新能源车对于电池系统的要求有哪些？汽车电池技术介绍

电池三大分类

　　汽车所使用的电池主要分为三大类，即为化学电池、物理电池以及生物电池，分别为：

　　化学电池，化学电池是利用物质的化学反应发电的电池系统，其中主要分为原电池、蓄电池以及燃料电池和储备电池四种。

　　1、原电池，其实就是一次性电池，是指电池放点后不能用一般的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池，如锌-二氧化锰干电池、锂锰电池、锌空气电池以及一次锌银电池等都是此类一次性电池。

　　2、蓄电池，又称二次电池，是指电池在放电后可以通过充电的方法是活性物质复原而继续使用的电池，其实也就是我们目前最常见的充电电池，比如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池等等。

　　3、燃料电池，燃料电池又称联系电池，是指参加反映的活性物质从电池外部连续不断的输入电池，或者可以说其实燃料电池就是一个发电站，比如质子交换膜燃料电池、碱性染料电池、磷酸燃料电池等等。

　　4、储备电池，这种电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触，使用前注入电解溶液使正负极接触，此后电池进入待放电状态，如镁电池、热电池等等。

　　物理电池，物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳能电池、超级电容器以及飞轮电池等。

　　生物电池，生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池。酶电池以及生物太阳电池等等。

　　新能源车对于电池系统的要求

　　就像对于内燃机车对于发动机的各种要求，新能源车对于电池组也有着苛刻的要求，而这几项对于电池组的要求则直接关系到了新能源车在电动驱动方面的效能等问题：

　　1、比能量，为了提高电驱动的续航里程，要求汽车上动力电池需要最大限度的存储能量，但其前提是不能过多的增加车体自重、占用空间，所以需要电池组需要有很高的比能量。

　　2、比功率，为了能使电驱动的加速性能。爬坡性能以及负载性能与内燃机车相提并论，所以对于电池组的比功率会有很高的要求。

　　3、充放电效率，电池中能量必须经过充电-放电-充电的循环，高德充放电效率对于电驱动的行驶效率有着至关重要的作用。

　　4、稳定性，电池组应当在快速充电和放电的往复工况中保持性能的稳定性，使其在动力系统使用条件下能达到足够的放电循环次数。

　　5、成本，除了降低电池的初始购买成本，还要提高电池的使用寿命。

　　6、安全性，电池不能引起自燃或者燃烧，同时在发生车辆碰撞的时候，不会对驾乘人员造成人身伤害。

　　铅酸蓄电池

　　铅酸蓄电池自1958年发明以来，其使用和发展已经有了100多年的历史，其广泛应用于内燃机车的动力端，而新能源车所使用的铅酸蓄电池因为需要为车辆提供动力，所以它的主要发展方向是提高比能量，增大循环使用的寿命。铅酸蓄电池是最成熟的新能源电池系统，1881年，世界第一辆电动三轮车使用的就是铅酸蓄电池，犹豫铅酸蓄电池成熟、可靠性好、原材料价格低廉，同时比功率也基本上可以满足电动驱动的动力要求，所以在新能源汽车中广泛应用。

　　铅酸蓄电池的优点：

　　1、除锂离子电池外，在场用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，即为2.0V；

　　2、制造成本低廉；

　　3、可以做成小至1Ah大至几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池；

　　4、高倍率放电性能良好，可用于发动机启动；

　　5、电能效率可以达到60%；

　　6、高低温性能良好，可以在-40℃～60℃条件下工作；

　　7、易于浮充使用，没有“记忆”效应，且易于识别荷电状态。

　　铅酸蓄电池的缺点：

　　1、比能量低，在新能源车重所需要占用的整体质量以及体积比较大，一次充电可行驶的历程比较短；

　　2、使用寿命短，且后期使用成本高；

　　3、充电时间长；

　　4、铅是重金属，存在污染，与新能源动力车的概念背道。

　　镍氢电池

　　镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池，它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质则由氢合金支撑，属碱性电池。镍氢电池具有高比能量、高功率，适合大电流放电、可循环充放电、无污染，属于一种绿色能源，目前很多新能源动力车型所使用的电池组都会选择镍氢电池。

　　镍氢电池的特点：

　　镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用等诸多特性，与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量高、质量轻以及循环寿命长等特点，同时还具有一下特点：

　　1、比功率高，目前商业化的镍氢电池功率可以达到1350W/kg；

　　2、循环次数多，目前应用在电动车辆上的镍氢动力电池组，80%放点深度循环可以达到1000次以上，为铅酸电池的三倍以上，100%DOD循环寿命也在500次以上，在混合动力的汽车上可以使用五年以上；

　　3、无污染，镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属；

　　4、耐过充过放，无记忆效应；

　　5、使用温度范围大，正常使用温度范围在-30～50℃，存储温度范围-40～70℃

　　6、安全，可以抵抗短路、挤压、针刺、跌落、加热、震动等情况，且不会发生爆炸或者燃烧现象。

　　锂离子电池

　　锂离子电池最早在1990年由日本的索尼公司推向市场，是目前世界上最新一代的充电电池系统，与其它电池想比，其有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、更快的充电、自放电率低一级工作温度范围款和安全等优势，相比较镍氢电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可是电池系统的质量下降40%～50%、体积减小20%～30%，能源效率也有提升。

　　锂离子电池按照不同的正极材料可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁离子电池以及镍钴锂离子电池（镍钴锰离子电池）等，大多数新能源车型所使用的第一代锂离子电池均为锰酸锂离子电池，其成本更低、安全，但是循环寿命欠佳，同时在高温状态下循环寿命短，甚至在高温状态下会出现锰离子溶出现象，而现在大多数新能源车型所使用的第二代电池组为磷酸铁离子电池，也是未来锂离子电池的发展方向所在。

　　锂离子电池优点

　　1、工作电压高，其工作电压为3.6V，是镍氢、镍镉电池工作电压的3倍；

　　2、比能量高，其比能量达到150Wh/kg，是镍镉电池三倍，镍氢电池1.5倍；

　　3、循环寿命长，其循环寿命可以达到千次以上，在低放电深度下可以达到几万次，超过了其它几种二次电池；

　　4、自放电率低，锂离子电池的自放电率仅为6～8%，远低于镍镉电池和镍氢电池。

　　5、无记忆性、无污染、随意塑形。

　　锂离子电池缺点

　　1、成本高，主要是正极材料的LiCoO 的成本高，但按单位瓦时的价格来计算的话，其实已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。

　　2、必须有特殊的保护电路，以防止过充现象。

　　燃料电池

　　燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放的能量转化为电能，工作时需要连续地向其供给活物质（起反映的物质）燃料和氧化剂。犹豫它是把燃料通过化学反应释放出的能量变成电能，所以成为燃料电池。燃料电池的发展是以电化学、电催化、电极过程动力学、材料科学、化工过程和自动化等学科为基础的，而最早的燃料电池在1839年格洛夫使用电解水产生的氢气和氧气而制造出了最早的燃料电池。

　　其实根据燃料电池车的工作原理来说，其所谓的燃料电池其实就好象串联式混合动力车的工作原理，其燃料电池并不是纯粹意义上的电池，而是一个输送电能的“发动机”，其将化学能转化为电能后输送给电池，尔后再将电能输送给电动机，或者其实称它为串联式混合动力车也未尝不可，但是它的优点却更多：

　　1、比如它的能量转换的效率更高。过氢氧化和作用将其所释放的化学能转变为电能，而不通过热机过程，也不受卡诺循环的限制；

　　2、无污染。其排放物仅为可食用的纯净水，或者说开车不需要带太多的饮用水了。

　　3、结构简单。燃料电池车（质子交换膜燃料电池）的电池模块是一种积木化的结构，使得电池组的组装以及维护都非常方便，同时因为其工作为误解些运动部件，以及工作中只会产生水，所以其在运行中的噪音也会更低。

　　4、氢能源来源充分。氢是一种来源非常广泛的能源，且是一种可再生资源，比如可以通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢、光解水制氢等方法得到氢气。

　　不过缺点同样存在，其成本与其它新能源动力一样会非常高，同时对氢的纯净度要求非常高，以及因为氢属于活性物质，所以对于其储存器具的要求也颇为严苛，致使其在科技含量以及成本上都不会比其它新能源动力低，而这些也正是制约燃料电池发展的主要瓶颈，虽然奔驰汽车在燃料电池方面有着不错的发展，但是其瓶颈则依然卡在了电池能量密度、制造成本等问题之上。

每五次汽车故障就有一次是电池造成的。在未来数年内，随着电传线控，发动/熄火引擎管理和混合动力（电力/燃气）等汽车技术日益普及，这一问题将变得越来越严重。 
　　为了减少故障，需要精确地检测电池的电压、电流和温度，对结果进行预处理，计算充电状态和运行状态，将结果发送到发动机控制单元 （ECU），以及控制充电功能。 
　　现代汽车诞生于20 世纪初。第一辆汽车依靠手动启动，需要很大的力量，存在很高的风险，汽车的这种“手摇曲柄”造成了很多死亡事故。1902 年，第一台电池启动马达研制成功，到1920 年，所有的汽车都已采用电启动。 
　　最初使用的是干电池，当电能耗尽时，必须予以更换。不久之后，液体电池（即古老的铅酸电池）就取代了干电池。铅酸电池的优点是当发动机工作时，它可以从中充电。 
　　在上世纪，铅酸电池几乎没有什么变化，最后一次主要改进是对其进行密封。真正改变的是对它的需求。起初，电池仅仅用于发动汽车、鸣喇叭和为车灯供电。如今，在点火之前，汽车的所有电气系统都要靠它供电。 
　　激增的新型电子设备不仅仅是GPS和DVD播放器等消费电子设备。如今，发动机控制单元 （ECU）、电动车窗和电动座椅之类的车身电子设备已成为许多基本车型的标准配置。呈指数级增加的负载已经产生严重影响，电气系统造成的故障日益增多就是明证。根据ADAC 和RAC 统计，在所有汽车故障中，几乎有36%可归因于电气故障。如果对该数字进行分析，可以发现50%以上的故障是由铅酸电池这一组件造成的。 
　　评定电池的健康状况以下两个关键特性可以反映铅酸电池的健康状况： 
　　（1） 充电状态 （SoC）：SoC 指示电池可以提供多少电荷，用电池额定容量（即新电池的SoC）的百分比表示。 
　　（2） 运行状态 （SoH）：SoH 指示电池可以储存多少电荷。 
　　充电状态充电状态指示好比是电池的“燃油表”。计算SoC 的方法有很多，其中最常用的有两个：开路电压测量法和库仑测定法（也称库仑计数法）。 
　　（1） 开路电压 （VOC） 测量法：电池空载时的开路电压与其充电状态之间成线性关系。这种计算方法有两个基本限制： 
　　一是为了计算SoC，电池必须开路，不连接负载；二是这种测量仅在经过相当长的稳定期后才精确。 
　　这些局限使得VOC 方法不适合在线计算SoC。该方法通常在汽车维修店中使用，在那里电池被卸下，可以用电压表测量电池正负极之间的电压。 
　　（2） 库仑测定法：这种方法用库仑计数求取电流对时间的积分，从而确定SoC。利用该方法可以实时计算SoC，即使电池处在负载条件下。然而，库仑测定法的误差会随着时间推移而增大。 
　　一般是综合运用开路电压和库仑计数法来计算电池的充电状态。 
　　运行状态运行状态反映的是电池的一般状态，以及其与新电池相比储存电荷的能力。由于电池本身的性质，SoH 计算非常复杂，依赖于对电池化学成分和环境的了解。电池的SoH 受很多因素的影响，包括充电接受能力、内部阻抗、电压、自放电和温度。 
　　一般认为难以在汽车这样的环境中实时测量这些因素。在启动阶段（引擎起动），电池处在最大负载下，此时最能反映电池的SoH。 
　　Bosch、Hella 等领先汽车电池传感器开发商实际使用的SoC和SoH 计算方法属于高度机密，常常还受专利保护。作为知识产权的拥有者，他们通常与Varta 和Moll 等电池制造商密切合作开发这些算法。 
　　

　　该电路可以分为三个部分： 
　　（1） 电池检测 
　　电池电压通过一个直接从电池正极分接出来的阻性衰减器来检测。为检测电流，将一个检测电阻（12V应用一般使用100mΩ）放在电池负极与地之间。在这种配置中，汽车的金属底盘一般为地，检测电阻安装在电池的电流回路中。在其它配置中，电池的负极是地。对于SoH 计算，还必须检测电池的温度。 
　　（2） 微控制器 
　　微控制器或MCU 主要完成两个任务。第一个任务是处理模数转换器 （ADC） 的结果。这项工作可能很简单，例如仅执行基本滤波；也可能很复杂，例如计算SoC 和 SoH。实际的功能取决于MCU 的处理能力和汽车制造商的需求。第二个任务是将处理过的数据经由通信接口发送到ECU。 
　　（3） 通信接口 
　　目前，本地互连网络 （LIN） 接口是电池传感器和ECU 之间最常用的通信接口。LIN 是广为人知的CAN 协议的单线、低成本替代方案。 
　　这是电池检测最简单的配置。然而，大多数精密电池检测算法要求对电池电压与电流，或者电池电压、电流与温度同时采样。 
　　为了进行同步采样，最多需要增加两个模数转换器。此外，ADC 和MCU 需要调节电源以便正确工作，导致电路复杂性增加。这已经由LIN 收发器制造商通过集成调节电源而得到解决。 
　　汽车精密电池检测的下一步发展是集成ADC、MCU 和LIN收发器，例如ADI 公司的ADuC703x 系列精密模拟微控制器。 
　　ADuC703x 提供两个或三个8 ksps、16 位Σ-Δ ADC，一个20.48MHz ARM7TDMI MCU，以及一个集成LIN v2.0 兼容收发器。 
　　ADuC703x 系列片内集成低压差调节器，可以直接从铅酸电池供电。 
　　为了满足汽车电池检测的需求，前端包括如下器件：一个电压衰减器，用于监控电池电压；一个可编程增益放大器，与100mΩ 电阻一起使用时，支持测量1A 以下到1500A 的满量程电流；一个累加器，支持库仑计数而无需软件监控；以及一个片内温度传感器。 
　　图2 所示为采用这种集成器件的解决方案。 

图2. 采用集成器件的解决方案示例
　　几年前，只有高档汽车才配有电池传感器。如今，安装小型电子装置的中低档汽车越来越多，而十年前只能在高端车型中见到。铅酸电池所引起的故障数量因此不断增加。过不了几年，每辆汽车都会安装电池传感器，从而降低日益增多的电子装置引发故障的风险。