汽车研发：新能源汽车电池的应用与安全解析
来源：宝鄂实业
2019-04-06 15:42
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一、设计要求
就像内燃机车对于发动机的各种要求，新能源汽车对于电池组也有着苛刻的要求。
1）比能量
电池单位质量和体积的输出能量，提高续航里程。
2）比功率
电池单位时间所能输出的电量，提高加速性能、爬坡性能。
3）充放电效率
保证缩短充电时间。
4）稳定性
需要达到足够的放电循环次数。
5）成本
以省钱为主。
二、分类
目前，电动汽车最常见的动力电池有镍氢电池、铅酸电池和锂离子蓄电池。其中以锂离子电池为主流方向，目前已经市场化的动力锂离子电池，按照正极材料的不同，可分为 磷酸铁锂电池（LiFePO4）、改性锰酸锂电池（LiMn2O4）和三元材料锂电池（Li(Ni，Co，Mn)O2）等。
各种电池都有优势和不足，不同的企业研发方向也不同。总的来说，电池的技术创新方向是加强新材料的研究和应用，基础关键技术研发，提高电池的性能和质量，并降低成本。
1铅酸蓄电池
铅酸蓄电池采用金属铅作负电极，二氧化铅作正电极，用硫酸溶液作电解液，其电化学反应式为：
放电时
充电时
由于其性能可靠、价格低廉、高倍率放电性能良好等优点，铅酸蓄电池目前仍被广泛用作内燃机汽车的起动动力源，而早在 1881 年，铅酸蓄电池就被应用到了世界上第一辆电动三轮车上。
但由于其比能量、比功率和能量密度都很低的缺点，铅酸蓄电池作为新能源汽车动力电池并没有获得推广。而在对续航里程要求不高、总体价值偏低的电动自行车、电动三轮车、电动四轮车上，铅酸蓄电池仍大量大量使用。
2镍氢电池
镍氢电池是一种碱性电池，其电极活性物质为负极的 MH( 金属氢化物) 和正极的 NiOOH，碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分，金属氢化物能够在电池放电和充电时释放和吸收氢，其电化学方程式为：
放电时
充电时
镍氢电池性能好于铅酸蓄电池，且环保无污染，曾被广泛地作为新能源汽车动力电池使用，各大汽车厂商都推出过镍氢电池新能源汽车。不过随着锂电池技术的快速发展，在新能源汽车应用方面，镍氢电池逐步被动力锂电池取代。
3动力锂电池
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。相比较氢镍电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可使电池系统的质量下降40%~50%、体积减小20%～30%，能源效率大幅提升。
4燃料电池
在众多的燃料电池当中，氢燃料电池用作新能源汽车的动力源最被看好。
氢燃料电池是一种以氢气为燃料的燃料电池，其基本原理为电解水的逆反应，将氢气送到电池的阳极板（负极），在催化剂的作用下，氢原子中的电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）通过质子交换膜，到达电池的阴极板（正极），而不能通过质子交换膜的电子，只能经过外部电路，到达电池的阴极板，从而在外电路中产生电流，电子到达阴极板后，与氧原子（氧气可直接通入空气获得）和氢离子重新结合为水。
与其他电池不同，氢燃料电池不是储能装置，而是一种将化学能直接转化为电能的发电装置。
5优缺点比较
三、安全性
用于新能源汽车的电池往往要在复杂的环境和使用工况下工作，热量的积累、结构的疲劳损坏、控制系统的失效或者意外事故都会对电池造成很大的影响。导致电池过热、过充电、短路或者挤压变形等。从而引发如冒烟、起火甚至爆炸等安全问题。
1疲劳
电池在循环过程中，阻抗逐步增大，从而使得电池在一定的循环次数以内，外部短路电流逐步降低，温升逐步下降，安全性越来越高；但是当电池循环次数较多（950次后），由于越来越严重的各类副反应的积累（副反应产物的积累、活性物质的脱落、电极材料结构的变化及缺陷的不断增加），使电池容量发生严重衰减，降低了隔膜的结构强度，导致在外部短路安全性测试中出现了热失控。
因此可以推断，电池在使用早期，由于阻抗增大，外部短路安全性会逐步提高，但是当循环次数较多时，由于各类副反应的发生以及材料结构的破坏和性能的下降，会导致外部短路安全性下降，甚至出现热失控等安全问题。
以下是锂离子动力电池循环实验：
下图是电池容量变化曲线：
当电池每完成200次循环测试后，均会随机选取一只电池进行外部短路安全性测试。
下图为电池在短路安全性测试过程中电流随短路时间变化的曲线：
可以看到，循环次数越少的电池，其在短路初期的电流越大，能量释放越剧烈，但是电流也更快地下降至0A。新鲜电池短路初期的最大电流达到了1993A，而在950次循环后，最大短路电流下降至1213A。
从短路电流的变化可以看到，在短路的30S内，循环次数越多的电池，短路电流越小，能量的释放越缓和。
下图为电池表面温度随短路时间的变化曲线：
可以看到大约在短路50S后电池达到最高温度，随后温度开始缓慢的下降，电池发生热失控；电池表面达到的最高温度随着循环次数增加有所降低，并且温升速率也逐步降低。这一现象和短路安全性测试图中显示的电流持续时间恰好吻合，表明此时电池温升主要来源于焦耳热。但是可以看到在950次循环后，电池的温度变化曲线打破了这一规律，在短路72S后，电池温度突然飙升至360℃以上，表明电池发生了热失控。
下图是直流放电内阻与循环次数的关系：
从图中可以看到，电池放电内阻随着循环次数的增加逐渐增大，并且随着循环的进行，增大速率也越来越大。因此在外部短路测试中，短路电流随着循环次数的增加而下降。
可以看到，随着循环次数的增加，电池的本体电阻和传核电阻均增大。电池在循环的过程中，SEI膜会形成并逐步增厚，同时消耗一定的电解液，集流体在循环过程中也会发生不同程度的腐蚀和钝化，极耳等连接处生成氧化层，使得电池的本体阻抗增大。传核阻抗的增大主要来源于SEI膜和电极表面在循环过程中缺陷的不断产生和活性物质的脱落等。
2 突发情况
电动汽车电池包在设计过程中要考虑各种突发情况带来的危险。包括振动、碰撞、燃烧。主动安全设计是动力电池系统安全设计的重要环节，可使新能源汽车在出现动力电池安全事故时，通过驾驶员的人工干预将损失减到最小。
1）脱离电池包
在事故发生时如果电池包采用的是一键式脱离的主动安全设计，人们便可在第一时间将电池包迅速脱离车体，整个过程仅耗时几秒钟。可有效保证乘客和公共财产安全。
2）快速更换电池
当外部条件允许时（增加一台半自动换电小车），还可以将装配可快速脱离电池包的车辆转换为可快速更换能源的换电式车辆，其优点：
A. 用充满电的电池更换即将或已经耗尽电的电池，用时短，整个换电过程可以控制在10分钟以内；
B. 对换下来的汽车电池可以利用夜间峰谷时段进行集中充电，成本低；
C. 可以降低电池组的放电深度，寿命长。
总而言之，电池包可快速脱离车体的主动安全设计方案值得研究者深度思考。
四、总结
新能源汽车的电池就是传统汽车的内燃机，它是整个汽车的心脏。汽车电池安全也不仅是财产安全，更是人类人身安全的一方面。
有效降低电池安全问题频发的方法除了主要的进行材料的升级外，还有就是有效的安全系统研究，以此将电池安全推向更高的水平。
