综述 www.batterychn.com 新能源汽车用铅酸蓄电池探究 马永泉 1,刘孝伟 1,陈体衔 1,周龙瑞 2 (1.浙江超威新能源技术研究院,浙江 长兴 313100;2.超威电源有限公司,浙江 长兴 313100) 摘要:阐明了铅酸蓄电池应用于电动汽车领域的前景。着重阐述了铅酸蓄电池应用于电动汽车领 域的若干关键问题,包括车型与电池的匹配、蓄电池寿命的影响因素和改进方法及蓄电池的快速 充电能力。简要介绍了温度对蓄电池的影响、电动汽车的运行模式以及动力铅酸电池的发展方向。 关键词:铅酸蓄电池;循环寿命;新能源汽车;快速充电 中图分类号:TM912 文献标识码:A 文章编号:1006—0847(2011)03- 99- 05 Discussion on the lead- acid batter ies for new ener gy vehicles MA Yong- quan1, LIU Xiao- wei1, CHEN Ti- xian1, ZHOU Long- rui2 (1. Zhejiang Chilwee New Energy Technology Research Institute, Changxing Zhejiang 313100, China; 2. Chilwee Power Co., LTD., Changxing Zhejiang 313100,China) Abstr act: This article discusses the prospect of lead- acid batteries for EVs. And it especially elaborates several critical problems which arise when the lead- acid batteries are used for EVs, including the matching between EVs and lead- acid batteries, the influencing factors of battery’s cycle life and improvement, fast charging capability of lead- acid batteries. The article also briefly introduces the impact of temperature on battery, the mode of operation of electric vehicles and the development direction of motive power lead- acid batteries. Key wor ds: lead- acid battery; cycle life; new energy vehicle; fast charging 1 技术背景 全球性的能源危机与环境污染,促使汽车产业 加快向绿色产业发展步伐,世界各国投入大量的经 收稿日期:2010- 12- 8 费进行电动汽车的研究。作为电动汽车发展的瓶颈 之一,动力系统更是研究的重点。目前电动汽车配 套用动力电池主要有锂离子电池、镍氢电池、铅酸 蓄电池。 国外对电动汽车用铅酸蓄电池的研究投入了大 量的精力和财力。如德国阳光公司开发出胶体电 池,瑞典 OPTIMA 公司生产出卷绕式铅酸蓄电池, 美国 Firefly Energy 开发了突破性专利技术—铅碳 超级电池等,在电池深循环寿命、比能量和比功率 2011 No.3 Vol.48 99 蓄电池 Chinese LABAT Man 以及快速充电 4 个研究领域取得了突破性进展。 目前业内一般把最高时速不大于 60 km 的电动 汽车称为低速车,最高时速大于 60 km 但不大于 80 km 的称为中速车,最高时速大于 80 km 的称为 高速车。中、低速车定位于城市内用车或固定区域 内用车。在过去的一年多的时间内我们与国内二十 几家生产或准备生产电动汽车的厂家进行了接触与 合作,通过参与汽车厂家的动力方案、共同进行相 关实验,结合各方面相关信息的积累,认为采用阀 控式铅酸蓄电池是中、低速车的合理动力解决方 案,当然要达到电动汽车的使用要求,阀控式铅酸 蓄电池在技术上还需要不断完善。 首先,铅酸蓄电池作为动力电池是有历史的, 长期以来一直是高尔夫球车、观光车、清扫车等低 速电动车的首选动力电池。电动助力车配套铅酸蓄 电池在市场上得到了大批量的使用,目前全国保有 量超过了 1 亿辆。电动助力车用铅酸蓄电池的成功 应用为电动汽车动力铅酸蓄电池的开发和应用打下 了坚实的基础。阀控式铅酸蓄电池的安全性进一步 提高,同时又为用户省去了加液维护的麻烦,在蓄 电池的功率密度方面做进一步改善或提高电动车电 池的配置容量,就可以将阀控式铅酸蓄电池应用到 中速电动汽车上。目前配备了 72 V 120 Ah 的微型 电动汽车,可以给出 60 km/h 的时速,100 km 的单 次充电行驶里程,蓄电池完全放电后,单次充电耗 电量仅有 10~14 kWh,这种车型已经具有了一定的 商业价值,成为多数厂家开发的车型。 其次,铅酸蓄电池具有价格低廉、技术成熟、 材料回收率高等优点。根据中、低速电动车的市场 定位,采用铅酸蓄电池十分合适,也是近期内实现 中、低速电动车产业化的合理选择。 2 阀控式铅酸蓄电池应用于电动汽车的关键问题 阀控式铅酸蓄电池在中、低速电动车上的应 用,仍然存在需要完善和提高的问题,这些问题不 仅是蓄电池本身的问题,还包括蓄电池使用等方面 的问题。 2.1 铅蓄电池的容量 (比能量) 特性及电动汽车与 电池的匹配 由于铅的密度较大,因此铅酸蓄电池质量比能 量比较低。150 多年来,人们想了许多办法,使之 有了很大提高,特别是近年来在电动车用铅酸蓄电 池比能量上达到了前所未有的水平,在确保长寿命 的基础上实际 3 小时率体积比能量达到 105 Wh/L (5 小时率体积比能量达到 130 Wh/L),3 小时率质 量比能量突破了 38 Wh/kg(5 小时率质量比能量也 突破了 44 Wh/kg)。 铅酸蓄电池的放电时间随放电电流的增大而减 小,在一定电流范围内,其规律符合 Peukert 经验 式 (其中 I 为放电电流,t 为放电时间, n、k 为常数)。由于 n 大于 1,电池的容量会随放 电电流的增大而减小,我们的动力型电池 n 值在 1.10~1.20,当放电电流由 I3 升至 2.5I3 时,放出的 容量仅为额定容量的 85 %,若电动汽车的运行电 流过高,经济性是较差的。图 1 是 12 V 120 Ah 电 池的 Peukert 曲线,从中可以看出当放电电流超过 6I3 时,容量下降得更快。结合电动车路试和实际 运行数据,合理的配置原则是:电动车平路运行电 流应控制在 3I3 以内,加速时控制在 6I3 以内,爬 坡起动时控制在 9I3 以内。 2.2 蓄电池的使用寿命 100 2011 No.3 Vol.48 图 1 12 V 120 Ah 蓄电池 Peukert 曲线 按 QC/T 742- 2006 标准,要求电动汽车用铅酸 蓄电池的循环寿命应达到 400 次。目前动力型阀控 综述 www.batterychn.com 式铅酸蓄电池可以达到这一水平,且仍有提升的空 间。蓄电池的使用寿命除了在于电池本身的技术水 平之外,还会受到一些其他因素的影响,包括:放 电深度、电池组内各单体的均一性、放电电流、电 池组的温度偏差等。放电深度越深循环寿命越短, 如放电深度由 100 %降至 90 %,循环寿命约可增 加 100 次。电池组内各单体的均一性越好循环寿命 越好,一般认为各单体间的容量差不应大于 3 %, 对于 48 V 电池系统,开路压差不应大于 40 mV, 否则寿命将会明显降低。电池在以超出 3I3 的放电 电流循环时将会降低电池的循环寿命,因此建议电 动汽车的运行电流不要超出 3I3,最好在 2.5I3 以 内,当然改善蓄电池的高功率输出性能是电池厂家 的工作目标之一。电池组中各单体之间的温度偏差 过大同样会影响整组电池的使用寿命,一般认为电 池组内各单体之间的温度偏差不宜超过 5 ℃。 2.3 使用寿命的改进 延长蓄电池的使用寿命可以提高使用电动汽车 的经济性,推动产业的发展,这是蓄电池生产企业 和电动汽车厂家的共同目标。提高蓄电池的使用寿 命可以从 3 方面入手: 2.3.1 提高铅酸蓄电池本身的技术水平 提高铅酸蓄电池的寿命水平一直是业内人士努 力的目标,最新研究成果有正极的“4BS 晶种”、 高分子粘结剂、高导电剂负极板和酸凝胶隔板等 [1]。我们将胶体电解液技术移植到动力型蓄电池上 的工作也取得了可喜成绩,自主研发的胶体电解液 不仅克服了电解液分层的弊病,使电极均衡放电和 充电,改善了充电特性,同时降低了蓄电池的失水 表 1 胶体铅酸蓄电池与阀控式铅酸蓄电池的性能对比 项目 阀控式铅酸蓄电池 胶体铅酸蓄电池 3 小时率容量≥ (%C3) 100 100 - 20 ℃ 3 小时率容量≥ (%C3) 65 70 容量保存率 28 d≥ (%) 92 94 质量比能量 (Wh/kg) 38 34 大电流 1C3(A)放电时间 (s) 51 48 峰值比功率 (W/kg) 330 250 循环使用寿命≥ (次) 500(80 % DOD)700(80 % DOD) 过放电容量恢复≥ (%) 90 95 率,提高了蓄电池的一致性和耐高低温性能,因此 对蓄电池的循环寿命有大幅提升,目前全胶体 6 V 180 Ah 蓄电池的单只循环寿命可达到 700 次。表 1 为纯胶体电解液铅酸蓄电池与阀控式铅酸蓄电池部 分指标的对比。 2.3.2 改进蓄电池一致性 正确的使用方法以及对电池组进行有效管理和 控制对蓄电池的使用寿命至关重要。动力型电池出 厂前,生产厂家会对电池进行筛选配组,以保证电 池的均一性,电动车厂家应不打乱已配好的电池 组,同时应根据电动车的实际运行电流合理配置电 池的容量,并通过控制器参数设定控制合理的放电 深度。电池组应尽量集中摆放,以避免过于分散带 来电池组间各单体的温差过大。采用外接均衡电路 对电池组内各单体进行强制均衡也是延长使用寿命 的有效方法,我们在 12 V 28 Ah 高性能电池项目 上应用了该项技术,单只电池的循环寿命达到了 800 次 (已通过浙江省科学技术成果鉴定),目前 正在尝试在电动汽车用铅酸蓄电池上应用。充电方 法的研究也是势在必行,目前的电池组电压越来越 高,电池单格数目在增加,仍采用原有的充电方法 是不合理的。关于充电方法的研究,我们认为应集 中在均充模式的研究 (包括小恒流或脉冲等方式) 和智能控制充电截止方式的研究,以期用尽量小的 过充电量完成对电池组的充电。相信充电方法的完 善将大幅提升电池组的实际使用寿命。电池在实际 运行时,往往会遇到特殊的情况,如过热,压差过 大等,这些情况往往会影响行车安全,因此对电池 的运行进行监控管理也是必要的。 2.3.3 蓄电池与超级电容器并联使用 在中速电动车、或者带能量回收系统的电动汽 车电源系统中,采用蓄电池与超级电容器并联使 用,可以提高电源系统功率特性、能量效率,保护 蓄电池,将使蓄电池组使用寿命得到有效延长。 2.4 快速充电能力 电动汽车在实际使用过程中,经常需要应急快 速充电,以使用户可以延续里程。很多电动汽车厂 都希望在 15 min 或更短的时间内,通过快速充电 使 电 池 组 达 到 60 % 的 额 定 容 量 。 这 比 QC/T 742- 2006 标准的要求高出了很多。为了实现这一 目标,开发了一款直连式高功率电池,通过改变传 2011 No.3 Vol.48 101 蓄电池 Chinese LABAT Man 统蓄电池内导电连接件的连接方式,改善蓄电池极 板和端子的导电结构等方法,取得了成功。该款蓄 电池的成功为电动汽车快速充电以及实现电动汽车 的能量高效回收提供了基础条件。该产品为功率型 蓄电池,外形尺寸 (长×宽×高):326×167×168, 总重量:26 kg,正极 / 负极材料,PbO2/Pb,技术 工艺已经基本成熟,正准备批量生产,其具体指标 如表 2。 求较高的情况下,应适当考虑增加电池的配置容量 或考虑采用油电混合的方案 (增程式电动车)。而 当夏季到来时,蓄电池运行在较高的环境中会出现 热量积累,严重时可能导致热失控而使电池失效。 因此,对电池组进行热管理是十分必要的。 表 2 6- EV- 70 型动力铅酸蓄电池性能指标 3 小时率容量 (Ah) 70 1 小时率容量 (Ah) 低温 - 20 ℃容量 (Ah) 70 A 放电时间 (min) 蓄电池内阻 (mΩ) 最大充电功率 (W/kg) 峰值比功率 (W/kg) 能量 (Wh/kg) 循环寿命 (次) 60 42 51 3.2 135 500 (GB/T 18332.1- 2009) 10 小时率比能量:40 3 小时率比能量:34 1 小时率比能量:28 80 % DOD:500 70 % DOD:700 6- EV- 70 型动力铅酸蓄电池的快速充电性能 如:充电 1 小时后放出容量大于 66.5 Ah (95 % C3); 限制电流 210 A 充电 15 min,限制电压 14.70 V, 按 照 60 A 恒 流 放 电 , 可 以 放 出 容 量 达 到 42 Ah (70 % C1)。快速 / 慢速交替充电循环寿命正在试验 中 (已进行 212 次,容量无明显衰减)。其余指标 均符合 QC/T 742- 2006 《电动汽车用铅酸蓄电池》 标准要求。 2.5 蓄电池的工作温度及耐候性 动力型电池应具有较宽的工作温度范围,以适 应冬夏的气候变化。目前铅蓄电池合理的工作范围 在 - 20~45 ℃ (15~35 ℃最佳),基本可以满足需 要。但化学电源的输出容量会随着温度的降低而下 降 (参见图 2),铅酸蓄电池也是如此。尽管通过 努力,电池的低温性能有明显改善,但低温对行驶 里程的影响仍不能忽视。因此在低温运行对行驶要 图 2 蓄电池容量随温度的变化曲线 2.6 电动汽车的几种运行模式 2.6.1 充电站 充电站一般要求具备快速充电功能,快速充电 虽然从技术上可以实现,当然对于电动车的普及也 是必须的,但是需要配备的充电设备容量很大,要 求蓄电池连接部件过载能力很大,成本会很高,并 且可能出现充电损耗偏大等弊端,需要不断改进研 究,建议用储能蓄电池组来对电动车进行充电。 2.6.2 换电站模式 很多人提出了换电站经营模式,在电动车普及 率达到一定数量并且蓄电池已经标准化、模块化的 条件下才可以真正实施。 2.6.3 增程式模式 增程式使用模式可以解决纯电动车里程不足, 动力可靠性低、充电站或者换电站等基础配套设施 不足的问题,可以大大拓展铅酸蓄电池在电动车上 的应用领域 (如电动大客车、出租车、中速电动车 等),是一条非常好的技术路线。 3 动力铅酸蓄电池的发展 3.1 发展方向 动力铅酸蓄电池今后发展的方向仍然是向着提 高循环寿命、提高蓄电池比能量、提高蓄电池比功 率以及提高快速充电能力的方向不断发展,表 3 中 列出了几种改进的铅酸蓄电池预计达到的技术性能 指标:正极 / 负极材料均为 PbO2/Pb,预计开发时 102 2011 No.3 Vol.48 表 3 几种改进的铅酸蓄电池预计达到的技术性能指标 综述 www.batterychn.com 产品名称 动力铅酸胶体电池 水平铅酸蓄电池 卷绕铅酸蓄电池 超级电池 功率型 / 能量型 3 小时率容量 (Ah) 1 小时率容量 (Ah) 1C3(A)放电时间 (min) 低温 - 20 ℃容量 (Ah) 峰值比功率 (W/kg) 最大充电功率 (W/kg) 10 小时率比能量(Wh/kg) 3 小时率比能量 (Wh/kg) 1 小时率比能量 (Wh/kg) 80 %DOD 循环寿命 (次) 快速充电性能 (min) (充足 80 %容量) 能量型 5 次内达 C3 0.7C3 45 0.7C3 250 100 45 38 30 1 000 45 功率型 / 能量型 3 次内达 C3 0.9C3 54 0.7C3 500 200 50 44 40 600 15 功率型 3 次内达 C3 0.9C3 55 0.7C3 700 300 38 34 30 500 10 功率型 / 能量型 3 次内达 C3 0.95C3 57 0.8C3 1 000 500 65 60 57 2000 5 !!!!!!!!!!!!!!!!!!" 间 为 2 ~5 年 , 其 余 指 标 均 符 合 QC/T 742- 2006 《电动汽车用铅酸蓄电池》 标准要求。 3.2 相关技术对蓄电池性能的改善及提高 随着电子技术及智能控制技术在铅酸蓄电池 中或者在其配套设备中的应用发展,对铅酸蓄电 池的充电、放电、维护、故障诊断及控制等进行 有效管理和控制对于其使用性能、使用寿命及可 靠性将会大大提高。 3.2.1 铅酸蓄电池 BMS 系统 对蓄电池充电、放电以及运行状态进行监控, 对蓄电池保护,防止过充电、欠充电、过放电, 并对蓄电池充 / 放电的均衡以及健康状态进行警示 或者控制[2]。 3.2.2 智能充电系统 利用单片计算机及软件,针对铅酸蓄电池的 特性及使用过程中的变化,智能地按照蓄电池的 最佳充电需求进行充电,保证蓄电池以较低的过 充电量达到完全充电的目的,并且实现在蓄电池 出现故障时给以修复充电等功能。 3.2.3 蓄电池能量平衡、转移系统 采用电路实现蓄电池在充电、放电过程中进 行能量平衡、转移,最大限度地控制蓄电池组中 不出现“落后”蓄电池,实现提高蓄电池可靠性、 延长蓄电池组使用寿命的目的。 3.2.4 高效率大功率直流变换系统 !!!!!!!!!!!!!!!!!!" 采用低电压大容量铅酸蓄电池,经直流变换 升压至需要的电压,提供给电机等,以其降低蓄 电池电压等级,减少蓄电池单体数量,降低蓄电 池一致性控制难度,提高蓄电池的可靠性、安全 性和循环寿命。 参考文献: [1] D. A.J.Rand, 等. 阀控式铅酸蓄电池[M]. 2007. [2] 李成学. 电动汽车蓄电池组电池管理及其状态检 测[J]. 电源技术应用, 2009, (4): 10- 13. !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 欢迎订阅《蓄电池》杂志 《蓄电池》杂志 逢双月 20 日出版 全年六期 50.00 元 开户行: 沈阳市工商银行铁西支行 户 名: 沈阳蓄电池研究所 帐 号: 3301005009249011564 邮局汇款 110142 沈阳经济技术开发区开发北六号路 7 号 沈阳蓄电池研究所 靳卫华 收 请在汇款后,及时将汇款凭证寄(传真)至沈阳蓄电 池研究所发行部(或发邮件告知)以免丢失或延误。 电 话:024- 25326139- 8015 传 真:024- 25326069 E- mail : fxb85@126.com !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" 2011 No.3 Vol.48 103