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1、38技术纵横 轻型汽车技术2012(10)总278 电动汽车核心技术之动力电池及管理系统介绍(二) 一一电动汽车对动力电池性能的要求 司 康 1 电动汽车对动力电池性能的 共性要求 11 比能量高 比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电 能，它是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶 里程的重要性能。 不同类型电动汽车对于动力电池的比能量要 求是不同的。对于目前已经十分成熟的油电双驱 动混合动力车，因为有电和内燃机两种动力，电动 部分只在车辆静止以及低速等情况下的时候才单 独使用，其他情况下都主要依靠内燃发动机来工 作，同时给电池充电，所以并不需要携带太多的电 量，1-2度电的电量就可以了。 对于插
2、电式的混合动力车PHEV来说，一般 在起始的一段距离完全依靠电动驱动，内燃机不起 任何作用，等到电池电量降低到一定程度以后，内 燃机才进行辅助或者仅进行充电。这样，这种车需 要携带的电量就要多一些。根据所需要全电驾驶的 行程距离不同，这类插电式混合动力车命名的时 候，也可以直接把这个距离写上去，比如PHEV10 说的是可以全电模式下行驶l0英里的车，PHEV40 就是全电模式下可以行驶40英里的车。根据这个 全电模式下行驶的距离不同，所需要携带的电量也 就不同，差不多是在6到30度的范围。 对于纯电动汽车BEV来说，因为任何状态下 都是需要全电模式操作的，为了保证一定的行程， 自然就需要携带更
3、多的电量。有很多文献都认为 BEV的行程应该在100200英里的范围，那么差 不多就需要携带3O一50度电。假若全电模式行驶 的距离再加长，那么电池的重量就要再增加，如此 能量效率、车辆本身的经济性，都会是问题。 这样，对电池的要求呢，就是携带同样的电 量，电池本身重量和体积越小越好，这个指标就是 单位重量或单位体积可以储存的能量，即比能量。 这个指标直接决定了固定总重情况下，全电模式 可以行驶的距离；当然也决定了需要行驶一定里 程的话，所需要携带的电池的重量和体积，是设计 电动车非常重要的一个参数了。不同电池的比能 量，数据来源不同还是有些区别的。按照wiki(维 基百科数据)上面列出的数字
4、，一般来说铅酸电池 每公斤可以携带003到004度电，这样携带30 度电就需要将近1000公斤，再加上结构支撑、冷 却系统、管理系统等辅助系统，整个电池系统的重 要有可能达到15吨，电池本身与一辆中型车相 当；而磷酸铁锂电池可以携带的电量是每公斤 008到012度，同样携带30度电，所需要的电池 重量就少了一倍，只需要250400公斤。这里面可 以看出高比能量的优势是非常明显的。有计算说 车辆每增加100公斤的重量，每百公里电耗就需 要增加0607度，这样如果电池就多了500公斤 重量，同样性能的车每百公里就要增加电耗3度 多，差不多是增加1520的用电量了。体积比能 量也很重要，毕竟车的体积
5、有限，若电池占据了太 大的空间也无实用价值。还是wiki的数字，铅酸电 池是在每升006008度，磷酸铁锂电池在每升 017度，这样计算每度电，铅酸电池的体积是 l2一l7升，磷酸铁锂电池只要6升。30度电呢，铅 酸电池就需要400500升，体积很惊人了，磷酸铁 锂电池在这方面就可以节省一半的空间。电池系 统体积大，所需要的支撑结构就要大，也就会导致 车辆的重量增加，对提高能量效率不利。 12连续放电率高、自放电率低 电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电 轻型汽车技术2012(10)总278 技术纵横39 率(又称放电深度)可以达到额定容量的70或 更高。自放电率要低，电池能够长期存放。
6、电池所携带的电不是所有都可以拿来使用 的，至少说，在正常情况下，不是所有的都可以拿 来使用的，过渡的放电会直接影响电池的使用寿 命，应该是尽可能避免的。放电深度这个指标对于 车辆的能耗本身影响不大，不过对于车辆所需要 携带的电池的数量是有影响的。比如同样需要30 度的可用电量，如果放电深度只有50，那么实际 上需要携带60度电，相应的电池重量也就要增加 一倍，如果碰巧有人非要使用铅酸电池的话，整个 电池系统的重量可能达到将近3吨，这可是惊人 的重量；而如果放电深度能够达到70，那么携带 43度电就够了，比50的放电深度节约了将近 30的重量。很明显这个指标直接关系到电池系 统的重量。对于同样类
7、型的电池，设计制造上的不 同可以导致不同的放电深度，自然也会影响到电 池本身的成本。一般锂离子电池这个指标都在 65或者70的样子。 13输出功率高 这个主要是对于在全电模式情况下提出的要 求，这个时候车辆的动力完全依赖电力，就需要保 证一定的输出功率，否则动力不够，车走不动，有 再多的能量也没用。不同电池单位重量可以输出 的功率也是不同的。还是引用wiki的数据，铅酸电 池的峰值输出功率是每公斤180W，磷酸铁锂电池 可以达到每公斤1400W。比如同样输出50kW功 率，也就是一个微型轿车需要的功率水平，铅酸电 池需要的电池组重量要达到至少278公斤，磷酸 铁锂电池则只需要36公斤，差距十分
8、明显。 14充电技术成熟、时间短，充放电次数足 够高 电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够 实现感应充电。在充电时间上能够实现快速充电， 电池的正常充电时间应小于6h，电池快速充电达 到额定容量50的时间应为20min以下。 和这个数字相关的是可充电次数。这个指标， 不同种类的电动汽车要求也是很不同的，主要的 原因就是不同种类的电动车的充电模式不同，特 别是对深度充放电与微循环充放电两类充放电的 次数的要求有区别。比如传统内燃机车辆使用的 启动铅酸电池，可以充放电的次数至少有数万次， 但是都是很浅幅度的充放电，一旦车辆启动就立 刻充电进行补充，很少有进行深度放电的时候。所 以实际上应用的这类
9、铅酸电池，的确就是对深度 充放电循环没有什么要求，但是对浅度的微循环 充放电次数要求很高。 普通铅酸电池在进行深度充放电的时候，能 够经受的次数很少。往往一辆车如果很久没开，电 池就会处于深度放电状态，如果电池质量相对不 好，那么这块电池很可能就要报废了。但是传统内 燃机车辆因为实际需要并不高，故对这个深度充 放电循环的要求也不高。当然，铅酸电池价格低 廉，技术成熟，目前仍然是较大规模储存电能的首 选，比如太阳能发电、风能发电如果需要配备电池 组，一般还是选用铅酸电池。甚至办公室里面比较 常用的UPS，使用的大多仍然是铅酸电池。铅酸电 池用作动力电池时，设计与普通车用的启动电池 是很不同的，需
10、要保证有足够的深度充放电循环 次数。比如高尔夫球车使用的动力铅酸电池，其电 池的使用寿命在2到5年，差不多是500800次 的深度充放电循环。 对于偶尔才需要全电模式行驶的油电混合动 力车来讲，所需要的只是充放电幅度比较浅的充 放电循环，对深度充放电次数并没有具体要求，与 普通车启动电池的要求很相似。而对于需要经常 进行全电模式运行的插电式混合动力车PHEV， 一般认为至少要有2500次的深度充放电循环次 数。假设一个电池15年寿命的话，循环充电2500 次，差不多就是2天一次，如果车辆使用频繁，充 电频繁，那么2500次显然是不能够保证15年的 使用寿命。 对于纯电动汽车BEV来说，如果车主
11、有经常 充电的好习惯，很多时候都是在浅充的，这个指标 似乎可以放松，不过这也表示BEV的充电模式可 能会更加复杂。目前磷酸铁锂电池的深度循环充 电次数差不多是2000以上，算是可以符合基本要 求，不过距离更高的要求还有差距。实验室里面有 一些电池达到了万次循环，一些类型的锂电池甚 至可以达到4万次，不过那些技术距离工业应用 还有很长的路要走，当然也是业界的努力方向。油 电混合以及插电式混合动力车因为可能经常在微 循环充放电的模式下操作，所以对于微循环的充 放电次数的要求，怎么也需要二三十万次，BEV对 40技术纵横 轻型汽车技术2012(10)总278 这方面的要求要小一些，不过也是有要求的，
12、因为 其可以把车辆减速、下坡的时候的能量变成电能， 这样在行驶的时候也有很多的微充放电循环。 总之，对于不同电动汽车用动力电池，一般需 要同时要求深度充放电次数和浅度充放电次数， 而同时满足这两个指标有的时候会有比较矛盾的 设计要求，这就给电池设计增加了很多挑战。 15适应车辆运行环境 电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不 受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系 统，能够适应电动汽车行驶时的振动。 16安全可靠 电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线 柱、外壳。应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等 事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处 理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收
13、处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更 换，线路连接方便。 1-7寿命长、免维护 电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命 限定期间内，不需要进行维护和修理。这方面，目 前丰田的混合动力车对电池的保修是l0年，有调 查认为用户的想法是15年会更好一些。 18价格合适 无疑，动力电池的价格不能太贵，否则，相应 电动汽车产品就无法市场化。目前，锂离子电池的 价格在每度电7001000美元之间，显然这个价格 仍然太贵了，30度电就需要2-3万美元。尽管人 们希望随着锂电池工艺成熟，市场扩大，这个价格 能降下来，不过从过去的十年来看，这个价格比较 稳定，很难说短期内市场会真得把价格降下来。一 些
14、文献估计的合理的价格应该在每度电300美元 以下，这样30度电电池成本就在1万美元以内， 市场能基本接受。不过不同数据来源给出的价格 数字相差很大，如果相信wiki的数字，wiki上说磷 酸铁锂电池的价格是每美元0730Wh，折合每度 电3001400美元。若相信中国制造的成本在价格 低端的话，那么这个价格就比较接近市场可以认 可的价格了。 2 不同电动汽车对动力 电池性能的要求 由于不同种类电动汽车的构型和工作模式不 同，因此对动力电池的性能要求也大不相同。前面 已经有不少这方面的描述，下面结合不同的车型 再作进一步的探讨。 21 纯电动汽车对动力电池的性能要求 纯电动汽车行驶完全依赖电池的
15、能量，电池 容量越大，可以实现的续驶里程越长，但电池的体 积、重量也越大。纯电动汽车要根据设计目标、道 路情况和行驶工况的不同来选配电池。具体要求 归纳如下： (1)电池组要有足够的能量和容量，以保证 典型的连续放电不超过lc，典型峰值放电一般不 超过3C；如果电动汽车上安装回馈制动，电池组 必须能够接受高达5C的脉冲电流充电。 (2)电池要能够实现深度放电(例如80) 而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功率和 全放电。 (3)需要安装电池管理系统和热管理系统， 显示电池组的剩余电量和实现温度控制。 (4)由于动力电池组体积和质量大，电池箱 的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真 研究。
16、 2-2混合动力汽车对动力电池的性能要求 这里的混合动力汽车，主要指普通油电混合 动力汽车HEV，现在被划人节能汽车的范畴。与纯 电动汽车BEV(与PHEV一起目前被划人新能源 汽车范畴)相比，HEV对电池的容量要求有所降 低，但要能够根据整车要求实时提供更大的瞬时 功率，即要实现“小电池提供大电流”。 由于混合动力汽车构型的不同，串联式和并 联式混合动力汽车对动力电池的要求又有差别。 串联式混合动力汽车完全由电机驱动， 内燃发动机总成与电池组一起提供电机需要的电 能，电池SOC(电池的荷电状态，即电池剩余容量 占额定容量的百分比)处于较高的水平，对电池的 要求与纯电动汽车相似，但容量要小一些。 并联式混合动力汽车内燃机和电机都可 直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶需求可以由 不同的动力组合结构来满足。动力电池的容量可 以更小，但是电池组瞬时提供的功率要满足汽车 加速或爬坡要求，电池的最大放电电流有时可能 高达20C以上。 轻型汽车技术2012(10)总278 技术纵横4
