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纯电动汽车锂离子电池性能分析及维护保养

时间:2022年04月18日 分类:电子论文 次数:

摘 要:纯电动汽车最关键的核心技术就是电池,电池的性能一直以来都是电动汽车技术发展的关键,很多汽车工业强国都加大了突破该技术难题的投入力度。目前,国内的纯电动汽车电池逐步形成了锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂和钛酸锂为主的市场体系,各汽车生产厂家都会根据电

  摘 要:纯电动汽车最关键的核心技术就是电池,电池的性能一直以来都是电动汽车技术发展的关键,很多汽车工业强国都加大了突破该技术难题的投入力度。目前,国内的纯电动汽车电池逐步形成了锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂和钛酸锂为主的市场体系,各汽车生产厂家都会根据电池综合性能选择适合自身的电池体系。笔者基于国内纯电动汽车电池的发展趋势,对当前比较热门的两款锂离子电池的各项性能进行了对比分析,探讨了锂电子电池的维护和保养策略,仅供参考。

  关键词:纯电动汽车;锂离子电池;分析对比;维护保养;策略

纯电动锂电池

  近年来,我国的新能源汽车发展迅猛,从原来依靠国家政策驱动进入了市场需求拉动的快速发展阶段,展现出了从市场规模、产品质量双提高的喜人局面。据统计,2021 年年底国内的新能源汽车保有量为 784万辆,占国内汽车保有总量的 2.6%,占据了全球新能源汽车保有总量的“半壁江山”。2021 年国内新注册登记的新能源汽车为 295万辆,已经占到新注册登记汽车全部总量的 11.25%,与 2020 年相比增长了近 1.5倍,呈现出高速增长的良好态势。

  1 我国纯电动汽车电池的发展现状

  目前,我国生产的纯电动汽车使用的电池有三种类型,包括氢镍电池、铅酸电池和锂离子电池。锂离子电池也被叫作锂电池,它作为一种新研究发展的储能型电池,本身就具有诸多优势,已经开始大面积代替常用的铅酸电池等传统类电池。从清洁能源的角度来看,锂电池当前正处于纯电动汽车大面积装配的快速扩充期,尤其在我国,得益于国家将纯电动汽车产业的发展作为我国汽车产业的重要国策,在各方面都给予了重点扶持,借助纯电动汽车行业弯道超车的良好机遇,锂电池生产企业也迎来了发展的春天,预计未来 10年至 20年是其发展数量和容量呈现暴发式增长的黄金周期[1]。

  锂电池的分类标准是根据电池制造过程中所使用的正极材料类型进行划分的,由于锂离子电池的负极使用材料对电池的性能指标能量密度的作用较小,所以锂电池生产企业提升电池性能的手段就是不断创新和改进电池正极材料来最大限度地提高电池性能。目前纯电动汽车的锂离子电池主要使用六种材料,其中的钛酸锂主要被用来制作负极材料,因材料本身性能不足,导致其能量密度较低,正逐渐被市场所淘汰。

  能量密度相对较高的钴酸锂材料,其使用寿命和耐高温特性又比较弱,只能在手机等数码类产品中使用。生产成本比较低、稳定性较好的锰酸锂材料,其能量密度又相对比较低。所以,在纯电动汽车生产的初期,因为材料技术的限制,部分汽车生产厂商把钴酸锂和锰酸锂这两种锂电池作为主流电池使用[2]。根据纯电动汽车电池行业发展趋势,各项性能指标更好的磷酸铁锂和三元锂电池,代替传统锂电池的趋势已经很明显。

  相关统计数据显示,2021 年上半年我国使用三元锂电池的电动汽车合计装车 5.9GWh,同比上涨了 98.3%,环比上涨了 13.8%;而磷酸铁锂电池合计装车 5.1 GWh,同比上涨了 206.4%,环比上涨了 13.2%。综合来看,目前我国纯电动汽车行业大面积装配的锂电池类型基本包括两种:磷酸铁锂电池和三元锂电池。

  2 磷酸铁锂电池和三元锂电池的性能对比

  2.1 磷酸铁锂电池使用磷酸铁锂作为电池正极制造材料的锂电池被称为磷酸铁锂电池,它的负极制造材料主要采用石墨,其电解质主要选用六氟磷酸锂。磷酸铁锂电池最大的优势之一就是车辆在任何状态下,它都可以随时充电放电,不必像以前那样先放完电后再进行充电,它是目前纯电动汽车使用最安全的锂电池,尤其是在它内部或外部受到破坏时,电池发生燃烧和爆炸的可能性很小,所以相较于其他锂电池,它的安全性是最好的。磷酸铁锂电池在制造过程中没有重金属和稀有金属的参与,也没有任何毒性,不会对环境造成污染,完全符合欧盟RoHS标准的要求,是标准的绿色环保电池[3]。

  2.2 三元锂电池把镍盐、钴盐以及锰盐 / 铝酸锂三种元素作为电池正极制造材料的锂电池也被称为三元锂电池,其负极制造材料和磷酸铁锂电池相同,其电解质同样也主要采用了六氟磷酸锂。三元锂电池的能量密度比较高,安全稳定性能和高倍率放电性能好,成本价格相对来说比较合理。三元锂电池目前在智能机器人、无人机和纯电动汽车等领域展现出了强劲的发展潜力。

  2.3 磷酸铁锂电池和三元锂电池的性能对比

  1)电池能量密度:三元锂电池>磷酸铁锂电池。纯电动汽车的动力主要是通过电池的充放电功能实现的,能量密度是衡量电池性能优劣的主要参数,能量密度主要是指单位电池质量里面储存能量的多少。若一辆纯电动汽车装配了较高的能量密度电池,则说明该电池能为车辆提供充沛的动力。目前因为化学特性的制约,磷酸铁锂电池本身的电压较低,其能量密度约为 140瓦时/千克。相比于磷酸铁锂电池的电压,三元锂电池本身的电压较高,能量密度约为 240瓦时 / 千克。在电池重量相同的情况下,三元锂电池可以达到磷酸铁锂电池能量密度的 1.7倍之多[4]。

  2)安全性:磷酸铁锂电池>三元锂电池。基于磷酸铁锂电池的材料性能,它的化学键是相对比较稳固的,电热峰值处于 350 ℃以上,所以在高温下不易变形,因其受到的影响相对比较小,安全性能相比较好。相对来说三元锂电池的热稳定性能就要差一些,在高温下很容易发生损坏,导致汽车出现安全隐患。在高温运行环境下,磷酸铁锂的安全性要超过三元锂电池,在实际的汽车制造过程中,装备了三元锂电池的纯电动汽车必须加装电池管理系统,并对电池加装防过温保护装置,以此来保护电池的安全[5]。

  3)使用寿命:磷酸铁锂电池>三元锂电池。衡量电池寿命的主要方法就是测试电池在重复完全充放电之后的电量衰减程度,从纯电动汽车的电池电量处于 100% 的状态开始,不断循环充放电,当电池电量逐渐衰减到原有电量的 80% 以下,就说明该车的电池需要更换了。参考日常实际使用情况,如果对纯电动汽车每天进行一次充放电操作,装配磷酸铁锂电池的汽车循环 3 500次以后,也就是大概使用 10年以上时间才会出现明显的电量衰减。而三元锂电池的使用寿命就比磷酸铁锂电池的相对短一些,在完全充放电循环测试次数超过 2 000 次时,就会不断开始衰减,推算下来也就大概 6年的使用时间[6]。

  4)低温性能:三元锂电池>磷酸铁锂电池。我国幅员辽阔,不同地方、不同季节温差较大,不同锂电池的制造材料化学性能各不相同,所以纯电动车在低温环境下的行驶里程减少是影响纯电动车大面积普及的最大难题。根据统计数据,目前世界上基本所有的纯电动汽车在低温环境下都会不同程度地表现出行驶里程的减少。使用磷酸铁锂电池的纯电动汽车在低温下的使用下限为 -20 ℃,而且电池的放电性能会随着温度的不断下降而降低,低温时的行驶里程减少达 40%左右。装配三元锂电池的纯电动汽车在低温下的使用下限为 -30 ℃,而且低温放电性能要比磷酸铁锂电池优越,低温时的行驶里程衰减在 15%以内,其低温下的各项性能要明显高于磷酸铁锂电池。

  5)成本:三元锂>磷酸铁锂。根据磷酸铁锂电池的设计原理,它在生产制造过程中没有采用贵重金属材料(主要是镍钴元素),并且对电池加工的生产环境要求不高,因此生产电池的材料成本较低。而三元锂电池则更多地加入了镍钴锰等多种贵重金属元素,尤其是在高镍电池的生产过程中,对电池制造加工的工艺环境标准要求相当严格,综合成本相对较高。通过对比磷酸铁锂电池与三元锂电池的各项特征,三元锂电池和磷酸铁锂电池在性能上各有所长。按照实际使用情况,三元锂电池比较适合装配于对动力性能要求较高的日常乘用车,但为了提高其电池安全性,对电控系统的管理上需要下更多的功夫。而磷酸铁锂电池在对电池的结构布局要求不高的场景下应用更广泛,大量普及在对使用寿命要求长的公共通勤和社会用车上。

  3 纯电动汽车锂电池的维护与保养策略

  3.1 定期检查 在纯电动汽车的使用过程中,要定期在 4S店进行检查,一些问题以及隐患通过检测才能够及时地被发现,相关工作人员才能根据具体情况对电池存在的各种问题对症下药,维护良好的汽车也会相应减少因为电池存在的问题而导致的交通事故[7]。纯电动汽车车主在日常使用过程中,要时刻注意汽车的车况,根据保养要求的时限和电池的实际应用情况定期检查车辆,如果发现纯电动汽车的续航里程在短时间内骤然降低,就要注意到可能是由于锂电池出现电池断格、极板脱粉软化、极板活性物质变形脱落等现象引起的,就要及时升级与修复锂电池,真正做到“防患于未然”。

  3.2 正确掌握充电时间 纯电动汽车电池的使用寿命长短与充电时间密切相关,车主要根据实际的使用情况估算充电时间,主要需要考虑车辆使用的频率、汽车行驶里程、配备电池的容量大小、适应充电桩的性能和充电电流大小等因素,目前我国大部分纯电动汽车平均的充电时间保持在 8 小时左右,当电池达到放电深度的50%~80%时充电效果最佳,从而避免充电时间控制不好影响电池性能。当前我国汽车市场还是以传统的燃油汽车为主,在纯电动汽车还未普遍普及的情况下,广大群众对纯电动汽车的认识和使用还不足,往往因为不够熟练而导致出现各种事故,所以一定要正确掌握充电时间[8]。

  3.3 保持良好的驾驶习惯保持良好的驾驶习惯,可以最大限度避免电池过度放电的情况发生。因此,在平时开车行驶过程中,尽量不要急加速和急减速,因为纯电动汽车在启动、载人过程中,突然进行紧急加速,就会导致电池大量放电而出现硫酸铅结晶的现象,从而对电池的物理性能造成严重破坏。同时,也要尽可能避免汽车在凹凸不平的路面驾驶,路面颠簸势必会造成电池不断地振动和挤压,造成电池的破损和变形,所以一定要培养良好的驾驶习惯。

  3.4 尽量避免阳光暴晒 较高的温度会导致纯电动汽车内部的电池温度也不断升高,在高温环境下行驶会导致电池内部压力增加,在高压状态下就会触发电池的限压阀自动打开,就会增加锂电池的失水量,导致加剧电池的老化不断加剧,锂电池的使用寿命就会大打折扣。因此,周围环境温度较高时要防止汽车在阳光下暴晒,平时在对车辆进行停放时,要选择阴凉的地方停放车辆。近年来,我国加大了建设纯电动汽车停车场的规划投资力度,很多停车场加装了遮阳棚,尽可能减少太阳对汽车的暴晒[9]。

  3.5 避免深度馈电发生纯电动汽车长时间闲置停放,就有必要定期对电池进行充电补电,即使在平时正常使用过程中,也要提前确定好行车路线,避免汽车长期在深度馈电的状态下工作,长期工作在深度馈电状态下,特别容易堵塞电离子通道,导致后期充电量不足,电池的容量大幅下降,馈电时间拖得越长,电池的破坏就越严重。因此,当纯电动汽车的车主在长时间不开车时,要尽早将车内的电池电量充满,保持在一个满电状态,从而降低对电池性能的损耗。如果纯电动汽车需要更长时间停放,也要定期给电池进行充电补电[10]。

  3.6 保护好汽车充电器对汽车充电器的保护工作,很大程度上直接影响着电池的维护与保养效果。车主在平时为汽车充电时,一定要确保充电器安全。通常情况下,纯电动汽车市场上选配的充电器基本不具备高耐振动处理的功能,从而在后续的使用和维修过程中都会检查出很多安全问题。所以车主在使用汽车前要充分学习汽车使用说明书,在平时的充电工作中要选择与其充电功率相适应的插座,充电过程中要保证充电器常处于散热通风的工作环境,避免因通风不畅导致散热困难,最终影响充电效果。

  4 结语

  综上所述,我国锂电池产业只有将品质性能和安全性能放到第一位置,不断进行技术创新改革,进一步加大锂电池的新材料研究和制造工艺创新的力度,才能不断提高锂电池本身的科学技术含量,从而使锂电池在电池行业里的竞争优势更加明显,也为我国纯电动汽车产业的百花齐放奠定良好的基础。

  参考文献:

  [1] 刘江彩,陈巍,陈冬,等.电动汽车电池的发展展望 [J]. 南方农机,2022,53(3):146-148.

  [2] 刘超平. 新能源汽车动力锂电池热管理分析 [J]. 现代工业经济和信息化,2021,11(10):96-97+100.

  [3] 谢鹏 . 浅析新能源汽车动力电池的维护与保养 [J]. 内燃机与配件,2021(18):170-171.

  [4] 陆建明 . 新能源汽车动力电池的维护与保养策略探究 [J]. 时代汽车,2021(18):75-76.

  [5] 朱小燕 . 无模组技术在新能源汽车动力电池中的应用与研究[J]. 科技与创新,2020(15):159-161.

  [6] 侯海 . 新能源汽车电池管理系统的设计分析 [J]. 南方农机,2020,51(14):177-178.

  [7] 郭长军 . 新能源汽车动力电池的维护与保养 [J]. 湖北农机化,2020(13):123-124.

  作者:刘吉仁

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