電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池充電技術(shù)

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一。1881年特魯夫(Gustave Trouve)制造出世界上第一輛電動(dòng)三輪車(chē)時(shí)，使用的是鉛酸電池。目前，仍有不少混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)采用新一代鉛酸電池。近十多年來(lái)，鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)中得到應用，越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。

美國學(xué)者麥斯J.A.Mas通過(guò)大量實(shí)驗提出電池充電可接受的電流定理：1)對于任何給定的放電電流，電池的充電接受電流與放出容量的平方根成正比；2)對于任何放電深度，一個(gè)電池的充電接受比與放電電流的對數成正比，可以通過(guò)提高放電電流來(lái)增大充電接受比；3)一個(gè)電池經(jīng)幾種放電率放電，其接受電流是各放電率接受電流之總和。也就是說(shuō)，可以通過(guò)放電來(lái)提高蓄電池的充電可接受電流。在蓄電池充電接受能力下降時(shí)，可以在充電的過(guò)程中加入放電來(lái)提高接受能力。

汽車(chē)動(dòng)力電池的性能和壽命與很多因素有關(guān)，除了其自身的參數，如電池的極板質(zhì)量、電解質(zhì)的濃度等外；還有外部因素，如電池的充放電參數，包括充電方式、充電結束電壓、充放電的電流、放電深度等等。這給電池管理系統BMS估計蓄電池的實(shí)際容量和SOC帶來(lái)很多困難，需要考慮到很多的變量。WG6120HD混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統是建立在SOC數值的管理上。SOC (state of charge)指的是電池內部參加反應的電荷參數的變化狀態(tài)，反映蓄電池的剩余容量狀況．這在國內外都已經(jīng)形成統一認識.

1 鉛酸電池

鉛酸蓄電池是一個(gè)很復雜的化學(xué)反應系統。充放電電流的大小和它工作溫度等外部因素都會(huì )影響蓄電池的性能。計算電池的SOC值，并根據汽車(chē)的運行狀態(tài)以及其它的參數來(lái)確定汽車(chē)的運行模式，是電動(dòng)汽車(chē)的一項關(guān)鍵技術(shù)。

鉛酸蓄電池的應用歷史最長(cháng)，也是最成熟、成本售價(jià)最低廉的蓄電池，已實(shí)現大批量生產(chǎn)。但它比能量低，自放電率高，循環(huán)壽命低。當前存在的主要問(wèn)題是其一次充電的行程短。近期開(kāi)發(fā)的第三代圓柱型密封鉛酸蓄電池和第四代TMF(箔式卷狀電極)密封鉛酸蓄電池已經(jīng)應用于EV和HEV電動(dòng)汽車(chē)上。尤其是第三代VRLA蓄電池的低阻抗優(yōu)點(diǎn)可以控制快速充電過(guò)程中的歐姆熱，延長(cháng)電池的壽命。

脈沖分階段恒流快速充電方法能很好地適應混合動(dòng)力汽車(chē)鉛酸蓄電池在變電流放電狀態(tài)下，充電時(shí)間短，使蓄電池荷電狀態(tài) SOC 始終保持在 50％-80％范圍內的要求。試驗表明，只需要 196 秒，就可以使蓄電池電量從 50％C 充到 80％C。這種充電方法基本滿(mǎn)足了蓄電池的接受曲線(xiàn)，蓄電池的溫升較小，產(chǎn)生氣體少，壓力效應不大，而且充電時(shí)間短。

最優(yōu)的充電方式是充電電流始終遵循固有充電接受曲線(xiàn)，在充電過(guò)程中，充電接受率保持不變，隨著(zhù)時(shí)間的增加，充電電流按固有充電接受曲線(xiàn)遞減(指數曲線(xiàn)遞減)，這樣充電時(shí)間最短。脈沖去極化充電方法能實(shí)現快速、高效率充電，但設備昂貴，對某些蓄電池不適用。

日本公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)用新型VRLA蓄電池，其電壓規格有單體2V和4V，采用貧液式和極板水平設計．飯板間的間距很小，不會(huì )出現電解液分層，脫落物質(zhì)向下移動(dòng)有極板擋住，電池底部無(wú)脫落物堆積。

Ectreosorce公司的12V l12A·h電動(dòng)汽車(chē)用水平蓄電池，其用3小時(shí)率放電質(zhì)量比能量為50W·11／kg，80％Ⅸ)D(放電深度)的循環(huán)壽命大于900次。

德國陽(yáng)光公司的電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸蓄電池采用膠體電解質(zhì)設計，經(jīng)檢測其6V、160A·h電池的預期壽命可達到4年，具有熱容量大、溫升小等優(yōu)點(diǎn).

美國Arias公司于1994年推出雙極性電動(dòng)車(chē)用鉛酸蓄電池，其結構技術(shù)獨特。這種電池的工作電流只垂直于電極平面而通過(guò)薄的雙電極，所以具有極小的歐姆電阻。美國B(niǎo)PC公司開(kāi)發(fā)的雙極性電動(dòng)車(chē)用鉛酸蓄電池技術(shù)參數為：組合電壓為180V，電池容量為60A·h，放電率比能量為50W·h／kg，循環(huán)壽命可達到1000次。

瑞典OPTLMA公司推出的卷式電動(dòng)車(chē)用鉛酸蓄電池，產(chǎn)品容量為56A·h，啟動(dòng)功率可達到95kW，比普通的195A·h的VRLA蓄電池啟動(dòng)功率還要大，而體積小四分之一。

2 鋰離子電池

鋰離子電池的特性和價(jià)格都與它的正極材料密切相關(guān)，一般而言，正極材料應滿(mǎn)足：⑴在所要求的充放電電位范圍內，具有與電解質(zhì)溶液的電化學(xué)相容性；⑵溫和的電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)；⑶高度可逆性；⑷全鋰狀態(tài)下在空氣中穩定性能好。隨著(zhù)鋰離子電池的發(fā)展，高性能、低成本的正極材料研究工作在不斷地進(jìn)行。目前，研究主要集中于鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物和鋰錳氧化物等鋰的過(guò)渡金屬氧化物鋰鈷氧化物(LiCoO2)屬于 -NaFeO2 型結構，具有二維層狀結構，適宜鋰離子的脫嵌.其制備工藝較為簡(jiǎn)便、性能穩定、比容量高、循環(huán)性能好，其合成方法主要有高溫固相合成法和低溫固相合成法，還有草酸沉淀法、溶膠凝膠法、冷熱法、有機混合法等軟化學(xué)方法。鋰錳氧化物是傳統正極材料的改性物，目前應用較多的是尖晶石型 LixMn2O4，它具有三維隧道結構，更適宜鋰離子的脫嵌。鋰錳氧化物原料豐富、成本低廉、無(wú)污染、耐過(guò)充性及熱安全性更好，對電池的安全保護裝置要求相對較低，被認為是最具有發(fā)展潛力的鋰離子電池正極材料。

20 世紀 90 年代，日本索尼公司首先研制成功電動(dòng)汽車(chē)用鋰電池，當時(shí)使用的是鈷酸鋰材料，存在著(zhù)易燃易爆的缺點(diǎn)。目前中國信國安盟固利電源等公司研制出以錳酸鋰為正極材料的 100Ah 動(dòng)力鋰電池，解決了鈷酸鋰電池的不足。

截至 2006 年 10 月為止，全球已有 20 余家汽車(chē)公司進(jìn)行鋰離子電池研發(fā)。如富士重工與 NEC 合作開(kāi)發(fā)廉價(jià)的單體(Cell)錳系鋰離子電池(即錳酸鋰電池)，在車(chē)載環(huán)境下的壽命高達 12 年、10 萬(wàn)公里，與純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)壽命相當。東芝開(kāi)發(fā)的可快速充電鋰離子電池組，除了小型、大容量的特點(diǎn)之外，采用了能使納米級微粒均一化固定技術(shù)，可使鋰離子均勻地吸附在蓄電池負極上，能在一分鐘之內充電至其容量的 80%，再經(jīng) 6 分鐘便可充滿(mǎn)電。美國的主要電池廠(chǎng) Johnson Controls 針對電動(dòng)汽車(chē)需求特性的鋰離子電池于 2005 年 9 月在威斯康星州 Milwaukee 設立研發(fā)地點(diǎn)，2006 年 1 月另出資 50%與法國電池廠(chǎng) Saft 共同成立 Johnson Controls－Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于 2006 年 8 月承接了美國能源部(DOE)所主導 2 年 USABC(United States Advanced Battery Consortium)純電動(dòng)車(chē)鋰離子電池研發(fā)計劃合約，提供高功率鋰離子電池。我國在鋰離子電池方面的研究水平，有多項指標超過(guò)了USABC提出的2010年長(cháng)期指標所規定的目標。從 1997 年開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化試驗的蘇州星恒作為國家鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化示范工程項目基地 ，其研發(fā)的動(dòng)力電池組已通過(guò)美國 UL 和歐盟獨立組織 Extra Energy 的測試認證，并在蘇州建成第一條動(dòng)力鋰離子電池的生產(chǎn)線(xiàn)并順利試產(chǎn)，目前已實(shí)現批量生產(chǎn)。

2008 年北京奧運會(huì )期間，有 50 輛長(cháng) 12 米的鋰離子電動(dòng)客車(chē)在奧運中心區服務(wù)，這是國際上第一次大規模使用鋰離子電池電動(dòng)客車(chē)。電動(dòng)大客車(chē)充電時(shí)間長(cháng)，是這樣保證電動(dòng)汽車(chē)運行不脫節的：電動(dòng)汽車(chē)駛入充電站，兩只機械手將汽車(chē)底盤(pán)里的電池組取出，放入待充通道，隨即從已充通道取下充滿(mǎn)電的電池組，將其換入電動(dòng)汽車(chē)的底盤(pán)中，整個(gè)過(guò)程只需要 8 分鐘左右。

法國雪鐵龍、雷諾、標致汽車(chē)公司采用鋰離子動(dòng)力電池的電動(dòng)商用車(chē)已完成用戶(hù)測試運行。波爾多是法國電動(dòng)汽車(chē)示范應用城市之一，有各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē) 500 輛，主要應用于市政用車(chē)和電動(dòng)小巴，并建有 20 個(gè)擁有電動(dòng)汽車(chē)配套充電設施的停車(chē)場(chǎng)，其中有 16 個(gè)配置了快速充電裝置.鋰電池的充電過(guò)程與鉛酸蓄電池不同。鋰聚合物(Lipo)充電器的集成塊，外部元件極少，由于集成塊本身極小(2mm×3mm)，因此整個(gè)充電器也非常小。Lipo電池的充電過(guò)程是：當電池電壓非常低(0．5V) 時(shí)，用小電流充電，此電流的典型值小于0．1C (此處C是標稱(chēng)電池容量)，若電壓已足夠高，但低于4．2V，就用恒定電流對電池充電，多數廠(chǎng)家會(huì )指定在這一過(guò)程中1C的電流，電池上的電壓不會(huì )超過(guò)4．2V，在恒定電壓期間，經(jīng)過(guò)電池的電流會(huì )緩慢下降，而電池的充電繼續進(jìn)行。電池電壓達到4．2V，充電電流降到0．1C時(shí)，電池約充到80~90%，再轉變成對電池涓流充電。有兩個(gè)參數在充電器中可以調整，即正常的充電電流和涓流充電電流(當電池充"滿(mǎn)"時(shí))。要注意的是選擇充電電流要謹慎，應保持充電電流低于廠(chǎng)家推薦的最大值。