新能源汽车电池技术突破_新能源汽车电池技术

1.新能源汽车动力电池分类

1.电池与能量储存

将化学能转换成电能的装置称为化学电池，通常简称为电池。电池放电后，能够用充电的方式使内部活性物质再生把电能储存为化学能，需要放电时，再次把化学能转换为电能，这类电池称为蓄电池，一般又称二次电池。

电池的发展史由1836年丹尼尔电池的诞生到1859年铅酸电池的发明，至1883年发明了氧化银电池，1888年实现了电池的商品化，1899年发明了镍—镉电池，1901年发明了镍—铁电池，进入20世纪后，电池理论和技术处于一度停滞时期。但在第二次世界大战之后，电池技术又进入快速发展时期。首先，为了适应重负荷用途的需要，发展了碱性锌锰电池，1951年实现了镍—镉电池的密封化。1958年Harris提出了采用有机电解液作为锂一次电池的电解质，20世纪70年代初期便实现了军用和民用。随后基于环保考虑，研究重点转向蓄电池。镍—镉电池在20世纪初实现商品化以后，在20世纪80年代得到迅速发展。

随着人们环保意识的日益增加，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，因此需要寻找新的可代替传统铅酸电池和镍—镉电池的可充电电池。锂离子电池自然成为有力的候选者之一，1990年前后发明了锂离子电池，1991年锂离子电池实现商品化，1995年发明了聚合物锂离子电池（采用凝胶聚合物电解质为隔膜和电解质），1999年开始商品化。

2.动力电池的作用

动力电池的作用是接收和储存由车载充电机、发电机、制动能量回收装置或外置充电装置提供的高压直流电，并且为电动汽车提供高压直流电。

动力电池是纯电动汽车的核心部件，也是新能源汽车上价格最高的部件之一。动力电池的性能好坏直接决定了这辆车的实际价值。

应用在电动汽车上的储能技术主要是电化学储能技术，即铅酸、镍氢、锂离子等电池储能技术。作为电动汽车的动力源，动力电池技术是电动汽车的核心技术，更是电气技术与汽车行业的关键结合点，一直制约着电动汽车的发展。近年来，随着电动汽车动力电池技术的研发受到各国能源、交通、电力等部门的重视，电池的多种性能得到了提高，如我国就在锂离子电池技术方面取得了突破性进展。

动力电池一旦失效，车辆就会处于瘫痪状态。动力电池属于高压安全部件，内部机构复杂，工作时需要很苛刻的条件，任何异常因素都将导致动力被切断，因此对动力电池的诊断与测试就需要丰富的动力电池的基础技术知识，对动力电池组的更换更需要专业规范的操作。

3.动力电池的类型

新能源汽车上所使用的动力电池种类繁多，外形差别较大，按其工作性质和使用特征的不同，可分为一次电池、二次电池、储备电池和燃料电池等。其中储备电池和燃料电池属于特殊的一次电池。

(1)一次电池（原电池）

一次电池是放电后不能用充电的方法使它复原的电池。这种类型的电池只能使用一次，放电后电池只能被遗弃。这类电池不能再充电的原因，或是电池反应本身不可逆，或是条件限制使可逆反应很难进行，如锌锰干电池、锌汞电池、银锌电池。

(2)二次电池（蓄电池）

二次电池是放电后可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电，且可反复多次循环使用的电池。这类电池实际上是一个化学能量储存装置，用直流电将电池充足，这时电能以化学能的形式储存在电池中，放电时，化学能再转换为电能，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池等。

(3)储备电池（激活电池）

储备电池是正、负极活性物质和电解液不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的电池。这类电池的正、负极活性物质化学易变质或自放电，因与电解液的隔离而基本上被排除，从而使电池能长时间储存，如镁银电池、钙热电池、铅高氯酸电池。

(4)燃料电池（连续电池）

燃料电池是只要活性物质连续地注入电池，就能长期不断地进行放电的一类电池。它的特点是电池自身只是一个载体，可以把燃料电池看成是一种需要电能时将反应物从外部送入的一种电池，如氢燃料电池。

需要说明的是，上述分类方法并不意味着某一种电池体系只能分属一次电池、二次电池、储备电池或燃料电池。某一种电池体系可以根据需要设计成不同类型的电池。如锌银电池，可以设计成一次电池，也可以设计成二次电池或储备电池。

目前电动汽车上二次电池的主要类型有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池。

新能源汽车动力电池分类

氢燃料电池新能源汽车原理

什么是氢燃料电池

燃料电池是一种能量转化装置，它将燃料的电化学能转化成电能。它类似于电池一样也是电化学发电装置，因此被称为燃料电池。对应的采用氢气作为燃料的燃料电池就是氢燃料电池。它可以理解为水电解成氢气和氧气的逆反应。因此反应过程既清洁，又高效。因为它不受传统发动机采用卡诺循环42%左右的热效率限制，氢燃料电池的效率可轻松达到60%以上。

氢燃料电池并不像火箭那样通过氢气和氧气燃烧的剧烈反应产生动能，而是通过催化装置将氢气中的吉布斯自由能释放出来。打个比方，石墨和钻石都是碳的存在形势。但是形成钻石需要高温和高压。因此这种形态转化就代表不同的吉布斯自由能。

氢燃料电池工作原理

氢燃料电池工作原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热量。对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。

什么是氢燃料电池的技术关键

对于氢燃料电池的商用来说，最大的挑战之一就是成本控制。燃料电池汽车目前的成本是普通汽车的5倍左右。其核心部件被称为质子交换膜。它能够将氢气中的电子分离成为质子，进而从正极交换至负极和氧气进行反应产生水和热。相应的，质子交换膜的核心就是催化剂铂。而铂是一种贵金属，也就是通常婚戒的材料铂金。为了推动大规模商用，一方面必须减少催化剂的用量，另一方面是寻求低成本的替代材料。

氢燃料电池汽车的系统组成

谈到氢燃料电池汽车，目前主流采用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。其系统组成通常为燃料电池堆、氢气储罐、动力电池、燃料电池直流升压转换器、动力控制单元和动力电机组成。目前领先的燃料电池堆的功率密度可达3.1kW/L，最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单体输出电压只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用。从而让电压可以适配650V高压，驱动动力电机。同时类似动力电池需要电池管理系统BMS，燃料电池也需要精密的监控管理系统FCMS，通过放电状态快速调整反应相关参数。为了储存氢气，一般采用70MPa高压液氢储罐。

新能源汽车动力电池分类

新能源汽车电池大体上可以分为两类，一类是磷酸铁锂电池 (LFP)，另一类是钴酸锂电池 (NCA、NCM)。

1. 磷酸铁锂电池 (LFP)：这种电池的正极材料由磷酸铁锂组成，安全性高，不易爆炸和污染环境。但其容量重量比较低，使用寿命较短，只适合于城市通勤、短途出行等场景。

2. 钴酸锂电池 (NCA、NCM)：这类电池的正极材料通常由钴酸锂或氧化钴等材料构成，容量重量比高，使用寿命也较长。但钴酸锂电池相比其他电池，成本较高，安全风险较大。而三元锂电池由于支持高功率充电，因此适用于长途驾驶和高速行驶的场景。

3. 铁锂磷酸电池 (LFP)-钴酸锂电池 (NCM)混合电池：这种组合电池适用于电动汽车和混合动力汽车，在安全性和性价比方面达到了平衡。

4.三元锂电池：三元锂电池是一种新型的锂离子电池，因其具有高能量密度、高电压和长寿命等优点，被广泛应用于电动汽车、混合动力汽车等领域。三元锂电池以镍、钴和锰的氧化物为正极材料，同时采用碳材料作为负极材料。

无论是哪种电池，选择适合自己的车型和用途非常重要。