关于纯电动汽车使用锂电池作为动力能源的探究

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摘要：纯电动汽车以节能、环保而作为了电动汽车的重要发展方向之一。锂离子电池以其能量密度大、电压平台高等优良的性能成为纯电动汽车的理想动力源。然而，锂离子电池的抗滥用能力、安全性和长寿命成为锂离子电池使用管理中急需解决的问题。

关键词：纯电动汽车 锂离子电池 安全性 抗滥用能力

1 车用锂电池的市场现状

从2009年至2010年，混合动力汽车，电动汽车以及插电式混合动力汽车的锂电池市场增长了5倍之多，营收达到5.018亿美元。2011年锂离子电池市场销售额为20亿美元，2012年电动车用锂电池总销售额为160亿美元。随着锂电池的安全性、性价比的逐渐提升以及成组技术的不断突破，锂电池逐渐进入大功率应用场合，如电动汽车动力源、通信系统备用电源、铁路辅助电源以及电力系统备用电源等。有专家预测，锂电池在电动车应用领域将会逐步取代铅酸电池、镍电池等电池。

2 车用锂电池的种类

在技术上，锂电池仍不断取得新的突破。单体锂离子电池在能量密度、功率特性、安全性、寿命等方面的性能得到显著的提高，电池的温度适用范围也得到了拓展。随着车用锂电池研究领域的不断拓展，其技术也不断取得突飞猛进的进展，先后出现了钴酸锂、三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂等多种类型的锂离子电池。其中钴酸锂材料其含有贵重金属成本较高，抗滥用能力差，安全性能较差，不适合于大型动力电池领域推广应用。三元材料也是一种高容量的正极材料，电压平台与钴酸锂一致，循环性能优异，安全性能相对较好，可大电流放电，适合于中型高档电子产品或要求大电流工作的场所，但该材料价格昂贵，也不适宜大型动力电池上使用。锰酸锂材料具有较高的电压平台，良好的安全性能、丰富的资源和低廉的价格。经过多年的研究，锰酸锂材料的性能得到较大的改善，现在的锰酸锂具有良好的常温循环和高温循环性能，是目前动力电池领域广泛采用的正极材料。磷酸铁锂材料是最近几年快速发展起来的一种新的正极材料，其具有较高的克容量（130 mAh/g～140 mAh/g），稳定的充放电平台，良好的安全性能，较好的低温性能以及良好的循环寿命，在动力电池和备用电源领域具有广阔的应用前景。其缺点是电压平台较低，振实密度（比重）低，制成的电池比能量较低。另外，生产过程对工艺要求十分严格，不同批次产品的一致性控制难度较大。

3 车载锂电池使用中面临的一些问题

与便携式设备或者固定设备相比，电动汽车用电池的工作环境更为恶劣：

3.1串联使用。为了达到相应的功率和能量等级，电动汽车用电池需要大量地串联使用。以奥运用纯电动大巴为例，电池配置为锰酸锂材料锂电池，4并104串，电池组容量360 Ah。这样对电池的一致性提出了更高的要求：同时电池的容量更大，安全性要求更高，与单只电池的使用和管理不同，需要更加完善的成组管理和使用技术。

3.2空间狭小。这样，一方面使得电池的摆放相对集中，电池系统的安装、散热和通风处理更难。电池长时间在高温下运行，电池的性能衰退加快，甚至会出现热失控而有安全隐患；另一方面，由于空间狭小，加之大容量电池需要的均衡设备容量、体积等都较大，所以并不具备在线均衡器的安装条件，使得电池的一致性问题更加突出，也给电池的使用带来更加严格的考验。

3.3环境恶劣。车辆运行颠簸，这对电池的抗冲击和震动等性能提出了更高的指标要求；同时灰尘、雨水以及线路磨损可能导致电池出现爬电、短路、搭铁等绝缘问题。电动汽车对车用电池的高性能要求和恶劣的工作环境，对电池的安全性和循环寿命以及电池能量的有效使用提出了很大的挑战。特别是锂电池的成本较高，抗滥用能力较差。电池的滥用（包括过充电、过放电、过热和过电流等）可能导致电池的寿命严重衰减，甚至出现电池着火或者爆炸等安全事故。在成组锂电池中由于电池的一致性差异，问题表现得更为突出。所以锂离子电池，特别是成组锂离子电池的安全性和长寿命成为锂电池使用、管理方面急需解决的问题。

4 目前的锂电池管理技术

电池管理系统是电池系统的重要组成部分，通过对电池外特性的在线测量和估算，实时地掌握电池的工作状态，在不出现滥用和不合理使的情况下，实现电池能量的充分和高效利用，提高运行效率。

目前，为了满足电动汽车的实际运行需求，电池管理系统在功能、可靠稳定性和实用性等方面都做出了重要努力。检测方面，提高了电压、温度及电流的测量精度，基本满足车辆运行和电池使用的要求。数据通讯方面，配备了齐全的通信接口，可以将电池的信息发送给整车控制器，显示界面以及充电机等。可靠性方面，结合现代大规模集成电路技术，提高系统运行的抗干扰能力。数据库管理方面，由于电池和电动车都处于试验和日益完善的阶段，电池管理系统多配备了电池运行和充电数据的数据库管理系统，便于对电池性能的进行评价，对车用电池的优化设计提供数据支持。

虽然电池管理在系统的检测精度、可靠性和耐久性等方面取得了一定的进步，但是对电池的认识还是不够深入；虽然具备完善丰富的电路功能，但是在对电池状态的估算、电池性能的影响因素和有效利用、成组电池的充电方法、电池的热管理等方面缺少系统的测试和研究。

结束语：

纯电动汽车目前虽然存在行程较短、爬坡能力不足等问题，但由于它有效地解决了汽车的污染和能源两大问题，人们还是会逐渐改造它，使之完善。电动自行车曾促进了铅酸电池的生产发展和技术进步，那么纯电动汽车还将促进锂离子电池生产的发展，将会得到不断发展。电动汽车的电池技术一旦技术突破市场，以后的发展将是前途无量。

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