电这个过程，在此基础上，我们要进行整个电池组的均衡，来保持一致性电池组，这就是一个均衡的原理。大家可以看出对一个串联的电池组，我们现在主要是先并后串，这是最常见的电池组组合方法，先并完以后再串，这是一个串联的电池模块合起来的这些小绿点就是各个单体或者并起来的大模块。他们串起来，就是这样的情况。我们可以看出，第一我们这是一个，这些单体把它一致性起来，最后可以得到电池组容量就是那个最小容量的单体，这是我们可以达到的最大的电池组容量，也就是说一个串联电池组容量，它实际上最好的情况就是跟最小容量的单体一样大的容量。有了这个一致性之后，我们容量也回升了，同时过充这种情况也会防止。为了实现这个一致性，我们就必须对各个单体进行容量估计，也就要有一种方法来进行容量估计，这就是我们根据充电曲线的相似性来进行全体电池组的状态的估计，也既是说我们只要知道了其中一只单体的电池的曲线，其他的曲线应该跟它是相似的，经过曲线变化，他们可以近似重合，曲线变化的过程中间的这些差异就很容易算了，也就是说根据一个单体可以推算出其他的单体。有了这样的方法我们就可以进行刚才的一致性的均衡，当然这种算法的时间过长，所以要进行简化。第二种就是内短路触发的热失控，比方说波音的787事件，最后找到的原因，电极和隔膜上有金属物，有了内短路，但是我们无法100%确认这个热失控是内短路触发的，但是它是最可能的原因，因为找不到其他原因，而且内短路没办法浮现。内短路是什么原因，有三种，一种是电池制造杂质，金属颗粒，另外是充放电膨胀的收缩，还有析锂。内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且你不知道它什么时候会出现热失控。而且这个试验也是无法重复的，现在我们还没有找到能够重复由杂质引起的内短路的过程。目前全世界都在研究这个问题。要解决这个问题，第一个方面是电池的选择和电池单体容量的选择，当然你要找到好的电池厂商，它的品质要好；第二个是内短路的安全预测，我们在没有发生热失控之前，要找到有内短路的单体。我们必须要找到它的特征参数，怎么办呢，我们先从一致性着手，刚才已经提到过一致性，从一致性着手电池是不一致的，内阻也是不一致的，我们只要找到中间有变异的单体，我们就可以把它辨别出来。怎么辨别，有一个办法，这就是正常的一个电池的等效电路和发生了微短路的等效电路，我们把它的方程写出来的话，方程的形式实际上是一样的，正常单体、微短路的单体，只不过这里头的参数发生了变化，所以我们可以对这些参数来进行研究，它在内短路变化中的一些特征。比方说内短路单体的电势差，它的内阻跟其他单体的差异，这些都会有特征。我们根据这些特征，把这些特征辨识出来，我们要利用模型来进行单体的辨识，因为我们可以到每个单体的电压，每个单体的电流，这些我们都是可以测的，利用这些数据再结合模型，我们就可以把每个单体的内阻估出来，把它的这些参数全部估出来。根据这些参数的变化，我们来判断它的一致性是否发生了显著性变化。第三种触发是机械触发，比方说碰撞，特斯拉就是这样的，特斯拉在美国撞过好多辆车，我们清华大学跟MIT共同合作对特斯拉在美国的碰撞事故进行过分析，这是我们分析的一些结果。由于不同的材料在针刺的时候反应不一样的，磷酸铁锂相对安全。所以我们到现在为止，仍然坚持在大客车中间主要使用磷酸铁锂电池，暂时还不宜大规模使用三元电池，尤其对12米大客车。再比如碳酸锂电池，它也问题不大，不同的电池类型表现情况是不一样的。4、电动汽车电池的介绍电池的种类有很多，每种电池都有各自的优势与劣势，需要不同场合下根据具体的情况进行选择与确定。下面将介绍几种上文中提到的电池：4.1铅酸电池其中，以铅酸蓄电池为数量最多。铅酸蓄电池的价格最低，也最常用，中国是全世界铅酸蓄电池最大的生产国。其含污染的成分比较少，可回收性好。缺点是比容小。也就是说，在同