新能源汽车动力电池技术篇.docx

新能源汽车动力电池技术篇1.车用电池是发展电动车的关键随着技术的演进，传统汽车的动力来源由以往的引擎逐渐转向电池动力模组。其中电力驱动及控制系统是油电混合车和电动车的核心，是区别于引擎汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由电源、驱动电动机和电动机的调速控制装置等组成,其中系统中最关键的部件是车用电池。目前用在油电混合车和电动车的车用电池型态与种类包括铅酸电池、银氢电池、银锦电池、锂离子电池，以及更具远景的燃料电池和太阳能电池等。由于车用电池的性能，成本和安全性，将很直接地决定油电混合车和纯电动车的发展进程，而性能、成本和安全性也决定了车用电池各种技术路线的前景。车用电池的技术指标在定义上，车用电池一般是指具有较高的容量和输出功率能力，可用作为电动车辆驱动电源的二次电池。因此，在评量油电混合车的车用电池有以下几项技术指标：1)电力密度PowerDensity(W/Kg)代表每公斤品质的电池能提供的功率。它的大小决定电池所能输出的最大功率，标志着汽车的加速性能和最高车速,对电动车的动力性能等有直接影响。2)能量密度EnergyDensity(Whkg)代表着单位重量(如Kg)或单位体积电池所能储存的能量。也就是以电池之反应物在电化学反应时所释放出来的总能量除以电池的总重量或总体积，通常能量密度意味着纯电动模式下的续航能力。3)循环寿命CycleLife车用电池的工作是一个不断充电一一放电一一充电一一放电的循环过程，每充电和放电一次，车用电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应。随着充电好放电次数的增加，车用电池中的化学活性物质会发生老化，逐渐削弱其化学功能，降低车用电池的充电和放电效率，最后部分或完全丧失其充电和放电功能。车用电池的工作循环寿命是衡量车用电池寿命的重要指标，对车用电池的使用有直接影响。4)尖峰电力密度PeakSpecificPower(KW)：尖峰电力密度可定义为在80%电池容量的放电过程中每单位重量电池所能提供30秒以上的电力。这数值用来决定电动车的最大加速能力。5)成本:电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高功率比车用电池成本较高。2.各种电动车对车用电池的要求一般情况下，油电混合车的车用电池需要进行频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大的变化。针对这种使用特点，油电混合车系统对电池有以下特别要求：D大功率充放电能力：电力密度是衡量蓄电池快速充放电能力的指标，相对于能力密度要求，油电混合车对电力密度要求更高。2)充放电效率：车用电池中能量的循环，必须经过充电一一放电一一充电的循环，高的充放电效率对于保证整车效率具有非常重要的作用。3)相对稳定性：车用电池应当在快速充放电和充放电过程的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。从下表可见，油电混合车(HEV)因为仍抱有汽油作为主要动力，续航力问题并非主要考虑。二是更为强调加速与爬坡性能，因此相对其它类型的电动车更为注重电力密度(要求8001200WKg)o而纯电动车(EV)则是完全依赖电池当作动力来源，更为强调充电后的续航能力，因此对能量密度的要求(100-160WhKg)相对其它电动车要高。HEV、PHEV、EV对于电池性能要求重量(max.kg)尖峰电力密度(min.kv)电力密度(nin.kg)电容量(min.kwh)能量密度(nin.whkg)油电混合车5040-60800-10001.5-30.730-60(HEV)(I)充电式油电混合车(PHEV)12065；50()540；400()6；12()50；75()纯电动车(EV)25050；100(In)200；400(I)25；40(In)100；160(In)(I)：电力启动时所需要的最小能量():中型的PHEV,20与40英里电的里程数所需要的电池条件(I):中小型EV所需的配备在空间和性能表现上都足以和同型传统汽车相提并论。以现阶段各种电池的技术观察，目前技术最成熟、能够商业化的仍属锲氢电池。但是新的技术也急起直追，未来锂离子电池以及燃料电池也有机会达到动力汽车的要求。银氢电池发展现状：银氢电池的组成由正极材料、电解液、金属材料、隔膜所组成。其中正极采用金属氢氧化锲，负极使用锡氢合金。锲氢车用电池具有无污染、能量密度、电力密度、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅酸电池相比，锲氢电池具有能量密度高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点；与银镉电池相比，其能量密度是银镉电池的两倍。另一大优点就是锲氢电池不含有镉、铅这类有毒金属，其中一些金属还有较高的回收价值，可称为绿色能源。下列为银氢电池主要特点：D能量密度高：目前商业化的锲氢功率型电池能做到1350Whkg02)循环次数多：目前应用在油电混合车上的银氢车用电池，在80%放电深度(DoD)下，循环寿命可以达到IOOo次以上，为铅酸电池的三倍以上。100%DOD循环寿命也在500次以上。在油电混合车中可使用五年以上。3)无污染：不含铅、镉等对人体有害的金属。银氢车用电池模组主要规格公司松下PEVE松下PEVE美国Cobasys德国Varta型号MetalCasePlasticCaseSeries1000N9PrismaticModulePrismaticModule电压(V)9.67.21212电容量(Ah)6.56.58.87.7电力密度(Wkg)1800135010421300能量密度(Whkg)414645N/A重量(g)151010402400N/A尺寸（mmW*H*L）18.4*96*38219.6*106*28545*87*323276*242*518镇氢车用电池是目前最成熟与安全的技术目前阶段开发油电混合车，车用电池选银氢电池是比较理想的。随着油电混合车市场的逐渐成熟，银氢电池的价格也会随之下降,银氢车用电池前景可期。全球银氢HEV销量占新能源车销量的99%以上。全球HEv市场一枝独秀的当属丰田汽车。自1997年丰田推出全球第一款银氢动力HEV轿车Prius以来，其HEV销量至2008年底已经累计超过近170万辆。全球各种品牌的HEV至2008年底累计销量约有220万量，占全球所有新能源汽车销量的80%以上。长达十多年的成功商业化运行，已充分证明HEV是目前技术最成熟、使用最安全的车型。锂离子电池发展现况锂离子电池技术与特性锂离子电池的原材料主要包括正负极材料、电解液、电极基材、隔膜和外壳等。其中，正极材料是锂电池中最为关键的原材料，直接决定了电池的安全性能和电池能否大型化，同时也是锂电池成本占比最高的材料，约占锂电池电芯材料成本的1520%左右。目前，正极材料主要是锂钻、锂锦、锂银钻(三元材料)和锂铁等。而各种不同正极材料决定了锂离子电池的主要用途。锂钻最早实现了商业化应用，技术发展至今已相当成熟，并且广泛应用在小型低功率的可携式电池产品如手机、笔记型电脑和数码相机等消费性电子产品当中。锂银和锂锦由于存在容量低、性能差、有安全隐患等固有缺陷，因此只能用作过渡材料，短期内用于车用电池有所表现，长期必然被锂铁所取代。锂银钻也就是三元材料，它融合了锂钻和锂镒的优点，无论是在小型低功率电池还是在大功率车用电池上都有应用。锂铁材料相较于其他材料具有大电流、快速充放电等特性，是最被业界看好应用于车用电池领域的。但却是当前产量最少、成本最高的一种正极材料。而目前锂离子电池应用于车用电池领域主要以锂铺电池以及锂铁电池为主。在规格上，由于锂镐电池的电压高达3.8V,加上材料因素，因此在能量密度以及电力密度的数据都会比现有的锂铁电池佳，然而锂铁电池循环寿命可达2000次，工作温度约-20飞5,都比锂镒电池来的优秀，因此更适合应用于车用领域。而在电池芯规格上，目前并没有同一的尺寸规格，外形上包括传统圆柱型、方型、薄片型、聚合物型等。传统圆柱型的规格包括1865040138等尺寸都有厂商在生产，尺寸的考虑主要在于自家工厂的生产效率以及技术上如何解决不同电池芯间电性平衡的问题。而聚合物锂电池由于体积可以有较多变化，重量也可以减轻，是未来最受注目的规格。以厚度为例，相较于传统锂电池，聚合物锂电池最薄可达06mm的厚度，重量也可以轻2040%不等。并且可依照客制化的要求，在外形做改变。锂离子电池芯规格公司升阳半导体必翔电能兰阳能源能元科技型式锂铁电池锂铁电池锂铁电池锂镒电池电压(V)3.23.23.23.2电容量(Ah)101.1302.7电力密度(Wkg)700N/AN/AN/A能量密度(Whkg)8993N/AN/A重量(g)36538120092尺寸(mmW*H*L)(40138)40.6*138.8mn(18650)18*65Innl(Prismatic)34*70*94mm(26650)26.4*65mm锂电池较没有记忆效应锂电池和银氢电池不同，己经没有记忆效应，是以多少次循环(CyCle)当做寿命计算的单位，而不是充电的次数来计算。也就是说，充满锂电池到饱再放到完算是一次，一般锂电池的充放电循环可达数百次以上。锂电池的设计会加上防止电力过低的保护电路板，这种电路板的用途是避免锂电池电量过低，因为太低的话，很难充电，锂电池也就会有损坏的风险。燃料电池的发展现况燃料电池的基本组件包括正极(Anode)负极(Cathode)电解质(Electrolyte)燃料流场板(Gasdistributor)与电流收集器(CurrentCollector)等。以氢气为燃料、空气中的氧气为氧化剂，把燃料中的化学能通过电化学反应转换成电能的发电装置，除了产生电能以外只排放出净水，具有以下几个特点：低污染：燃料电池没有二氧化碳及含硫的问题，更没有核能发电废料的问题，比一般传统火力发电方式更清洁。用氢氧与空气作为燃料与氧化剂，其生成物只有水和热。高效能：和一般传统的发电方式不同，燃料电池直接将燃料中的化学能转化成电能，故不受卡诺循环的限制，理论上能量转换效率可达到80%o无噪音：燃料电池发电本体在发电时，不需其他移动机件的配合，因此没有噪音问题。用途多样化：燃料电池所能提供的电力范围相当广泛，小至手机大至万瓦发电厂，都在其适用范围内。不需冲电：一般电池是将能量贮于电池本体中，用完后即舍弃，或充电后再重复使用，燃料电池是由燃料中的化学能提供能源，只要持续不断地供给燃料，燃料电池变可以不停地发电。燃料资源多：只要含有氢原子的石化能源如石油、天然气、煤炭、沼气、酒精与甲醇等，通过一个转换器，都可作为燃料电池的能源进料。目前更有利用高压钢瓶或金属氢化物等储氢材料制成的储氢卡匣，成为燃料电池电力组，可取代一般的蓄电池，因此被视为节能、无污染的最佳解决方案。目前燃料电池在技术上依照电解质及电极材料的不同，主要被发展的共有质子交换膜燃料(PEMFC)、磷酸型燃料(PAFe)、熔融碳酸盐燃料(MCFC)、固态氧化物燃料(SOFC)以及碱性燃料(AFC),其性能及架构如下表所示：燃料电池发展现况电池种类质子交换膜燃料碳酸型燃料熔融碳酸盐燃料固态氧化物燃料碱性燃料电力密度(W/Kg)300-1000100-22030-4015-2035-105发电效率(%)40-6035-6045-6050-6045-60发电范围250KWIOMW2MWIOMW80KW启动时间几分钟2-4小时>10小时>10小时几分钟操作温度CC）25-105180-220600-700750-100050-200主要应用太空、运输、携带装置电力适用范围广分布式电厂等大型发电分布式电厂，住家太空、运输燃料电池现况:日本曾预测下个世纪的能源供应将由石化燃料转变为氢能的社会，其中氢能转换成电能的主要装置就是燃料电池。燃料电池因具有干净、环保与能源转换效率高的优点，燃料电池的商品化发展十分看好，目前商业之应用如日本以燃料电池作为市区电力负载管理工具；德国燃料电池动力潜水艇；美国采用汽电共生方式作为医院、饭店、建筑物之供电；加拿大推出燃料电池的巴士；福特、宝土、丰田等汽车大厂相继推出燃料电池电动车。国内燃料电池产业近年来也加速发展，譬如亚太燃料电池与杜邦建立合作关系，主要在开发燃料电池如电动机车；3C应用方面，腾光科技结合南亚电路板、奇宏科技与思柏科技组成研发联盟，开发笔记本型电脑用直接甲醇燃料电池电力组（DMFC）。上述五种电池中以质子交换膜燃料电池技术为车用电池的首选，具有电力密度高和启动快的能够特点。目前.，国际上车用电池技术领先者为加拿大BaIIard公司和德国DainIlerChrySIer公司技术合作所开发出的车用电池，另外其他公司如Honda、GM、Ford、也纷纷推出自有品牌如FCX、FCHV、HydrOgen等系列的燃料电池，加快燃料电池实现商业化的脚步。根据集邦科技预测，全球燃料电池市场需求成长至2009年约25.8亿美元，预计2014年世界燃料电池需求可达到135.5亿美元，复合平均年增率43%,其中以发电系统市占率51.7%最高，其次为可携式电子产品占25.9%、产业用定置型发电系统及叉举车等特定用途动力系统12%、汽机车3.8%等，并以可携式电子产品之需求值平均年增率64.6%成长速度最快。燃料电池方面的挑战尽管燃料电池具有节能零污染材料取得方便的优点，但在制作技术上仍面临电池耐久性与高成本的挑战，耐久性短的原因在于车辆使用状况对燃料电池的影响，如频繁的发动次数、车速快速切换、车子不稳定驾驶、低温的行驶环境等都容易造成电池的损坏,针对此问题，福特和克莱斯勒推出PHEV油电混合车电动车，使车子能在稳定的环境下进行操作，但仍无法避免低温和难质环境下电池损耗的问题。在成本方面则面临用来当做催化剂的贵金属钳成本居高不下，储氢罐的体积庞大且价格昂贵，运输成本大，以及加氢站等配套设施建设费用高皆使的燃料电池发展遭遇阻碍，有赖未来技术改良提出更好的解决方案。目前一辆燃料电池车价格约14,300美元，相当于台币500万元，其价格远高于一般车款，无法被大众接受，因此中长期来看电池种类碱性燃料电池质子交换膜燃料电磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电固态氧化物燃料电(AFC)池(PEMFC)(PAFC)池(MCFC)池(SOFC)尚无法一般化，故燃料电池的商业化普及使用被各国视为长期发展目标。各种燃料电池的种类与特性电解质KOH含氟质子交换膜H3P04Li2C03-K2C03ZrO2阳极C（含Pt）C（含Pt）C（含Pt）Ni（含Cr、AD金属（Ni、Zr）阴极C（含触媒）C（含Pt）、粕黑C（含Pt）NiO金属氧化物如LaMnO4导电离子OHH'H'CO32-O2工作温度室温2000C160"2200C600"10000C燃料纯氢氢气、甲醇氢气天然气、沼气、氢气、煤气天然气、沼气、氢气、煤气氧化剂纯氧空气、氧气、空气、氧气、空气、氧气空气、氧气特性L使用高纯度氢气作为燃料。2.低腐蚀性及低温较易选择材料1 .功率密度高、体积小、重量轻。2 .低腐蚀性及低温，较易选择材料。1 .进气中CO会导致触媒中毒。2 .发热可予利用。1 .不受进气CO影响。2 .反应时需循环使用CO2。3 .发热可利用。1 .不受进气CO影响。2 .高温反应，不需依赖触媒的特殊作用。3 .发热可利用。优点1.启动快。2.室温常压下工作。1 .寿命长。2 .可用空气做氧化剂。3 .室温工作。4 .功率大。5 .启动迅速。6 .输出功率可随意调整。对C02不敏感1 .可用空气作氧化剂。2 .可用天然气或甲烷作燃料。1 .可用空气做氧化剂。2 .可用天然气或甲烷作燃料。缺点1.需以纯氧做氧化剂1 .对CO非常敏感。2 .反应物需要加1 .对CO敏感。2 .工作温度高。工作温度较高。工作温度过高2.成本高湿。3 .成本局。4 .低于峰值功率输出特性能下降。系统效率60"70%4358%3747%>50%50%65%用途宇宙飞船、潜水艇小型发电机组分散型发电移动式电源运输工具之电源气电共生分散型发电离岛地区发电移动式电源运输工具之电源气电共生分散型发电取代大规模火力发电气电共生分散,发电取代中规模火力发电。主要的国际电池相关标准目前全球各主要国家或市场，正在制定相关的电动车用电池标准，并参考过去电池的标准，以及结合对包括油电混合车、纯电动车等电动车特性而规划与设计。当前的主要电池标准如下:主要的现存国际电池相关标准标准号标准名称主要应用IEC62133:2002/Portablesealedsecondarycells,andforbatteriesmadefromthem,foruseinportableapplications申请CB验证，必须通过此项标准EN62133:2003含碱性或非酸性电解液的单体蓄电池（电芯）个蓄电池组：便携式蓄电芯及使用其制造的电池、便携应用的安全要求IEC61960:2003/Secondarycellsandbatteriescontainingalkalineorotherno-acidelectrolytes-secondarylithiumcells电效能测试国际标注andbatteriesforportableapplicationsEN61960:2004含碱性或非酸性电解液的单体蓄电池（电芯）和蓄电池组：便携式锂单体蓄电池（电芯）和锂蓄电池组韩国KPS认证主要测试标准UN38.3-2003UNRecommendationsontheTransportofDangerousGoods,ManualofTestsandCriteria,Section38.3锂电池运输（空运、海运）必须通过UN关于危险品运输的建议，手册及试验标准，第38.3节IEC61959:2004/Secondarycellsandbatteriescontainingalkalineorothernon-acideletolytes-MechannicalTestEN61959:2004含碱性或非酸性电解液的单体蓄电池和蓄电池：便携式密封锂单体蓄电池和锂蓄电池的机械试验UL1642-2007Lithiumbatteries锂电芯权威安全标准锂电池UL2054-2006Householdandcommercialbatteries锂电池权威安全标准家用及商业电池QBT2502-2000锂离子蓄电池组规格轻工业标准IEC60993-1989开口银镉电池用电解液Electrolyteforventednickel-cadmiumcells29.220.30碱性副电池及蓄电池