一、設計要求

就像內燃機車關于發(fā)動機的各種要求，新能源汽車關于電池組也有著苛刻的要求。

1）比能量

電池單位質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

要達到足夠的放電循環(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)勢和不足，不同的公司研發(fā)方向也不同。總的來說，電池的技術創(chuàng)新方向是加強新材料的研究和應用，基礎關鍵技術研發(fā)，提高電池的性能和質量，并降低成本。

1鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池采用金屬鉛作負電極，二氧化鉛作正電極，用硫酸溶液作電解液，其電化學反應式為：

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燃機汽車的起動動力源，而早在1881年，鉛酸蓄電池就被應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鋰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，其電極活性物質為負極的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釋放和吸收氫，其電化學方程式為：

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的快速發(fā)展，在新能源汽車應用方面，鎳氫電池逐步被動力鋰離子電池取代。

3動力鋰離子電池

鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場，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)的質量下降40%~50%、體積減小20%～30%，能源效率大幅提升。

4燃料動力電池

在眾多的燃料動力電池當中，氫燃料動力電池用作新能源汽車的動力源最被看好。

氫燃料動力電池是一種以氫氣為燃料的燃料動力電池，其基本原理為電解水的逆反應，將氫氣送到電池的陽極板（負極），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（質子）通過質子交換膜，到達電池的陰極板（正極），而不能通過質子交換膜的電子，只能經(jīng)過外部電路，到達電池的陰極板，從而在外電路中出現(xiàn)電流，電子到達陰極板后，與氧原子（氧氣可直接通入空氣獲得）和氫離子重新結合為水。

與其他電池不同，氫燃料動力電池不是儲能裝置，而是一種將化學能直接轉化為電能的發(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雜的環(huán)境和使用工況下工作，熱量的積累、結構的疲勞損壞、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，外部短路電流逐步降低，溫升逐步下降，安全性越來越高；但是當電池循環(huán)次數(shù)較多（950次后），由于越來越嚴重的各類副反應的積累（副反應產(chǎn)物的積累、活性物質的脫落、電極材料結構的變化及缺陷的不斷新增），使電池容量發(fā)生嚴重衰減，降低了隔膜的結構強度，導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，但是當循環(huán)次數(shù)較多時，由于各類副反應的發(fā)生以及材料結構的破壞和性能的下降，會導致外部短路安全性下降，甚至出現(xiàn)熱失控等安全問題。

以下是鋰離子動力鋰電池循環(huán)實驗：

下圖是電池容量變化曲線：

當電池每完成200次循環(huán)測試后，均會隨機選取一只電池進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，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。

下圖是直流放電內阻與循環(huán)次數(shù)的關系：

從圖中可以看到，電池放電內阻隨著循環(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)和活性物質的脫落等。

2突發(fā)情況

電動汽車電池包在設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。主動安全設計是動力鋰電池系統(tǒng)安全設計的重要環(huán)節(jié)，可使新能源汽車在出現(xiàn)動力鋰電池安全事故時，通過駕駛員的人工干預將損失減到最小。

1）脫離電池包

在事故發(fā)生時假如電池包采用的是一鍵式脫離的主動安全設計，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。可有效保證乘客和公共財產(chǎn)安全。

2）快速更換電池

當外部條件允許時（新增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；

B.對換下來的汽車電池可以利用夜間峰谷時段進行集中充電，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計方法值得研究者深度思考。

四、總結

新能源汽車的電池就是傳統(tǒng)汽車的內燃機，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)的方法除了重要的進行材料的升級外，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。