電動(dòng)汽車鉛酸電池與鋰離子電池充電技術(shù)分析
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一。1881年特魯夫(Gustave Trouve)制造出世界上第一輛電動(dòng)三輪車時(shí)，使用的是鉛酸電池。目前，仍有不少混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車采用新一代鉛酸電池。近十多年來(lái)，鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車生產(chǎn)中得到應(yīng)用，越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性?！ ?/P>
美國(guó)學(xué)者麥斯J.A.Mas通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)提出電池充電可接受的電流定理：1)對(duì)于任何給定的放電電流，電池的充電接受電流與放出容量的平方根成正比；2)對(duì)于任何放電深度，一個(gè)電池的充電接受比與放電電流的對(duì)數(shù)成正比，可以通過(guò)提高放電電流來(lái)增大充電接受比；3)一個(gè)電池經(jīng)幾種放電率放電，其接受電流是各放電率接受電流之總和。也就是說(shuō)，可以通過(guò)放電來(lái)提高蓄電池的充電可接受電流。在蓄電池充電接受能力下降時(shí)，可以在充電的過(guò)程中加入放電來(lái)提高接受能力?！ ?/P>
汽車動(dòng)力電池的性能和壽命與很多因素有關(guān)，除了其自身的參數(shù)，如電池的極板質(zhì)量、電解質(zhì)的濃度等外； 還有外部因素，如電池的充放電參數(shù)，包括充電方式、充電結(jié)束電壓、充放電的電流、放電深度等等 。這給電池管理系統(tǒng)BMS估計(jì)蓄電池的實(shí)際容量和SOC帶來(lái)很多困難，需要考慮到很多的變量。WG6120HD混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)是建立在SOC數(shù)值的管理上。SOC (state of charge)指的是電池內(nèi)部參加反應(yīng)的電荷參數(shù)的變化狀態(tài)，反映蓄電池的剩余容量狀況．這在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)?！ ?/P>
1.鉛酸電池
鉛酸蓄電池是一個(gè)很復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。充放電電流的大小和它工作溫度等外部因素都會(huì)影響蓄電池的性能。計(jì)算電池的 SOC值，并根據(jù)汽車的運(yùn)行狀態(tài)以及其它的參數(shù)來(lái)確定汽車的運(yùn)行模式，是電動(dòng)汽車的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，也是最成熟、成本售價(jià)最低廉的蓄電池，已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。但它比能量低，自放電率高，循環(huán)壽命低。當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是其一次充電的行程短。近期開(kāi)發(fā)的第三代圓柱型密封鉛酸蓄電池和第四代TMF(箔式卷狀電極)密封鉛酸蓄電池已經(jīng)應(yīng)用于EV和HEV電動(dòng)汽車上。尤其是第三代VRLA蓄電池的低阻抗優(yōu)點(diǎn)可以控制快速充電過(guò)程中的歐姆熱，延長(zhǎng)電池的壽命?！ ?/P>
脈沖分階段恒流快速充電方法能很好地適應(yīng)混合動(dòng)力汽車鉛酸蓄電池在變電流放電狀態(tài)下，充電時(shí)間短，使蓄電池荷電狀態(tài) SOC 始終保持在 50％-80％范圍內(nèi)的要求。試驗(yàn)表明，只需要 196 秒，就可以使蓄電池電量從 50％C 充到 80％C。這種充電方法基本滿足了蓄電池的接受曲線，蓄電池的溫升較小，產(chǎn)生氣體少，壓力效應(yīng)不大，而且充電時(shí)間短?！ ?/P>
最優(yōu)的充電方式是充電電流始終遵循固有充電接受曲線，在充電過(guò)程中，充電接受率保持不變，隨著時(shí)間的增加，充電電流按固有充電接受曲線遞減(指數(shù)曲線遞減)，這樣充電時(shí)間最短。脈沖去極化充電方法能實(shí)現(xiàn)快速、高效率充電，但設(shè)備昂貴，對(duì)某些蓄電池不適用?！ ?/P>
日本公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車用新型VRLA蓄電池，其電壓規(guī)格有單體2V和4V，采用貧液式和極板水平設(shè)計(jì)．飯板間的間距很小，不會(huì)出現(xiàn)電解液分層，脫落物質(zhì)向下移動(dòng)有極板擋住，電池底部無(wú)脫落物堆積?！ ?/P>
Ectreosorce公司的12V l12A·h電動(dòng)汽車用水平蓄電池，其用3小時(shí)率放電質(zhì)量比能量為50W·11／kg，80％Ⅸ)D(放電深度)的循環(huán)壽命大于900次。
德國(guó)陽(yáng)光公司的電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池采用膠體電解質(zhì)設(shè)計(jì)，經(jīng)檢測(cè)其6V、160A·h電池的預(yù)期壽命可達(dá)到4年，具有熱容量大、溫升小等優(yōu)點(diǎn)?！ ?/P>
美國(guó)Arias公司于1994年推出雙極性電動(dòng)車用鉛酸蓄電池，其結(jié)構(gòu)技術(shù)獨(dú)特。這種電池的工作電流只垂直于電極平面而通過(guò)薄的雙電極，所以具有極小的歐姆電阻。美國(guó)BPC公司開(kāi)發(fā)的雙極性電動(dòng)車用鉛酸蓄電池技術(shù)參數(shù)為：組合電壓為180V，電池容量為60A·h，放電率比能量為50W·h／kg，循環(huán)壽命可達(dá)到1000次?！ ?/P>
瑞典OPTLMA公司推出的卷式電動(dòng)車用鉛酸蓄電池，產(chǎn)品容量為56A·h，啟動(dòng)功率可達(dá)到95kW，比普通的195A·h的VRLA蓄電池啟動(dòng)功率還要大，而體積小四分之一。
2.鋰離子電池
鋰離子電池的特性和價(jià)格都與它的正極材料密切相關(guān)，一般而言，正極材料應(yīng)滿足：⑴在所要求的充放電電位范圍內(nèi)，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性；⑵溫和的電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)；⑶高度可逆性；⑷全鋰狀態(tài)下在空氣中穩(wěn)定性能好。隨著鋰離子電池的發(fā)展，高性能、低成本的正極材料研究工作在不斷地進(jìn)行。目前，研究主要集中于鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物和鋰錳氧化物等鋰的過(guò)渡金屬氧化物鋰鈷氧化物(LiCoO2)屬于 -NaFeO2 型結(jié)構(gòu)，具有二維層狀結(jié)構(gòu)，適宜鋰離子的脫嵌.其制備工藝較為簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、比容量高、循環(huán)性能好，其合成方法主要有高溫固相合成法和低溫固相合成法，還有草酸沉淀法、溶膠凝膠法、冷熱法、有機(jī)混合法等軟化學(xué)方法。鋰錳氧化物是傳統(tǒng)正極材料的改性物，目前應(yīng)用較多的是尖晶石型 LixMn2O4，它具有三維隧道結(jié)構(gòu)，更適宜鋰離子的脫嵌。鋰錳氧化物原料豐富、成本低廉、無(wú)污染、耐過(guò)充性及熱安全性更好，對(duì)電池的安全保護(hù)裝置要求相對(duì)較低，被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ匿囯x子電池正極材料?！ ?/P>
20世紀(jì)90年代，日本索尼公司首先研制成功電動(dòng)汽車用鋰電池，當(dāng)時(shí)使用的是鈷酸鋰材料，存在著易燃易爆的缺點(diǎn)。目前中國(guó)信國(guó)安盟固利電源等公司研制出以錳酸鋰為正極材料的 100Ah 動(dòng)力鋰電池，解決了鈷酸鋰電池的不足?！ ?/P>
截至 2006 年 10 月為止，全球已有 20 余家汽車公司進(jìn)行鋰離子電池研發(fā)。如富士重工與 NEC 合作開(kāi)發(fā)廉價(jià)的單體(Cell)錳系鋰離子電池(即錳酸鋰電池)，在車載環(huán)境下的壽命高達(dá) 12 年、10 萬(wàn)公里，與純電動(dòng)汽車的整車壽命相當(dāng)。東芝開(kāi)發(fā)的可快速充電鋰離子電池組，除了小型、大容量的特點(diǎn)之外，采用了能使納米級(jí)微粒均一化固定技術(shù)，可使鋰離子均勻地吸附在蓄電池負(fù)極上，能在一分鐘之內(nèi)充電至其容量的 80%，再經(jīng) 6 分鐘便可充滿電。美國(guó)的主要電池廠 Johnson Controls 針對(duì)電動(dòng)汽車需求特性的鋰離子電池于 2005 年 9 月在威斯康星州 Milwaukee 設(shè)立研發(fā)地點(diǎn)，2006 年 1 月另出資 50%與法國(guó)電池廠 Saft 共同成立 Johnson Controls－Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于 2006 年 8 月承接了美國(guó)能源部(DOE)所主導(dǎo) 2 年 USABC(United States Advanced Battery Consortium)純電動(dòng)車鋰離子電池研發(fā)計(jì)劃合約，提供高功率鋰離子電池。我國(guó)在鋰離子電池方面的研究水平，有多項(xiàng)指標(biāo)超過(guò)了USABC提出的2010年長(zhǎng)期指標(biāo)所規(guī)定的目標(biāo)。從 1997 年開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)的蘇州星恒作為國(guó)家鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化示范工程項(xiàng)目基地 ，其研發(fā)的動(dòng)力電池組已通過(guò)美國(guó) UL 和歐盟獨(dú)立組織 Extra Energy 的測(cè)試認(rèn)證，并在蘇州建成第一條動(dòng)力鋰離子電池的生產(chǎn)線并順利試產(chǎn)，目前已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)?！ ?/P>
2008 年北京奧運(yùn)會(huì)期間，有 50 輛長(zhǎng) 12 米的鋰離子電動(dòng)客車在奧運(yùn)中心區(qū)服務(wù)，這是國(guó)際上第一次大規(guī)模使用鋰離子電池電動(dòng)客車。電動(dòng)大客車充電時(shí)間長(zhǎng)，是這樣保證電動(dòng)汽車運(yùn)行不脫節(jié)的：電動(dòng)汽車駛?cè)氤潆娬荆瑑芍粰C(jī)械手將汽車底盤里的電池組取出，放入待充通道，隨即從已充通道取下充滿電的電池組，將其換入電動(dòng)汽車的底盤中，整個(gè)過(guò)程只需要 8 分鐘左右?！?/P>
法國(guó)雪鐵龍、雷諾、標(biāo)致汽車公司采用鋰離子動(dòng)力電池的電動(dòng)商用車已完成用戶測(cè)試運(yùn)行。波爾多是法國(guó)電動(dòng)汽車示范應(yīng)用城市之一，有各類電動(dòng)汽車 500 輛，主要應(yīng)用于市政用車和電動(dòng)小巴，并建有 20 個(gè)擁有電動(dòng)汽車配套充電設(shè)施的停車場(chǎng)，其中有 16 個(gè)配置了快速充電裝置.鋰電池的充電過(guò)程與鉛酸蓄電池不同。鋰聚合物(Lipo)充電器的集成塊，外部元件極少，由于集成塊本身極小(2mm×3mm)，因此整個(gè)充電器也非常小。Lipo電池的充電過(guò)程是：當(dāng)電池電壓非常低(0．5V) 時(shí)，用小電流充電，此電流的典型值小于0．1C (此處C是標(biāo)稱電池容量)，若電壓已足夠高，但低于4．2V，就用恒定電流對(duì)電池充電，多數(shù)廠家會(huì)指定在這一過(guò)程中1C的電流，電池上的電壓不會(huì)超過(guò)4．2V，在恒定電壓期間，經(jīng)過(guò)電池的電流會(huì)緩慢下降，而電池的充電繼續(xù)進(jìn)行。電池電壓達(dá)到4．2V，充電電流降到0．1C時(shí)，電池約充到80~90%，再轉(zhuǎn)變成對(duì)電池涓流充電。有兩個(gè)參數(shù)在充電器中可以調(diào)整，即正常的充電電流和涓流充電電流(當(dāng)電池充"滿"時(shí))。要注意的是選擇充電電流要謹(jǐn)慎，應(yīng)保持充電電流低于廠家推薦的最大值?！ ?/P>
法國(guó)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池目前的使用以鉛酸蓄電池為主，第二代鋰離子電動(dòng)汽車已經(jīng)投入測(cè)試運(yùn)行。其電動(dòng)汽車充電裝置采用傳導(dǎo)充電方式。傳導(dǎo)式充電方式包括常規(guī)充電裝置和快速充電裝置兩大類。常規(guī)充電由充電設(shè)施提供標(biāo)準(zhǔn)的民用交流電源接口，有簡(jiǎn)單的漏電保護(hù)功能，為具有車載充電器的電動(dòng)汽車充電，要 6～7 小時(shí)完成充電，應(yīng)用較多。快速充電由充電機(jī)提供直流輸出為電動(dòng)汽車進(jìn)行快速充電，一 輛殘余電量 25%的電動(dòng)小汽車，25 分鐘可完成充電，快速充電應(yīng)用較少，主要用于行業(yè)用戶和街頭應(yīng)急。
充電設(shè)施具有統(tǒng)一的充電接口，標(biāo)準(zhǔn)的交流電源接口是重要技術(shù)方向之一。采用普通家用插座加上一根帶專用插頭的充電專用電纜，就可為配有車載充電機(jī)的電動(dòng)汽車提供交流電源?！ ?/P>
鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。(1)目前各企業(yè)所公布的大部分純電動(dòng)汽車鋰離子電池是實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，如加速性能、充電時(shí)間、持續(xù)里程數(shù)等，還須在復(fù)雜的外部環(huán)境實(shí)際運(yùn)行下，進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性，以及生產(chǎn)批量化質(zhì)量控制。(2)鋰離子電池所需隔膜材料未能有實(shí)質(zhì)性的突破，且價(jià)格昂貴，占 到動(dòng)力電池成本的 30%以上。如果在這一材料上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)，即可大幅度降低成本。
評(píng)論