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1、 1 电动汽车动力蓄电池的国内外发展状况及动向 摘要：随着人们对环境保护与节约能源的关注，电动汽车和混合动力汽车已经越来越引起人们的关注，而两者发展的核心及难点就在于蓄电池技术的发展。世界各国特别是汽车工业比较发达的国家，正在致力于研发低污染和无污染汽车。而今，电动汽车是当前能满足“零排放 要求的首选方案。电动汽车的能量效率比普通燃油汽车高 40左右。本文将从蓄电池的角度综述电动汽车国内外的研究现状和未来的发展。关键词：电动汽车；蓄电池；能量管理 随着社会的进步和科技的发展，随着保护环境、节约资源的呼声日益高涨，新一代电动汽车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具，近些年来引起了人们的普遍
2、关注并得到了极大的发展。北京要把 2008年奥运会办成一届绿色的奥运会，其中的一项工作就是要用环保型的电动汽车来替代目前的内燃机汽车。电动汽车以电力驱动，行驶无排放(或低排 放)，噪音低，能量转化效率比内燃机汽车高很多，同时电动汽车还具有结构简单、运行费用低等优点，安全性也优于内燃机汽车。但电动汽车目前还存在价格较高、续驶里程较短、动力性能较差等问题，而这些问题都是和电源技术密切相关的，电动汽车实用化的难点仍然在于电源技术，特别是电池(化学电源)技术。目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想，对于开发电动汽车的竞争，最重要的就在于开发车载动力电池的竞争。1 电动汽车蓄电池种类及研究动向
3、 1.1 当前世界上研究开发的电动汽车动力电池主要包括铅酸电池、镍金属电池、锂离子电池、钠电池、金属空气电池、超级电容、飞轮电池以及具有更好发展远景的燃料电池 1。1、铅酸蓄电池 铅酸蓄电池已有 100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池，目前约有 8%90%的采用率。它可靠性好、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。镍镉电池 目前，镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池其比能量可达 55Wh kg，比功率超过 190Wkg，
4、可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到 2000多次，但价格 2 为铅酸蓄电池的 4 5 倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染。2、镍氢蓄电池 镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱性电池，其特性和镍镉蓄电池相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。目前生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovine公司，它现有 80Ah 和 130Ah 两种单元电池，并由此构成 30kwh 和 50kwh 两种规格的电池。其比能量达 7580Wh/kg，比功率达 160230
5、Wkg，循环使用寿命超过 600次。这种蓄电池曾装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶 345km，有一辆车一年中行驶了 8 万多公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。估计随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量可超过 80wh kg，循环使用寿命可超过 2000次，远景价格可降至 150美元/Kwh。通用汽车公司已把它作为今后几年电动汽车优先考虑蓄电池。3、钠硫蓄电池 钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池，美国福特汽车公司的 Minivan电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体(USMABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池，德国 ABB公司生产的 B240K型钠硫蓄
6、电池，其质量为 17.5kg，蓄电量 19.2Kwh；比能量达 109Wh kg，循环使用寿命 1200次，装车试验时最好的一辆车无故障地行驶了 2300km。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短。性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。4、锂电池 锂电池的种类繁多，常见的有色锂离子电池、高温锂熔直盐电池、锂聚合物电池和但聚合物固体电解质电池等，锂离子电池比能量的理论值为 570Wh kg，它目前达到的性能指标是：比能量为 100wh kg，比功率 200w/kg，循环使用寿命为 1200次，充电时间 2 4 小时。采用能量密度更高的锂离子电池取代铅和镍氢电池，运用于汽车领域正成为一项核
7、心技术，它具有重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用蓄电池。缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料，大大提高了锂离子电池的安全性，而且降低了成本。5、锌空气电池 锌空气电池的潜在比能量在 200wh/kg左右。美国 DEMI公司为电动汽车开发的锌空气电 3 池的比能量已达 160Wh kg 左右，但它目前尚存在寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电等缺点。美国的 CRX电动汽车装的就是锌空气电池，该车为弥补它的不足，还装有镍镉蓄电池以
8、帮助汽车起运和加速 CRX车的锌空气电池组质量为 340kg，充足电后可存储 45kwh 的能量，同时装备 CRX的重达 159kg的镍锡蓄电池充足电后有 4kwh 能量。充电 12 分钟可使 CRX电动汽车行驶 65km，充电一小时则可行驶 160km。6、飞轮电池 飞轮电池是 90 年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知。当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“
9、充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。当飞轮电池出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高(高达 200000r/min)，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能可达 150Wh kg，比功率达 5000-10000Wkg，使用寿命长达 25 年，可供电动汽车行驶 500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒 LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶 600km，由到 96kmh 加速度时间为 6 5 秒。7、燃料电池 燃料电池是一种将储存
10、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。它不经历热机过程，不受热力循环限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达 100，实际效率已达 6080，是普通内燃机热效率的 2 3 倍。现在应用于电动汽车中的燃料电池是一种被称为质于交换膜燃料电池(PEMFC)，它以纯氢为燃料，以空气成龙为氧化剂。在 1993年加拿大温哥华科技展览会上，加拿大的 BALLABC公司推出了世界上第一辆以 PEMFC电池为动力的电动公共汽车。载客 20 人，可行驶 160km/h，最高速度72.2kmh。德国奔驰汽车公司也研制了以 PEMFC电池为动力的电动汽车。1.2 国内外的主
11、要研究动向 目前普遍认为，作为实用开发的重点和目标可分为近期、中期和远期。近期以改进型铅酸和 Cd-Ni电池为主，中期以 MH-Ni电池和 Na-S电池为主，远期以 Li 离子电池和燃料电池为主。目前，越来越多的研究人员选用锂离子电池作为电动汽车的动力电池，因为锂离子动力 4 电池有以下优点：工作电压高（是镍镉电池氢-镍电池的 3倍）；比能量大（可达 165WH/，是氢镍电池的 3 倍）；体积小；质量轻；循环寿命长；自放电率低；无记忆效应；无污染等。如果采用锂离子电池，电动汽车成本难以降低。磷酸铁锂电池也是一种锂电池，其比能量不到钴酸锂电池的一半，但是其安全性高，循环次数能达到 2000次，放
12、电稳定，价格便宜，成为车用动力新的选择。据有关资料显示，全球汽车锂电池的生产企业主要有二十多家，而日本则走在全球前列，有美国的 A123、江森自控(Johnson Controls)；中国的比亚迪、韩国的 LG 化学，而仅仅日本就有东芝、日立制作所、日本电气(NEC)、GSYuasa、丰田汽车和松下电器产业的合并公司PanasonicEVEnergy等十来家相关企业。中投顾问产业研究中心数据显示，据目前在混合电动汽车上所使用的镍氢电池几乎大部分是由日本企业制造的，日本的丰田公司与本田公司主导着与混合电力汽车相关的技术，两家公司在世界市场上的占有率超过 85%。以现代汽车公司与 LG 化学公司为
13、主力的韩国企业从 2004年开始的 5 年以来，作为第二代电池成长动力产业的一环，在混合电动汽车用高输出动力的锂电池开发方面已经投入了160亿韩元的预算。另外，去年韩国知识经济部决定在 5年内，对内置型混合电力汽车用的移动电池与相关系统的开发方面援助 400亿韩元，并在 2013年开始大规模生产。我国电池企业研发现状：动力电池研发产品的主要性能居国际先进水平，电池产业基础雄厚，但需要解决一些薄弱环节。我国动力电池关键技术、关键材料和产品研发取得重大进展，与日本、美国、德国等国际先进水平比较，总体水平相当，比亚迪、力神、雷天等企业开发出的镍氢和锂离子两种类型、多个系列的车用动力电池，能量密度、功
14、率密度(能量密度、功率密度是指单位重量的能量和功率，前者决定了电动汽车的续航里程和重量，后者决定了汽车的动力性)等主要性能指标居国际先进水平。电催化剂、复合膜、双极板等关键材料也取得重要进展。2 电池管理系统 2 1 国外电池管理系统的研究现状 随着电动汽车研究和应用的不断升温，国外一些大的汽车生产企业和电池生产厂家针对各种电动汽车车载电池作了大量研究及试验，构建出了各自的数学模型，成功地开发出电池管理系统，并在车上试用。其中较典型的电池管理系统 3 4 5有：(1)美国 Aerovironment公司研发的 Smart Guard电池管理系统：(2)美国 ACPropulsion公司开发的名
15、为 BatObt的高性 5 能电池管理系统；(3)美国通用汽车公司生产的“EVl型电动汽车上应用的电池管理系统；(4)德国柏林大学研制的电池管理系统；(5)德国 B Hauck设计的 BATTMAN系统。(1)SmartGuard。SmartGuard系统是在电池上装有一个分布式的管理装置(用了专用 IC)来测量电池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电路。SmartGuard的主要功能有：过充电监测与控制、电池历史纪录、提供最差供电电池单元的信息。(2)BatObt系统。该系统每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一个分布式系统。通过 two wire总线，监控模块向主控单元报
16、告电池电压、温度等信息，主控单元收集单体电池信息后，提供手动和自动充电策略，它有以下特点：每个模块提供 5 安培的均充电流、模块有一温度监控、two wire总线接口。(3)“EVl电池管理系统。“EVl”电池管理系统包括：电池模块(用于汽车驱动和其他用电系统)，电池组控制模块(batterypack module，BPM)，电池组热管理系统(thermal management system)和电池组高压断电保护装置(high voltage disconnect)四个组成部分。其中，电池组控制模块有以下功能：电池单体电压监测、电流采样、电池组高压保护、温度采样、控制充放电、电量或里程计算和
17、高压回路继电器。(4)德国柏林大学研制的电池管理系统包括，显示模块(display)、速度调节模块(accelerator)、温度调节模块(cooling and heating)、上位机诊断模块(diagnosis PC)以及为每个电池模块配备的平衡器(charger balancing)。在总体控制方案中，采用 CAN总线方式，微处理器单元采用西门子公司的 Microcontroller80C167CR。功能上该管理系统包括：防止电池过充过放、均衡器实现电池均衡充电、电池组热管理、剩余电量估计、电池老化信息、电池故障诊断、系统参数调整、数据记录和存储。(5)BATTMAN系统。BATTMA
18、N电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电池组的管理。之所以要这样做，是根据对不同型号的电池组的管理可分为共同的部分和特殊的部分。而且共同的部分占很大的比重，他认为这些共同的部分是：决定电池能存储的电流能量、决定最弱电池单体的剩余电量、能影响电池的运行和数据的记录、温度的测量。2 2 国内电池管理系统的研究现状 我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后，在电池管理系统技术方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在国家 863计划 2005年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大
19、学承担的 EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理系统、湖南神舟公司承担的 EQ6110HEV混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理 6 系统、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。其中电池管理系统主要以各高校为主力进行研发，典型的有北京交通大学为湖南神舟公司开 发的镍氢电池管理系统，已用于长安产业化的混合动力汽车上：北方工业大学研发的混合动力电动汽车电池管理系统，及同济大学、北京航空航天大学等高校研发的管理系统；北京交通大学研发的镍氢电池管理系统6主要功能包括
20、：动态监测动力电池组的工作状态，即实时采集电动汽车蓄电池组中的模块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池包总电压；准确估测动力电池组的荷电状态(即 SOC)，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的荷电状态，使电池的 SOC工作范围控制在 30,-70；蓄电池故障的早期预测和报警(过压欠压报警，过温报警)；动力电池组的热平衡管理；整车高压绝缘性能的预测报警；与整车通过 CAN总线进行数据通讯。该管理系统结构采用了集中设计的方式，适合用于对空间要求比较严格的小轿车，从图中可见管理系统由主控器、电流测量、电压测量、温度测量、绝缘测量、高压控制系统、CAN通讯，RS232通讯，计时
21、及数据存储等功能模块组成。其中主控器选用了 Motorola公司的 9S12系列的单片机；电流测量部分利用分流器将电流信号转换成电压信号，再利用 A D 芯片进行采样；电压测量部分采用光电继电器将电池电压逐节切入，并使用专门的 A D 转换器 MAXlll将模拟量转换为数字量传送给 CPU；温度测量部分选用了 10 个集成的温度传感 DSl8820对电池组温度进行监测；绝缘测量部分使用平衡电桥法，外加可控的 MOSFET人为改变平衡电桥的平衡，利用 A D 芯片采样相应电压，通过计算获得电池的绝缘状态。该管理系统另一主要特点是采样部分和 CAN通讯都对数字信号的传递进行了光耦隔离，供电电源也利
22、用了 DCDC 转换器进行隔离，这样使系统的抗干扰能力得到了大大提升。北方工业大学的管理系统7主要功能模块分为电流测量、电压测量、温度测量等。该管理系统以 TMS320LF2407作为主控器；其电流测量部分采用电流型霍尔元件 LT308，并经放大电路放大后由外部的 A D 芯片进行转换得到电流值；电压测量也采用了通过光电继电器进行电池电压切换的模式；温度测量部分选用了热敏电阻作为温度传感器。综上可见，国内电池管理系统主要有过充过放控制、过压欠压报警、S0C估算、电池组热管理、与整车的 CAN通讯等功能，其设计上也主要针对单一的电池，应用在单一的车型上，多数还处在实验室研究的阶段，无法适应不同类
23、型电动汽车的快速研发甚至产业化，对于新电池的应用也需要进行多次重复的电池管理系统开发，这即耗费人力资金也大大的阻碍了动 7 力电池在电动汽车上的应用。3 小结 尽管传统的内燃机汽车仍在当今世界占据主导地位，但发展清洁无污染的电动汽车已是大势所趋，也是世界各国的必然选择。目前，在电动汽车的商业化运作上，无论从产品技术还是从市场开发方面都还面临许多亟待解决的问题，比如续驶里程有限、蓄电池使用寿命太短、蓄电池尺寸和质量的制约、电动汽车价格昂贵、间接污染严重等。因此燃料电池汽车将在未来成为竞争的焦点，燃料电池在成本和整体性能上，特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池，且燃料电池所用的燃料(甲醇、汽
24、油、柴油、天然气等)来源广泛，又可再生，并可实现无污染、零排放等环保标准。参考文献：【1】陈凯，陈丽婷.电动汽车用蓄电池现状及发展前景简述【J】.蓄电池，2007,44(4).【2】姜久春电池管理系统的概况和发展趋势【J】新材料产业，20078，p40-43【3】EberhardMeissner,Gerolf Richter.Battery Monitoring and Electrical Energy ManagementPrecondition for future vehicle electric power systems【J】.Journal ofPower Sources，Vol
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