电动汽车用动力电池的现状及发展趋势

电动汽车电池,能量管理系统,现状及发展趋势

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第2卷第2 4期200 4年 4月

辽宁工学院学报J OUR NA OF L AONI L I NG NS TUTE OF TE I TI CHNOL OGY

V o_ 4 No 2 l2 .Ap. r 2004

电动汽车用动力电池的现状及发展趋势邱纲陈勇李东,,( .宁工学院汽车与交通工程学院,宁锦州 1 1 0;. 1辽辽 2 0 1 2辽宁石油化工大学,宁抚顺辽 130 ) 1 0 0

摘

要:电动汽车的发展已经成为当今世界各国的热点 .力电池是电动车的关键技术和影响电动车发展的动

主要障碍之一 .本文介绍了铅酸电池,氢电池,离子电池和燃料电池的历史,镍锂工作原理和现状以及将来的前景 . 关键词:酸蓄电池;氢蓄电池;离子蓄电池;料电池铅镍锂燃

中图分类号:U4 97 6. 2

文献标识码:A

文章编号:O5l9 (O4 O—010 lO一OO 2O )204—4

Pr s n t t s a d Pr s e to e e tS a u n o p c f EVS Po r d wih Ba t r e we e t te isQI Ga g, HEN n L n U n C Yo g, IDo g( .Auo bl& Tr i gn eig C l g, i nn nttt f Teh oo y, iz o 1 1 0, ia .La nn 1 tmo i e Mf En iern ol e La i Isi e o c n l c e o g u g Jnh u 2 0 1 Chn;2 i i o gPer c m ia ie st Fu hu 1 0 to he e lUn v r i y, s n 1 3 00, i ) Ch n a

Ke r s y wo d:VRLA;— H a t r l h u t n b te y;u lb te y NiM b te y;i i ma i at r f e a tr t o Ab ta t sr c:De eo me to lc r e ilsh sb c mea y— ac ig a d mu h c n e nn t ral v lp n fee ti v h ce a e o ne e c th n n c o c r i gma t l c e o e h rd Th s fb te is i v r t e wo l . e u e o at re n EVS i o e e h oo y, o v r r itn n n le cn s fk y tc n lg h we e,e sig a d i f n ig s u EVS d v lp n os med g e . ep p ri to u e h it r wo kn rn i l, r s n tt s e eo me tt o e r e Th a e n r d c st ehso y, r ig p icpe p ee tsa u

a d p o e to n r p c fVRLA,NiM H a tr ih u t n b te y a d f e e1— b te y,l i ma i a tr n u l l t o c .

由于燃油汽车的发展所造成的能源危机和环境问题,展电动汽车已经成为当今世界各国的热发点 .然而,动汽车发展的难点之一就是电源问题,电 目前推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里

文就电动汽车上常用的几种蓄电池的发展历史和性能情况作以简单的介绍和比较 .

1铅酸蓄电池发展历史:酸电池诞生于 16铅 8 0年,今已有距 1 0多年的发展历史,泛用于内燃机汽车的起动 0广动力源 .是成熟电动汽车蓄电池,是目前唯一能它也大量生产供应的电动汽车电池[ .有 8~ 9的 2] 0 0采用率 . 工作原理:是采用金属铅作为负

极,氧化铅 它二作为正极,硫酸作为电解液,化学反应式为:用其Pb+ Pb O2+ 2 S = 2 S H2 O4 Pb O4+ 2 O H2

程和初始价格 .而电动汽车的电源系统是引起这些问题的主要原因,电源系统的要求如下:对 ( )的比能量和能量密度; 1高( )的比功率和功率密度; 2高 ( )速充电和深度放电的能力; 3快 ()用寿命长; 4使

() 5自放电率小,电效率高;充 () 6安全性能良好,且成本低廉; () 7免维修; () 8对环境无危害,回收性好[ .可 1]目前还没有一种电池能完全满足上述要求,本

放电时,和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅 .铅 充电时反应过程正好相反 .现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电池 ( A) VI .

收稿日期:2 0—0 0 031—8

基金项目:辽宁省博士科研启动基金 (目编号:0 3 0 4 项 20 18 )

作者简介:邱纲 (9 2)男 (族)辽宁抚顺人,师,士生 . 17一,满,讲硕

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笫 2 4卷

主要优缺点:的优点是技术比较成熟,靠性它可好,原材料容易得到价格便宜,功率基本上能满足比电动汽车的动力性要求 .点是比能量较低,致一缺导

池充电时,正极的氢进入负极贮氢合金巾,电时过放程正好相反 .在此过程中,,正负极的活性物质都伴

随着结构,成分,体积的变化,电解液也发生变化.主要优缺点:对于其他电池,—相 Ni MH电池的优异特性表现在以下几点[ ( )比能量 (量电 , 1高衡动车一次充电行驶里程 )已与锂离子电池水平相当;

次充电的行驶里程短,且质量和体积较大,加 r并增 汽车的自重和自身功率消耗 .另外铅酸电池的使用寿命短,用成本较高 .使发展现状:目前正在开发的电动汽车用先进铅酸蓄电也主要有以下几种【, 1水平密封铅酸电 3 ()]

()比功率 (予电动车良好的启动,速,坡性 2高赋加爬能 )性能已高于锂离子电池;3}寿命特性 (予其 ( )∈赋电池良好的经济性 )均寿命 3 O 6 0次;4安全平 O~ 0 ()

池,国 Eet su公司开发的 .( )极型密封铅美 l r or co 2双

酸电池,国 Ar sReerhAsoit美 i sac sc e a a s公司与加州喷气推进实验室开发 . ( )式电极铅酸电池,典 3卷瑞

性能高,污染物,誉为"色电源"但是目前阻无被绿 .碍其应用的一个重要问题是初始成本的太高,

般一都大于 1 0￥/ W· _,且还有记忆效应和充电 5 k h .而

OP M A公司和美国 E DE分别研制 . TI XI 这些电池都采用了一些合金极板和专利技术大大的提高了铅酸电池的性能指标 .现在铅酸电池售价小于 10￥/ 0 KW·h .比功率可达到]0 W· _, 5/ k _,能量达到 4/ 1· g .循环寿命达到 8 0 g .比 5硼 k -, 0次以上 .

发热等问题,电发热会引发安全问题,充因此相应的要求发展可靠的能量管理系统 .发展现状:日本从事电动汽车用 Ni— MH电池开

发的代表性厂家为松下公司和丰田公司.国的美 Ovnc公司和美国 US C(国先进电池联合体 ) oi AB美也正在积极开发研制 Ni— MH电池 .表 1]内外各 国个厂家的 Ni— MH电池组的主要技术指标 .下表中从可以看出,国的 Ni中— MH电池技术也处于国际先进水平 .

发展前景:酸电池作为电动汽车的主要动力铅源,且技术成熟,用成本远远低于 MH— Ni并使和锂离子等高能电池,以还会在很长一段时间内仍所

是电动汽车中最可能广泛使用的能源[但是, .由于

新型电池的日新月异的出现,必将有性能,本等更成适合的电动汽车商业化的电池取代铅酸电池的地位 .某种程度上,酸电池时代可以称得上是电动在铅汽车用电源的起步和过渡阶段 .

发展前景:— Ni MH电池优越的性能极具吸引力,除技术不太成熟外,其它电池更具发展潜比力,以很多厂家正在研发 Ni所— MH电池,是电动它汽车发展中期目标的主要能源之一 .具有很大的发展前景 .

2镍氢蓄电池发展历史:在 2早 0世纪 3 O年代,基电池技术镍就已经出现,了 2到 O世纪 7 O年代末期由于电动汽车工业的复苏,得镍基电池快速的发展起来 .早使最应用的是 Ni d电池,后出现镍锌电池和镍氢— C而电池 .9 0年代镍氢电池投放市场,— H电池被认 Ni M为是满足电动汽车使用近期目标的电池,时也是同一

3锂离子电池 发展历史:离子电池出现在 9锂 O年代初期,是

由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池,由于它的独特性能,短短十几年的时间里,离子在锂电池技术得到了空前的发展 .许多国家和一些厂家

对锂离子电池在电动车,天和储能方面都表现出航

浓厚的兴趣和关注 .

种新型绿色电池,当多的电池生产厂家都致力相工作原理:— Ni MH电池正极活性物质采用氢

于它的研发 .

工作原理:离子电池使用锂碳化合物作负极,锂 锂化过渡金属氧化物作正极,体有机溶液或固体液聚合物作为电解液 .在充放电过程中,离子在电池锂正极和负极之间往返流动 .电化学反应方程式为:I C+ Ii O:= i M寻 C+ Li 0—一 M

氧化镍,极活性物质为贮氢合金,解液为氢氧化负电钾溶液,电池中的主要反应为:正极NiOH ) ( 2+ OH~一 Ni OOH+ H2+ e O一

L为锂碳化合物; i i C L一M为锂化过渡金属氧化物 .电时,离子由电池负极通过电解液流向正极放锂并被吸收 .充电时,程正好相反 .过 主要优缺点:离子电池基本上解决了蓄电池锂的两个技术难题,安全性差和充放电寿命短的问即题[ .时锂离子电池具有高的电池单体电压,的 7同]高

负极M+ H2+ e一 MHa OH一 O一 b+

总反应式NiOH) ( 2+ M— Ni oOH+ M H b

式中:为贮氢合金; M ME贮有氢的贮氢合金 . 为电

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邱纲等:电动汽车用动力电池的现状及发展趋势

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比能量和能量密度,以说是当前比能量最高的电可池,作稳定 .的性能指标都可以满足 US C制工它 AB

子电池比能量达到 1 3,· -, O D 4/7 .8 OD的比

功率为 3 5 W· 4/

L.国瓦尔塔公司也在研制 8德 j

定的电动车中期目标 .缺点是自放电率高,始成本初较高 .生产技术上还有待于进一步发展 .发展现状:日本索尼公司生产的锂离子电池在

高能量密度型和高功率密度型电池 .高能密度型电池为方型,量为 6,容 0Ah比能量为 l 5Wh· g . 1 k _, 使用寿命 9 0次 (0 DOD)随着技术的发展, 0 10 .锂离子电池的性能指标将会越来越高 . 发展前景:良好的性能指标注定锂离子电池会有广阔的发展前景,展潜力巨大,计到 21发预 0 0年前后,成为锂离子电池的时代 .将

性能上和品种上已经具备相当高的水平 .该公司生

产的圆柱型单体电池分为高能型和高功率型 .其中高能型电池的比能量为 1O 1/· g .8%D D k _,O O 的比功率 3 0 W· g .放电次数 1 0 0/ k -,充 0次. 2高功率型的圆柱电池 8 D.D的比功率高达 O 8o w·k~.国萨弗特公司的圆柱型单体锂离

o/ g法

表 1国内外各个厂家 Nj—MH电池组技术指标对比

4燃料电池 发展历史:料电池从 1 3燃 8 9年问世以来,已经经过了 1 0多年的发展 .到 2 6直 O世纪 6 O年代,料燃

作用下发生氧化反应并输出电子到外电路 .阴极在

催化剂作用下发生还原反应,并从外电路接受电子 . 电解液用于传递燃料反应的离子和电子 . 主要优缺点:燃料电池是一个能量生成装置,并且一直产生能量,到燃料耗尽 .的优越性在于高直它

电池作为航空器的动力源,才得到了实际的应用 . 19 93年加拿大的巴拉德公司纯氢一空气型 2 0 5 4组 k电池组, W成功的进行了公共汽车行驶试验,实证了燃料汽车可以与燃油汽车等同的性能 .而后的许多厂家都开始燃料电池的研究 .如日本的丰田汽车公司,国大众奔驰公司,德戴姆勒一克莱斯勒公司等,以认为 2可 1世纪初燃料电池开始实用化,0 0 2 1

效率的把燃料转化为电能,工作安静,以纯氢为燃料时可以实现零排放,料补充迅速,且燃料容易获燃并得 .点是现在的应用技术还需要进一步的提高,缺还

存在一定的安全问题和价格问题 .发展现状:O年代以来燃料电池成为各个发达 9国家竟相开发的电动车电池 .拿大,国,加美日本,德

年前后燃料电池驱动的汽车将会相当普及[ .目前 9]有五种燃料电池,由于质子交换膜燃料电池能在常温下工作,以成为研究最为活跃,展也最快的燃所进

国等国家处于领先地位,中以加拿大的巴德拉公其司最为先进 .由于汽车运行工况复杂,如果单独用燃

料电池作动力源会导致燃料电池后备功率很大,引起重量增加,成本上升,气利用低的问题 .以, 氢所目前的燃料电池几乎全部采用燃料电池加辅助动力源

料电池,目前汽车上用的燃料电池多为质子交换膜燃料电池.

工作原理:燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置 .燃料电池通常由三部分组成,阳极 ( .即 A),

的混合驱动方案 .目前以氢为燃料的电动汽车在性能上已经基本赶上了燃油汽车 .是,成本制约了但高,发展 . .

阴极 (和电解液 ( )阳极为燃料电极; C) E,在催化剂

发展前景:料电池电动车这是唯一能与燃油燃

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辽宁工学院学报

北京理工大学出版社, 0 2 1 7 20 .8 .

第 2 4卷

汽车相比的电动车,可能成为未来的主流技术 .有但

是燃料电池汽车要达到商品化还要克服许多困难,高额的开发费用更是限制它发展的原因 .但是在未

[] 2毕道治.电动车电池的开发现状及展望口]电池工业, .20 . 2 5—6. 0 0 5( ): 6 3

来的 5 1年内,料电池技术必将得到飞速的发~ 0燃展.

[] U i g o Y N Z i ag P oed g fte 1 h 3 H Xn u, A h— n . rcei so h 0t— g n N t nl ofr c nEet hm s y J.H nz o, ai a C ne neo l r e i r[] a ghu o e co c tl9 . 8. 9 9 B0 1

5结论 ()酸动力电池最安全,本最低,然是电 1铅成当动汽车的可选动力电源,比能量,但比功率都较低 . ( )氢动力电池和锂离子动力电池在比功率和比 2镍

[] 4金国栋,黄禹,吴晓明.阀控式铅酸电池在电动车发展中的地位[]电池,0 03 ()l4 3. J. 20 .0 3:3一l6

[] 5吴伯荣.电动车用 MH—N动力电池[]电源技术, i J.20 . 41:5 5. 0 0 2 ( ) 4— 6

[]自强. 6郭电动车用金属氰化物一镍电池[]电源技术, J.2 0 2 (: 3— 2 1 0 1, 5 3) 2 5 4.

能量方面都比铅酸动力电池有所提高,但是成本高, 还存在安全问题,为提高安全性需要使用电池管理系统 . ()料电池是今后发展的重要方向,目前 3燃但

[] 7冯熙康,朱进朝.电动车与航天用锂离子蓄电池的进展[]C i s ora o P w r o r s 99 2 () 16 J. hn eJunl f o e uc .1 9,3 3:8 e S e一

存在成本高的问题,考虑到汽车的运行特点,采用混合驱动方案是未来电动汽车发展的主流 .

l9 O.

[] 8冯熙康,朱进朝. IF 9 C B 9论文集[]1 9:1 4 . c . 9 94 - 5 [] 9香山科学会议年报.燃料电池的研究现状未来发展一2 l世纪的新型发电技术[ .9 5 1 9:6 7 A] 19 - 9 68—8.

参考文献:[] 1陈清泉,逢春,嘉光.代电动汽车技术[ .京:孙祝现 M]北

责任编辑:亚兵刘

(接第3上 1页)料为黄铜,材 h=5mm,=4mi,一 b lr l5 0mm,一 10mm.单元类型为 S I)5 0 OL【4 .

参数,些振型存在频率差几乎为零的近似正交模某态 .这是该类环形弯曲振动模态有别于圆环的一个重要特征.

图 4所示为 B,, .B B.,的弯曲振型模态 .由

4结论 针对一类直线超声电机定子,文就具有轴对本

称圆环的弯曲振动进行了模态分析,论分析与有 '理限元数值结果表明,圆环弯曲振动对任一阶弯曲振

动模态,存在同阶,频率,位差 9 .空间差总同相 0,14/波长的正交的

两个弯曲振型.含直梁段圆环弯但曲振动模态通常情况下同阶的两个弯曲振型对应的两个固有频率不等,含直梁段圆环,对当选取适宜结构参数时,可以找到频率差几乎为零的近似正交总模态 .

参考文献:[]羽贞行,富川义郎著; 1上杨志刚,学伦译 .超声波马达郑理论与应用[ .海:海科学技术出版社,98 4 M]上上 19.—7 .

[] 2陈永校,吉丰.声波电机[ .杭州:浙江大学出版郭超 M]社,941—2 . 19 .9 1

[] .T m sek, .H o n, .Wevr i ai 3 S i ohn o D .Y u g W ae.Vb t n r o Po l snE g er g M] e ok· h hse· rb m n i e n[ .N w Y r C i e r e i n i c t图 4含直梁段圆环弯曲振动模态简图B i a e· oo t J h ly& S n,1 7, o nh r b n T rno, o n Wi s e o s 9 4 F u—Edto 4 9— 8 . i n, 7— 4 0 i

图可以看出,常情况下,通同阶的两个弯曲振型对应的两个固有频率有较大的差异 .但对于适宜的结构

责任编辑:亚兵 刘

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