三種動(dòng)力電池的特性分析對(duì)比

節(jié)能和環(huán)保是目前汽車技術(shù)研究的主要方向，動(dòng)力電池則是電動(dòng)汽車技術(shù)的關(guān)鍵，動(dòng)力電池特性的研究對(duì)于電動(dòng)車電池有著重要的意義。

鉛酸動(dòng)力電池成本低廉，技術(shù)成熟，支持大電流放電，安全性高，在非動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)合中可不配置電池管理系統(tǒng)，但其較低的比能量無(wú)法滿足電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的需要。

氫鎳電池和鋰離子電池是目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域的主要選擇?，F(xiàn)有的氫鎳電池也存在不足，如單體電壓低(1.2V)、自放電損耗大、對(duì)環(huán)境溫度敏感等。對(duì)氫鎳電池的改進(jìn)主要集中在高低溫狀態(tài)下性能和安全性的提高、充放電性能的優(yōu)化 、自放電牢的降低。與其他電池相比，鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車，在能量功率性能方面具較大優(yōu)勢(shì)，在比能量、放電功率、循環(huán)壽命及密封性等方面，均可滿足美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)的電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池中期目標(biāo)。

1 特性對(duì)比

本文研究的動(dòng)力電池種類包括鉛酸電池、氫鎳電池和鋰電池。

1.1 容量特性

容量特性是動(dòng)力電池首先需要考察的技術(shù)指標(biāo)，主要內(nèi)容是可用容量與放電倍率的關(guān)系、在不同溫度下的可用容量變化。由于電池額定容量不同，因此在圖1、圖2中均采用可用容量比率：

圖1 可用容量比率與電流的關(guān)系

其中可用容量為電池放電至最低截止電壓時(shí)的放出電量。

從圖2可知?dú)滏?0 Ah動(dòng)力電池因?yàn)樵谧匀伙L(fēng)冷條件下放電，電池溫度升至38℃截止，致使可用容量降低。同樣對(duì)于VRLA65 Ah電池在400 A恒流放電時(shí)，由于溫度過(guò)高使得放電過(guò)程終止。相反鋰離子電池的容量特性比較理想，可用容量的衰減趨勢(shì)不顯著，可用容量變化不大;在較低倍率電流放電情況下，磷酸鐵鋰離子電池要比錳酸鋰離子電池高。圖2為不同溫度時(shí)動(dòng)力電池的可用容量比率，可以看出：

(1)鉛酸電池、氫鎳電池和磷酸鐵鋰離子電池的可用容量受溫度影響較為顯著;

(2)電池都存在最佳溫度區(qū)域;

(3)鋰離子電池的可用容量受溫度影響比較平穩(wěn)，但磷酸鐵鋰離子電池的可用容量對(duì)低溫溫度較為敏感。

圖2 可用容量比率與溫度的關(guān)系

1.2 效率特性

效率是電池的重要參數(shù)，是電池剩余電量估計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)之一。庫(kù)侖效率的測(cè)量和計(jì)算以《USABC電池測(cè)試手冊(cè)》為準(zhǔn)，圖3和圖4分別為VRLA電池和鋰離子電池在不同溫度下的庫(kù)侖效率。由圖3、圖4可以看出，鉛酸電池和氫鎳電池、鋰離子電池的庫(kù)侖效率形態(tài)大體上是一致的，差別在于：

(1)鉛酸電池和鋰離子電池的高溫庫(kù)侖效率與氫鎳電池相比較高;

(2)鋰離子電池的庫(kù)侖效率與溫度的相關(guān)度要弱一點(diǎn)。

圖3 VRLA電池在不同溫度的庫(kù)侖效率

圖4 三種錳酸鋰離子電池在不同溫度的庫(kù)侖效率

1.3 電壓特征

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配需要了解動(dòng)力電池的電壓特征。本節(jié)均采用電池電壓在10～12 V之間的模塊為分析對(duì)象。鉛酸電池模塊為6個(gè)單體電池串聯(lián)，氫鎳電池模塊為10個(gè)單體電池串聯(lián)，鋰離子電池模塊為3個(gè)單體電池串聯(lián)。

(1)10～l2v模塊的開(kāi)路電壓

圖5 10～12V模塊級(jí)別的電池開(kāi)路電壓

從圖5可知：

a 錳酸鋰電池的voc 比磷酸鐵鋰離子高，與SOC的關(guān)系規(guī)律更類似于氫鎳電池;

b 磷酸鐵鋰電池Voc 與SOC之間的相關(guān)性較差;

c 液態(tài)錳酸鋰離子電池和聚合物錳酸鋰離子電池的Voc存在較大差別，而兩種液態(tài)錳酸鋰離子電池之問(wèn)的Voc變化規(guī)律基本一致。

(2)10～12v模塊的放電電壓

圖6為不同電池模塊的放電電壓特征對(duì)比。

圖6 不同動(dòng)力電池1O～12 V模塊級(jí)別的放電電壓對(duì)比

從圖6中可知：

a 氫鎳電池具有與鉛酸電池、鋰離子電池不同的工作電壓特征，在放電初期和后期，電壓變化過(guò)渡“柔和”，有利于根據(jù)電壓進(jìn)行SOC估計(jì)，放電中期的電壓平臺(tái)時(shí)間較短;

b 錳酸鋰離子電池和鉛酸電池的恒流放電電壓曲線比較接近，而磷酸鐵鋰電池電壓平臺(tái)特征較顯著，但平臺(tái)電壓值低于錳酸鋰離子電池。

1.4 直流內(nèi)阻特性

直流內(nèi)阻是表征動(dòng)力電池性能和壽命狀態(tài)的重要指標(biāo)，決定電池的高功率放電能力，影響電池的熱特性和效率。

1.4.1 不同沖擊電流下的直流內(nèi)阻

圖7 氫鎳80Ah電池模塊充放電內(nèi)阻

圖7為不同電流下的氫鎳電池模塊充放電內(nèi)阻。從圖7可知，對(duì)氫鎳電池來(lái)說(shuō)：

(1)不論充放電倍率大小，SOC對(duì)電池內(nèi)阻的影響都呈現(xiàn)為馬鞍形狀，鞍底為SOC=60%附近;

(2)電池內(nèi)阻較小的區(qū)域?yàn)?0%~80%。[!--empirenews.page--]

圖8為磷酸鐵鋰離子電池單體的放電直流內(nèi)阻變化規(guī)律，充電直流內(nèi)阻變化規(guī)律與其相似。對(duì)磷酸鐵鋰離子電池來(lái)說(shuō)，無(wú)論是充電內(nèi)阻還是放電內(nèi)阻，都隨著SOC增大而減小，隨著電流增大，不同SOC下的直流內(nèi)阻逐漸趨于一致。

圖8 磷酸鐵鋰離子電池單體放電直流內(nèi)阻與不同電流的關(guān)系

1.4.2 不同溫度下的直流內(nèi)阻

圖9為溫度對(duì)氫鎳電池直流內(nèi)阻的影響規(guī)律。圖10、圖11為不同正極材料(錳酸鋰和磷酸鐵鋰)鋰離子電池直流內(nèi)阻與溫度的關(guān)系。由圖可以得出如下結(jié)論：

圖9 溫度對(duì)氫鎳電池模塊內(nèi)阻的影響

(1)不論對(duì)于氫鎳電池還是鋰電池，電池直流內(nèi)阻都隨著溫度的降低而增大，影響規(guī)律大體一致;

(2)與氫鎳電池相比，鋰離子電池在低溫下的內(nèi)阻會(huì)劇烈增加，這是其低溫性能下降的主要原因。

圖10 錳酸鋰100 Ah鋰離子電池的直流內(nèi)阻與溫度的關(guān)系

圖11 磷酸鐵鋰150 Ah鋰離子電池直流內(nèi)阻與溫度的關(guān)系

1.5 電池?zé)崽匦?/p>

鉛酸、氫鎳、鋰離子三類動(dòng)力電池的電化學(xué)工作原理截然不同，熱特性、可以容忍的高溫和最佳運(yùn)行溫度范圍也不同。

磷酸鐵鋰離子電池的截止溫度為75℃ ，鉛酸電池為60℃ ，錳酸鋰離子電池截止溫度一般在55～60℃之間，氫鎳電池正常使用溫度范圍為一30～55℃。溫度過(guò)高會(huì)使電池加速老化，壽命縮短，影響電池的基本特性和使用性能，如可用容量、充電接收能力、充放電效率和能量功率性能、安全問(wèn)題。

本節(jié)僅依據(jù)電池壁溫度對(duì)電池?zé)崽匦赃M(jìn)行初步探討。

鋰離子電池在放電過(guò)程中電化學(xué)反應(yīng)生熱和歐姆生熱二者共同作用，使得鋰離子放電時(shí)的溫升更快。圖12為動(dòng)力電池在放電過(guò)程中電池壁溫度變化曲線。

圖12 動(dòng)力電池放電過(guò)程中的溫度曲線

從圖12中可以看出：

(1)VRLA 65 Ah鉛酸動(dòng)力電池的高倍率放電表現(xiàn)比較優(yōu)秀，溫度變化曲線與100 Ah鋰離子電池400 A放電相當(dāng)接近;

(2)氫鎳電池的放電溫度變化相對(duì)比較和緩;

(3)產(chǎn)品體系的錳酸鋰離子電池lO0 Ah和60Ah分別 300 A和240 A放電時(shí)，溫度變化曲線相同，溫度相對(duì)SOC的變化牢接近一致;

(4)磷酸鐵鋰離子電池在以大電流450 A、3 C放電時(shí)的溫度上升速度相對(duì)較低。

1.6 自放電特性

自放電特性的衡量指標(biāo)為荷電保持。 圖13為兩種鋰離子電池和氫鎳電池的倚電保持率曲線。初始SOC的不同會(huì)影響荷電保持率，鋰離子電池的荷電保持率很高，其中液態(tài)鋰離子100 Ah電池(初始SOC100% )存開(kāi)路擱置146 d后，荷電保持率為96.4%，而氧鎳電池在開(kāi)路擱昔28 d后，已降至8O.42%。南此看 荷電保持率是氫鎳電池需要改進(jìn)完善的方面。

圖13 氫鎳電池和鋰離子電池的荷電保持率

2 性能對(duì)比

能量功率性能是對(duì)電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池使用方面需要考核的主要性能指標(biāo)，與汽車?yán)m(xù)駛里程及其動(dòng)力性關(guān)系密切：鉛酸電池VRLA的比能量是最低的，只有35 Wh/kg左右，氫鎳電池和鋰離子電池則依次提高。從圖14可綜合考查電池能量和功率性能，包括五種動(dòng)力電池在不同功率水平下的比能量鉛酸電池大電流高倍率放電能力比較強(qiáng)，但比能量和單位功率水平大大降低=氫鎳電池比能量較低是由于高溫耐受性有限，在有效熱管理情況下氫鎳電池的放電功率水平并不遜色，但比能量與鋰離子電池仍有差距。

圖14 質(zhì)量比能量與放電功率水平的關(guān)系

錳酸鋰離子電池是目前高端電動(dòng)汽車常用的動(dòng)力電池。

從圖14可以看 ，鋰離子電池放電功率能力最好，能量功率綜合性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

鉛酸電池、氫鎳電池和鋰電池在基本特性方面各有特色，在應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池時(shí)各具優(yōu)勢(shì)，分別有自己的適的場(chǎng)合。但就應(yīng)用前景和性能提高潛力方面，鋰離子電池綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)，是未來(lái)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池發(fā)展的方向。