基于电池性能的电动汽车充换电模式分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于电池性能的电动汽车充换电模式分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要 社会的发展已导致环境问题日益严重，电动汽车作为一种清洁能源交通工具已经越来越受到各国的重视。电动汽车蓄电池作为运行的核心，其性能对电动汽车的充换电模式起着不可忽视的作用。本文在结合电池的性能指标以及不同种类电池的优缺点的基础上，对当今不同种类电动汽车蓄电池性能进行详细和具体的分析，同时试图从这些特点出发，分析对充换电站的潜在要求，找出最合适的充换电模式。

关键词 电动汽车；电池性能；充换电模式

中图分类号U469 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）113-0102-03

大多数人一直有这样的疑问：为什么曾经在汽车家族中风光无限的电动汽车，非但发展不起来，反而还被内燃机汽车取代了呢？究其原因主要有三个：一是电动汽车的续驶里程较短。具体来说，使用铅酸电池，续驶里程仅为100km左右，使用镍氢电池续驶里程200km左右，离子电池的续驶里程可达300km左右，这同内燃机汽车一次加满燃油能行驶400~600km相比，差距太大，用户难以接受；二是价钱昂贵。通常电动汽车的价格为同等级的内燃机汽车的2~3倍，用户不愿承担。三是使用不方便。主要体现在充电时间长，通常为6h~8h，跟内燃机汽车加一次燃油只需要10min相比，所消耗的时间过长，效率大幅降低。此外，电动汽车的电池还存在诸如需要定期维护，充电站数量少，用户难以自行建立等弊端。所有这些问题，都导致电动汽车在与内燃机车的竞争中败下阵来。

1 从性能方面对不同的电池进行分析

通过上述分析可以看出，电动汽车使用率低、未能广泛普及的大部分核心问题还是出在电池上。众所周知，目前用于电动汽车的动力电池主要有以下几种：铅酸电池（LAB）、镍氢电池（Ni-MH）、锂离子电池（LIB）和超级电容器（EC）等。首先将三种电池的性能进行比较。

1.1 电池能使车跑多远

不同的电池可以驱动车辆行驶的里程不同。电池的比能是主要的影响因素之一。以最具有代表性的铅酸、镍氢、锂离子电池为例，在电池相同质量的情况下，统计的比较结果是：铅酸电池每充一次电，通常能够驱动电动汽车行驶约100km；镍氢电池约200km；锂离子电池约300km。这种续航能力上的缺点，以目前的技术水平，只能靠在各地建立标准化的电池充换电站来解决。并且由于各种电动汽车的型号及电池性能不一，因此在建立充换电站时，不能同以往一样，单单考虑到选址中地域等其他条件的复杂性，更应该将电动汽车电池本身性能的制约加以充分考虑，有针对性的做出不同的方案，以此来满足顾客的不同需求。

1.2 电池寿命有多久

电池寿命取决于电池品种和制造质量的一致性、使用方法及维护的状况。在通常情况下，铅酸电池单体的寿命为500次，镍氢电池为2000次，锂离子电池为2000次。而电池组寿命方面，铅酸电池为500次，镍氢电池为500~1500次，锂离子电池为500~1000次。也就是说，铅酸电池能驱动电动汽车跑5万公里，镍氢电池能驱动电动汽车跑10万~25万公里，锂离子电池能驱动电动汽车跑10万公里左右。因此，在建立充换电站时，要考虑电池维护的问题：对于电池寿命不同的汽车进行充电来说，各个充电站应具备统一的充电管理系统，就是将每台车的详细信息进行电脑录入，并进行专业化的、系统化的指导与管理。充电时，根据每台车的寿命年限、电池的型号质量等采取不同的充电方式，由充换电站专业人员进行专业指导，会大大延长汽车的使用寿命，克服了普通用户盲目用车的弊端。目前的研究和实际运作情况表明，实践中还缺少一个针对电动汽车的完整的专业化的管理信息系统及服务网站，亟待深入研究开发以优化电池更替和电动汽车的使用。

1.3 充电需要多长时间

充电时间的长短取决于电池的比功率。比功率越大，充电时间越短。但是，充电时间长短没有实质性意义，因为开发电动汽车的目标之一就是为了解决电网调峰问题，即充分的利用谷电。因此，充电时间最好是5小时左右，这样可以均匀地消化电网夜间谷电，保证电厂的电网稳定、安全和经济运行。如果想提高充电速度，就要提高电压和加大电流，甚至以牺牲电池寿命为代价，这在技术上还勉强可以做到，但在经济上是不合算的。

2 按电池种类分析其优势劣势

2.1 最广泛使用的铅酸电池

铅酸电池已经经历了150多年的发展，它的优点是技术成熟、性能稳定、成本低、管理简单、比较安全、回收利用方便，特别适合于低速、小型、区域运行的电动车辆使用。并且这类电池对管理系统的要求比较低，甚至可以忽略。因此到目前为止，在广东已经投入运行的电动车辆大多使用铅酸电池。它的缺点是：比能量低、质量大、续驶里程短、维护工作量大、使用寿命短，通常只有500次左右，而且在生产和回收过程中存在污染。

2.2 贵族身价的镍氢电池

镍氢电池的优点是能量密度和功率密度均高于铅酸电池，镍氢电池的比能量约为65瓦・时/千克，充放电效率高，寿命长；单体电池寿命可达2000次。缺点是成本高，价格为相同容量铅酸电池的5~8倍；而且镍氢电池的技术尚未完全成熟，它对管理系统的要求又很高，所以镍氢电池目前还不适合在纯电动汽车上使用，只能供混合动力电动汽车使用。因此，在充换电站建设时，如果将其纳入作为其中的一方面，对于这类电池的管理就应该启用更高层次，更高效率的管理办法，充分考虑混合动力汽车和镍氢电池在整个使用群体范围内所占的比重和发挥的作用。

2.3 新生代的锂离子电池

锂离子电池是当展最快的新一代动力电池，它的优点是比能量高，可约达120瓦・时/千克；寿命较长，单体电池循环寿命为2000~3000次；在生产和使用过程中基本没有污染，是目前综合性能最好的动力电池。如今对锂电池的技术性能和结构还在进一步研究之中。锂电池的缺点是对过充电放电和高温保护的要求都特别高，需要精密可靠的管理系统的保护，否则会存在一定的安全隐患。

大家都知道，锂离子电池是当前最有希望成为纯电动汽车使用的电池。由于它的比能量高，续驶里程可达300km左右（每充一次电），基本上可以满足用户使用的要求和习惯。，日本在前几年耗费大力气、大投入研发锂离子电池，其真正目的之一，就是为了发展本国的纯电动汽车，抢占世界市场。由此可见，锂离子电池将是我们未来动力发展的重点。

2.4 超级电容及其他

超级电容的优点是比功率很高，最高可达3000W/kg~5000W/kg，特别适合快充和快放。它可以同其它电池组并联使用，而且寿命很长，可达几万次。缺点是比能量很小，通常为3-10瓦・时/千克，一次充电只能行驶3km~10km；而且价格昂贵，因此目前只能作辅助储能装置使用。

此外，锌、铝、镁空气电池的比能量均为200W・h/kg以上，也是很有发展潜力的动力电池。目前对这几种电池的研究与开发也在陆续展开，但技术尚未成熟，仍有待加大力度继续深入。

3 充换电站运行模式设计

针对以上不同种类性能电池的分析，我们可以更加明确每种电池的应用方向，那么制定出专业化、有针对性的充换电站管理模式对其高效、合理化的运行就显得尤为重要了。

1）铅酸电池类管理

电池种类 优点 缺点

铅酸电池 历史长、技术成熟、安全性高、成本低、市场化程度高 质量大、寿命短、

比能量低、充电时间长

基于以上的特点，在建设充换电站时，由于其质量大和充电时间长的特点，我们不能只单纯偏重于换点或者充电。对于充电，其好处是：节省出人力物力，省去了卸载搬运电池的繁重过程，然而充电时间过长，严重违背了建设电动汽车充换电中，省时便捷的用户使用原则；对于换电，其好处是：节省时间，并且这项技术发展较为成熟，大大节约用户充电等待时间，但是人力物力成本较高。

由此，我们需要建立一个多方位的铅酸电池充换电模式：该模式分为机械化换电系统和慢、中速充电系统。

（1） 机械化换电系统

该系统建立在专门针对电动汽车换电方式，采用高科技机械化流程，从卸载电池、取放电池到安装电池。这一整个流程需要专业化机械设备自动完成，同时配有卸载电池检测系统，来检测电池的各项指标性能；防泄漏、防爆系统，因为铅蓄电池使用久了容易产生漏液现象，该附带系统能随时检测电池的内外部是否完好，并且有温控检测仪，能监测电池任何时刻的温度。整个过程通过电脑系统实时监控，一旦出现问题，系统会向当日在职修检人员发起联络，修检员会及时做出维修。 这种操作模式的优点显然是便捷，高效率，减少人力资源成本；但是该构想的方式真正投入到实践中去绝非易事，需要高科技机械设备作为支撑，该种设备的研发成品本，运营维护成本都将是一笔不小的数字。但一旦有关方面的机械被研发出来，其实用价值将会是轰动业界的。

（2）慢、中速充电系统

该系统建立在专门针对电动汽车充电，而且这里我们强调“慢充”，快充对铅酸电池来说，危害是相当大的。快速充电，可以达到5 C~12C，充电时间只需3min~10min，而这种方式使得电池的寿命大大缩短，就会间接提高电池运营商或者汽车用户的成本，这种方式只能是在迫不得已的情况下采用。

而我们所提到的这种慢、中速充电方式，不会给电池带来高程度的破坏，通常慢速充电在8h~10h，这种方式十分耗时，但是对于换电站管理运营商来说，存放在换电站的电池可并不只是单单的几个，而是大批量的，因此，总会有闲置的电池，换电的用户只要找到符合其车型号的电池就可以继续运行，留下来的电量不足的电池经过检修之后，可以进行慢速充电，充电的时间要和国家电网充分调节好，尽量在夜间用电低谷时期进行，起到对电网“削峰填谷”的作用，同时夜间电价更为低廉，也可以降低运行成本。

对于中速充电，大多是给那些逛街购物、短时间驾车出差办公停留时间不多的特定人群，当他们停车去做其他事情，找到周边最近的一个充电站或者充电桩，在短短的半个到一个小时之内就可以选择中速充电，两不耽误。

2）镍氢电池类管理

电池种类 优点 缺点

镍氢电池 安全性能较好、

比能量大于铅酸电池、

小于锂电池，技术较为成熟，应用于混合动力汽车 有记忆效应，充电发热，自放电率高、比能量小、且只能用于混合型动力汽车上。

据了解，镍氢电池的技术也比较成熟，未来几年里仍将是电动汽车动力的主流，所以仍将拥有一个较为庞大市场占有量，主要就是那些混合动力电动汽车，作为一种中间过渡产品，本身一定存在着必然有汽车好的优势，又有比纯电动汽车差的缺点，既然是混合动力汽车，一方面使燃油，一方面是电动汽车，我们分析一下情况，一般来说，使用混合动力型车的用户不会出现因为耗光电能而无法行驶，并且由于镍氢电池有记忆效应，在没有耗光的条件下就进行充电会使得电池的耐用性降低；另外充电发热也会使得充电过程存在隐患。因此，针对镍氢电池，需要建立更为严格的管理系统。

（1）严格温控监测系统：充换电站针对换下的电池进行集中充电管理，电池上配用温控系统，实时监控电池的温度；

（2） 充换电站内部针对电池建立现代化流水线物流运作系统，该系统类似大型物流企业的流水线操作系统，流水线操作生产可以节省人工费、车间管理的很有条理、可以提高电池管理的质量。

该模式的应用可以使得对镍氢电池的管理安全性更高、作业速度、专业化程度也得到了大幅度提升，节省人力成本。并且，由于混合动力型汽车的使用者随着电动汽车技术的日益成熟，终究会被纯电动汽车替代，而其专业化的管理操作系统在用户减少的情况下，同样可以运用到其他类型的电池中去。

3）锂离子电池管理

电池

种类 优点 缺点

锂离

子电池 寿命超长、安全性高、

大电流快速放电、耐高温、

容量大、无记忆效应、体积小、质量轻、绿色环保 成本高、

需要保护线路控制、过充保护。

锂离子电池是新生代的动力电池，优点多，缺点少。毫无疑问将会成为纯电动汽车的核心动力，也是全部电动汽车的发展方向因此，对锂离子电池的管理也将成为充换电站建设的一个发展方向。

由于锂离子电池无记忆效应，所以在充换电上的管理模式将更加灵活，用户或者充换电站运营者可以根据日电量需求量，在电池当前电量无严格限制条件下，可以随时随地充电。所以前提就是在充换电站要多建立这种针对锂离子电池的充换电桩，类比加油站的运营模式，客户可以在24小时的任何时间，利用这种自动化的充电设备进行充电。

同时由于锂离子电池具有体积小、质量轻的特点，因此人工装卸搬运操作就可以，并且大多数锂离子电池充电都很省时，因此将不会有过多的人员来操作换电过程。

那么针对锂离子电池管理就可以从三种模式方面进行建设：

（1） 首推充电设施 ：根据各地需求量的预测，建立辐射范围广的自动化管理充电站。24小时自助式充电，辅助有24小时故障报修系统，来解决随时可能遇到的突发状况。同时，在小区，大型商业区周围也可以设置充电桩，满足需求，同时分三大行充换电的拥挤现象；

（2） 跟进换电设施 ，对大型充换电站，建立集成化、流水线、自动化的操作系统，引入大型高科技设备，使得汽车换电过程更省时、成本更低。

4）超级电容及其他

目前此类的研究正在进行，目前还在完善之中，因此还不能确定出充换电模式，我们会继续跟进该类设施的建设，继续完善充换电站的建设。

4 结论

总之，世界各国都在不断加强研究和暗中较劲。如何提高动力电池的性能，减少其危害，使其广泛使用，诸如此方面的研究发展毫无疑问永远是如何使电动汽车广泛使用的核心问题，而如何建立有效的电动汽车充换电模式来服务于动力电池和电动汽车的使用则是其中关键。针对不同电池的性能要求，应用于不同电动汽车的工作特点，来建立系统性的科学的高效的充换电站，依托于有效的管理信息系统，形成点线面结合、区域优化网络布局的充换电工作模式，显然是研究的重点，值得深入思考和系统发掘。

参考文献

[1]陈明.电动自行车铅酸蓄电池的危害性分析及对策措施，科技资讯，2008(26).

[2]周民德.铅酸蓄电池对人体的危害.金属世界，2000(3).

[3]蔡松，霍伟强.纯电动汽车动力电池分类及应用探讨，2014，4.