汽車研發(fā)：新能源汽車電池的應(yīng)用與安全解析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-06 15:42
點擊量：次
一、設(shè)計要求
就像內(nèi)燃機(jī)車對于發(fā)動機(jī)的各種要求，新能源汽車對于電池組也有著苛刻的要求。
1）比能量
電池單位質(zhì)量和體積的輸出能量，提高續(xù)航里程。
2）比功率
電池單位時間所能輸出的電量，提高加速性能、爬坡性能。
3）充放電效率
保證縮短充電時間。
4）穩(wěn)定性
需要達(dá)到足夠的放電循環(huán)次數(shù)。
5）成本
以省錢為主。
二、分類
目前，電動汽車最常見的動力電池有鎳氫電池、鉛酸電池和鋰離子蓄電池。其中以鋰離子電池為主流方向，目前已經(jīng)市場化的動力鋰離子電池，按照正極材料的不同，可分為 磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）、改性錳酸鋰電池（LiMn2O4）和三元材料鋰電池（Li(Ni，Co，Mn)O2）等。
各種電池都有優(yōu)勢和不足，不同的企業(yè)研發(fā)方向也不同?？偟膩碚f，電池的技術(shù)創(chuàng)新方向是加強(qiáng)新材料的研究和應(yīng)用，基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提高電池的性能和質(zhì)量，并降低成本。
1鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池采用金屬鉛作負(fù)電極，二氧化鉛作正電極，用硫酸溶液作電解液，其電化學(xué)反應(yīng)式為：
放電時
充電時
由于其性能可靠、價格低廉、高倍率放電性能良好等優(yōu)點，鉛酸蓄電池目前仍被廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動動力源，而早在 1881 年，鉛酸蓄電池就被應(yīng)用到了世界上第一輛電動三輪車上。
但由于其比能量、比功率和能量密度都很低的缺點，鉛酸蓄電池作為新能源汽車動力電池并沒有獲得推廣。而在對續(xù)航里程要求不高、總體價值偏低的電動自行車、電動三輪車、電動四輪車上，鉛酸蓄電池仍大量大量使用。
2鎳氫電池
鎳氫電池是一種堿性電池，其電極活性物質(zhì)為負(fù)極的 MH( 金屬氫化物) 和正極的 NiOOH，堿性氫氧化鉀溶液是電解液的主要成分，金屬氫化物能夠在電池放電和充電時釋放和吸收氫，其電化學(xué)方程式為：
放電時
充電時
鎳氫電池性能好于鉛酸蓄電池，且環(huán)保無污染，曾被廣泛地作為新能源汽車動力電池使用，各大汽車廠商都推出過鎳氫電池新能源汽車。不過隨著鋰電池技術(shù)的快速發(fā)展，在新能源汽車應(yīng)用方面，鎳氫電池逐步被動力鋰電池取代。
3動力鋰電池
鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場，是目前世界上最新一代的充電電池系統(tǒng)。相比較氫鎳電池，混合動力汽車采用鋰離子電池，可使電池系統(tǒng)的質(zhì)量下降40%~50%、體積減小20%～30%，能源效率大幅提升。
4燃料電池
在眾多的燃料電池當(dāng)中，氫燃料電池用作新能源汽車的動力源最被看好。
氫燃料電池是一種以氫氣為燃料的燃料電池，其基本原理為電解水的逆反應(yīng)，將氫氣送到電池的陽極板（負(fù)極），在催化劑的作用下，氫原子中的電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）通過質(zhì)子交換膜，到達(dá)電池的陰極板（正極），而不能通過質(zhì)子交換膜的電子，只能經(jīng)過外部電路，到達(dá)電池的陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流，電子到達(dá)陰極板后，與氧原子（氧氣可直接通入空氣獲得）和氫離子重新結(jié)合為水。
與其他電池不同，氫燃料電池不是儲能裝置，而是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。
5優(yōu)缺點比較
三、安全性
用于新能源汽車的電池往往要在復(fù)雜的環(huán)境和使用工況下工作，熱量的積累、結(jié)構(gòu)的疲勞損壞、控制系統(tǒng)的失效或者意外事故都會對電池造成很大的影響。導(dǎo)致電池過熱、過充電、短路或者擠壓變形等。從而引發(fā)如冒煙、起火甚至爆炸等安全問題。
1疲勞
電池在循環(huán)過程中，阻抗逐步增大，從而使得電池在一定的循環(huán)次數(shù)以內(nèi)，外部短路電流逐步降低，溫升逐步下降，安全性越來越高；但是當(dāng)電池循環(huán)次數(shù)較多（950次后），由于越來越嚴(yán)重的各類副反應(yīng)的積累（副反應(yīng)產(chǎn)物的積累、活性物質(zhì)的脫落、電極材料結(jié)構(gòu)的變化及缺陷的不斷增加），使電池容量發(fā)生嚴(yán)重衰減，降低了隔膜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致在外部短路安全性測試中出現(xiàn)了熱失控。
因此可以推斷，電池在使用早期，由于阻抗增大，外部短路安全性會逐步提高，但是當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時，由于各類副反應(yīng)的發(fā)生以及材料結(jié)構(gòu)的破壞和性能的下降，會導(dǎo)致外部短路安全性下降，甚至出現(xiàn)熱失控等安全問題。
以下是鋰離子動力電池循環(huán)實驗：
下圖是電池容量變化曲線：
當(dāng)電池每完成200次循環(huán)測試后，均會隨機(jī)選取一只電池進(jìn)行外部短路安全性測試。
下圖為電池在短路安全性測試過程中電流隨短路時間變化的曲線：
可以看到，循環(huán)次數(shù)越少的電池，其在短路初期的電流越大，能量釋放越劇烈，但是電流也更快地下降至0A。新鮮電池短路初期的最大電流達(dá)到了1993A，而在950次循環(huán)后，最大短路電流下降至1213A。
從短路電流的變化可以看到，在短路的30S內(nèi)，循環(huán)次數(shù)越多的電池，短路電流越小，能量的釋放越緩和。
下圖為電池表面溫度隨短路時間的變化曲線：
可以看到大約在短路50S后電池達(dá)到最高溫度，隨后溫度開始緩慢的下降，電池發(fā)生熱失控；電池表面達(dá)到的最高溫度隨著循環(huán)次數(shù)增加有所降低，并且溫升速率也逐步降低。這一現(xiàn)象和短路安全性測試圖中顯示的電流持續(xù)時間恰好吻合，表明此時電池溫升主要來源于焦耳熱。但是可以看到在950次循環(huán)后，電池的溫度變化曲線打破了這一規(guī)律，在短路72S后，電池溫度突然飆升至360℃以上，表明電池發(fā)生了熱失控。
下圖是直流放電內(nèi)阻與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系：
從圖中可以看到，電池放電內(nèi)阻隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，并且隨著循環(huán)的進(jìn)行，增大速率也越來越大。因此在外部短路測試中，短路電流隨著循環(huán)次數(shù)的增加而下降。
可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池的本體電阻和傳核電阻均增大。電池在循環(huán)的過程中，SEI膜會形成并逐步增厚，同時消耗一定的電解液，集流體在循環(huán)過程中也會發(fā)生不同程度的腐蝕和鈍化，極耳等連接處生成氧化層，使得電池的本體阻抗增大。傳核阻抗的增大主要來源于SEI膜和電極表面在循環(huán)過程中缺陷的不斷產(chǎn)生和活性物質(zhì)的脫落等。
2 突發(fā)情況
電動汽車電池包在設(shè)計過程中要考慮各種突發(fā)情況帶來的危險。包括振動、碰撞、燃燒。主動安全設(shè)計是動力電池系統(tǒng)安全設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，可使新能源汽車在出現(xiàn)動力電池安全事故時，通過駕駛員的人工干預(yù)將損失減到最小。
1）脫離電池包
在事故發(fā)生時如果電池包采用的是一鍵式脫離的主動安全設(shè)計，人們便可在第一時間將電池包迅速脫離車體，整個過程僅耗時幾秒鐘?？捎行ПＷC乘客和公共財產(chǎn)安全。
2）快速更換電池
當(dāng)外部條件允許時（增加一臺半自動換電小車），還可以將裝配可快速脫離電池包的車輛轉(zhuǎn)換為可快速更換能源的換電式車輛，其優(yōu)點：
A. 用充滿電的電池更換即將或已經(jīng)耗盡電的電池，用時短，整個換電過程可以控制在10分鐘以內(nèi)；
B. 對換下來的汽車電池可以利用夜間峰谷時段進(jìn)行集中充電，成本低；
C. 可以降低電池組的放電深度，壽命長。
總而言之，電池包可快速脫離車體的主動安全設(shè)計方案值得研究者深度思考。
四、總結(jié)
新能源汽車的電池就是傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)，它是整個汽車的心臟。汽車電池安全也不僅是財產(chǎn)安全，更是人類人身安全的一方面。
有效降低電池安全問題頻發(fā)的方法除了主要的進(jìn)行材料的升級外，還有就是有效的安全系統(tǒng)研究，以此將電池安全推向更高的水平。
