一、設(shè)計(jì)要求

就像內(nèi)燃機(jī)車關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種要求，新能源汽車關(guān)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(shí)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(shí)間。

4）穩(wěn)定性

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(dòng)汽車最常見的動(dòng)力鋰電池有鎳氫電池、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(chǎng)化的動(dòng)力鋰離子電池，按照正極材料的不同，可分為磷酸鐵鋰離子電池（LiFePO4）、改性錳酸鋰離子電池（LiMn2O4）和三元材料鋰離子電池（Li(Ni，Co，Mn)O2）等。

各種電池都有優(yōu)勢(shì)和不足，不同的公司研發(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(shí)

充電時(shí)

由于其性能可靠、價(jià)格低廉、高倍率放電性能良好等優(yōu)點(diǎn)，鉛酸蓄電池目前仍被廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，鉛酸蓄電池作為新能源汽車動(dòng)力鋰電池并沒有獲得推廣。而在對(duì)續(xù)航里程要求不高、總體價(jià)值偏低的電動(dòng)自行車、電動(dòng)三輪車、電動(dòng)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重要成分，金屬氫化物能夠在電池放電和充電時(shí)釋放和吸收氫，其電化學(xué)方程式為：

放電時(shí)

充電時(shí)

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(dòng)力鋰電池使用，各大汽車廠商都推出過鎳氫電池新能源汽車。不過隨著鋰離子電池技術(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(dòng)力鋰離子電池取代。

3動(dòng)力鋰離子電池

鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場(chǎng)，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(dòng)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燃料動(dòng)力電池

在眾多的燃料動(dòng)力電池當(dāng)中，氫燃料動(dòng)力電池用作新能源汽車的動(dòng)力源最被看好。

氫燃料動(dòng)力電池是一種以氫氣為燃料的燃料動(dòng)力電池，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），在催化劑的用途下，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，從而在外電路中出現(xiàn)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，氫燃料動(dòng)力電池不是儲(chǔ)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(diǎn)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(huì)對(duì)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新增），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(cè)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(huì)逐步提高，但是當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，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(huì)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(dòng)力鋰電池循環(huán)實(shí)驗(yàn)：

下圖是電池容量變化曲線：

當(dāng)電池每完成200次循環(huán)測(cè)試后，均會(huì)隨機(jī)選取一只電池進(jìn)行外部短路安全性測(cè)試。

下圖為電池在短路安全性測(cè)試過程中電流隨短路時(shí)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(shí)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)新增有所降低，并且溫升速率也逐步降低。這一現(xiàn)象和短路安全性測(cè)試圖中顯示的電流持續(xù)時(shí)間恰好吻合，表明此時(shí)電池溫升重要來源于焦耳熱。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)的新增逐漸增大，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(cè)試中，短路電流隨著循環(huán)次數(shù)的新增而下降。

可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的新增，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(huì)形成并逐步增厚，同時(shí)消耗一定的電解液，集流體在循環(huán)過程中也會(huì)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。傳核阻抗的增大重要來源于SEI膜和電極表面在循環(huán)過程中缺陷的不斷出現(xiàn)和活性物質(zhì)的脫落等。

2突發(fā)情況

電動(dòng)汽車電池包在設(shè)計(jì)過程中要考慮各種突發(fā)情況帶來的危險(xiǎn)。包括振動(dòng)、碰撞、燃燒。主動(dòng)安全設(shè)計(jì)是動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，可使新能源汽車在出現(xiàn)動(dòng)力鋰電池安全事故時(shí)，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(shí)假如電池包采用的是一鍵式脫離的主動(dòng)安全設(shè)計(jì)，人們便可在第一時(shí)間將電池包迅速脫離車體，整個(gè)過程僅耗時(shí)幾秒鐘。可有效保證乘客和公共財(cái)產(chǎn)安全。

2）快速更換電池

當(dāng)外部條件允許時(shí)（新增一臺(tái)半自動(dòng)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(diǎn)：

A.用充滿電的電池更換即將或已經(jīng)耗盡電的電池，用時(shí)短，整個(gè)換電過程可以控制在10分鐘以內(nèi)；

B.對(duì)換下來的汽車電池可以利用夜間峰谷時(shí)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(dòng)安全設(shè)計(jì)方法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(gè)汽車的心臟。汽車電池安全也不僅是財(cái)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)的方法除了重要的進(jìn)行材料的升級(jí)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。