电动汽车动力电池技术

1、电动汽车的发展方向是哪里？电动汽车的电池技术会怎样进步

前瞻产业研究院《中国电动汽车行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》

上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。我国经过“八五”、“九五”、“十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是,迄今为止，这些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。国外大汽车公司投入远比我国更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也寥寥无几。随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。下面将为您介绍电动汽车的现状与发展趋势。

一、电动汽车的现状

现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池电动汽车(FCEV)。但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又派生出一种插电式(Plug-In)混合动力汽车，简称PHEV。本文将电动汽车技术研发的若干问题和趋势，作简要的介绍和评述。

1、纯电动汽车(BEV)

纯电动汽车是指完全由动力蓄电池提供电力驱动的电动汽车，虽然它已有134年的悠久历史，但一直仅限于某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是由于各种类别的蓄电池，普遍存在价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。目前采用的铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，它们已达到的实际性能指标和市场平均价格，如表1所示。根据实际装车时的循环寿命和市场价格，可估算出电动汽车从各种动力电池上每取出1kWh电能所必须付出的费用。计算时，假设电池最高可充电荷电状态(SOC)为0.9，放电SOC为0.2，即实际可用的电池容量仅占总容量的70%;由电网供电价为0.5元/kWh，电池的平均充放电效率为0.75。

从表1的粗略计算中可知，虽然从电网取电仅需
0.5元/kWh，但充入电池，再从电池取出，铅酸电池每提供1kWh电能，价格为3.05元左右，其中2.38元为电池折旧费，0.67元为电网供电费，而从镍氢电池中每提供1kWh电能，费用为9.6元，锂离子电池为10.2元，即后二种先进电池供电成本是铅酸电池的三倍多。

目前国内市场上用柴油机发电，价格大致为3元/kWh，若用汽油机发电，供电价格估计为4元/kWh，即从铅酸电机提供电能的价格大致和柴油机发电价格相等，仅仅从取得能量的成本来考虑，采用铅酸电池比汽油机驱动有一定价格优势，但是由于它太过笨重，充电时间又长，因此只被广泛用于车速小于50km/h
的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上。实践证实铅酸电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。

镍氢电池的主要优点是相对寿命较长，但是由于镍金属占其成本的60%，导致镍氢电池价格居高不下。锂离子电池技术发展很快，近10年来，其比能量由
100Wh/kg增加到180Wh/kg，比功率可达2000W/kg，循环寿命达1000次以上，工作温度范围达-40～55℃。美国USABC在
2002年制定的锂离子电池技术发展目标如表2所示。

近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破，又大大提高了电池的安全性。目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势，锂电池产量到2004年已占全球市场的37.1%，预计到2015年以后，锂离子电池的性/价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。

图1示出了国内外各种纯电动车辆数量/性能和价格/性能曲线，以电动自行车为代表的低性能车辆，由于其成本低廉，仅我国在2006年已达到年产2000万辆，美国通用汽车公司生产的冲击1号电动跑车，虽然已达到了很高的动力性，但是由于售价高昂，仅生产了区区50辆，由于没有市场而不得不停产。性能较低的场地车，在我国年产达7000～8000辆左右;天津清源电动车公司生产的微型电动车，最高车速仅50km/h，年产也可以达千辆以上，这可能是目前市场所能接受的纯电动车辆性能的上限。上述所有电动车辆均采用铅酸电池为动力。随着高性能锂离子电池的性/价比不断提升，未来5～10年内，市场上可能会出现最高车速≥100km/h，续驶里程≥250km的高性能纯电动汽车。

2、混合动力电动汽车(HEV)

由于完全由动力蓄电池驱动的纯电动汽车，其性能/价格比长期以来都远远低于传统的内燃机汽车，难于与传统汽车相竞争，上个世纪90年代以来各大汽车公司都着手开发混合动力汽车。日本丰田公司在1997年率先向市场推出“先驱者”(Prius)混合动力汽车，并在日本、美国和欧洲各国市场上均获得较大成功，累计产销量已超过60万辆。随后日本本田、美国福特、通用和欧洲一些大公司，也纷纷向市场推出各种类型的混合动力汽车。

2.1 研制全混合电动汽车的必要性

混合动力电动汽车是指具备两个以上动力源、而其中有一个可以释放电能的汽车。混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种;按混合度(电机功率与内燃机功率之比)的不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。其中外挂式皮带驱动起动/发电(BSG)式是微混合动力汽车的典型结构，其电机功率一般仅2～3kW，依赖发动机的停车断油功能，可节燃油5～7%;在发动机曲轴后端加装一个电动/发电型盘式电机(ISG)是轻度混合动力汽车的典型结构;具有纯电力驱动功能的可作为全混合或混联式混合动力汽车的典型。丰田公司的Prius轿车即属于这类全混合汽车。目前我国若干汽车企业研制的混合动力汽车，大多采用ISG轻度混合或BSG微混合方案，主要是考虑这二种方案的技术难度较小，生产成本也较低。但是根据研究表明，混合动力汽车的节油率几乎与汽车功率的混合度和汽车的生产成正比上升(如图2)。因此，从长远来看，研制全混合电动汽车是一种必然趋势。

2.2 研发及市场情况

下面分别介绍混合动力乘用车和混合动力公交车的研发及市场情况。

以节油率最佳的丰田Prius汽车为例，在我国实测它与丰田花冠(Corrolla)油耗在不同工况下的对比数据如表3所示。各种工况下的平均节油率为39.6%，平均百公里可节油3.07L。

以97号汽油价格为5元/L计算，每百公里可节省油费15.35元，行驶20万km也仅省油费3.07万元，显然还不足以抵消购置混合动力汽车所增加的费用。据中国汽车工业协会统计，2006年一汽丰田普锐斯(Prius)销量仅为2152辆，占全国乘用车总销量的0.04%。考虑到我国用户对汽车售价的敏感性，这一销售业绩并不令人惊奇，可以认为在近期，如果没有政府的大力支持，混合动力乘用车在我国不会有很大的市场。

2.3 城市公交车的使用特点

在我国，城市公交车与私人乘用车的情况有很大的不同，具体归纳为以下三点:

(1)据统计我国城镇居民日常出门有70%是首选乘坐公交车，我国大部分城市政府都奉行公交车优先的交通政策，我国公交车的年产量和保有量都居世界第一;

(2)我国城市公交车大多由市政府补助公交企业采购，公交车是否符合节油减排要求，将是政府需要考虑的一个重要采购原则;

(3)从技术角度来分析，在城市工况下，公交车频繁起步、加速、制动和停车，要额外消耗许多燃油。表4列出了在国外四种典型城市工况下，汽车制动消耗能量(油耗)所占比例，其算数平均值达47.1%。即有近一半的燃油是被汽车频繁制动所消耗的，这就为混合动力公交车的节油减排留下了相当大的空间。

正是考虑到以上几个特点，我国至少有7～8家汽车企业将研发、生产混合动力公交车作为研发工作的重点。经过近几年的开发，虽然已取得了一系列重大成果，但公交车的节油率并未达到预计的要求，一辆总重15.5t，长11m的混合动力公交车，实际油耗大多为33～35L，平均34L/100km，若传统
11m公交车的平均油耗为40L/100km，则节油率仅15%。

2.4节油率难以进一步提高的原因

分析节油率难以进一步提高的原因主要有二个：

(1)汽车的制动过程十分短暂，一半不超过10s，在短短的几秒内，电机要求发出很大的电流，才能有效回收制动能量，但是电池的充电倍率只有放电倍率的一半，因此电池不能接受大电流充电。理论上汽车有50～60%的制动能量可回收，实际回收的制动能量<20%，最简单的改进办法是加大动力电池容量，例如至少加大容量一倍，回收的制动能量可由20%增加到40%。但这将大大增加整车成本和汽车自重，经济上可能是得不偿失。<
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(2)混合动力公交车若采用停车断油，甚至滑行时即断油，可节油10%左右(4L/100km)，实际上国产柴油机没有专门为混合动力汽车设计，一般不允许频繁的停车断油，否则供油系和废气增压器都可能损坏，严重影响柴油机寿命。其次，停车断油就必须装有电动转向油泵、电动空压机和电动空调系统，这又会大大增加整车成本和重量，二相权衡，不一定合算，所以近期大多未实现停车断油功能。因此，目前HEV的开发重点集中在节油降耗的工作上，针对以上问题，科研工作者提出了不同的解决方案，如利用超级电容器的功率密度达铅酸电池的10倍，具有快速吸收大电流充电的优异特性，在混合动力汽车制动时可以快速吸收能量，大大提高制动能量的回收率，此外它还具有循环寿命长、充放电效率高、耐低温特好以及免维护等优点。这种方案由于受到超级电容价格昂贵的影响，限制了它在混合动力汽车上的广泛应用。在进一步降低成本，提高能量密度后，超级电容器最有可能首先在混合动力公交车上得到应用。

3、插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车是最新的一代混合动力汽车类型，近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的普遍关注，国内外专家认为，PHEV有望在几年后得到广泛的推广使用。

据统计，法国城镇居民80%以上日均驾车里程少于50km，在美国，汽车驾驶者也有60%以上日均行驶里程少于50km，80%以上日均行驶里程少于
90km。PHEV特别适合于一周有5天仅驾车用于上下班，行驶里程50～90km之间的工薪族使用。PHEV是在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使PHEV采用纯电动工况可行驶50～90km，超过这一里程，即必须起动内燃机，采用混合驱动模式。所以PHEV的电池容量一般达5～10kW·h，约是纯电动汽车电池容量的30～50%，是一般混合动力汽车电池容量的3～5倍，可以说它是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品。与传统的内燃机汽车和一般混合动力汽车(HEV)对比(见表5)，PHEV由于更多的依赖动力电池驱动汽车，因此它的燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于动力电池容量的加大，每辆车的售价至少比一般HEV高2000美元。

图3示出了四种不同类型乘用车，它们的蓄电池容量与汽车价格、燃油消耗及尾气排放的对比关系。可见随着蓄电池容量的加大，汽车价格将上升，但是燃油消耗和尾气排放则下降。因此可以认为，电动汽车是以使用和损耗蓄电池为代价来换取节油、减排的效果，动力电池性/价比的大幅提升将是电动汽车能否迅速推广使用的关键所在。

一般HEV动力电池SOC仅在较小范围内波动(例如±2%～3%)因此循环寿命次数很长，而PHEV的动力电池SOC必须在很大的范围内波动(例如±40%)，属于深充深放，因此循环工作寿命短得多，和纯电动汽车(PEV)相似。目前在PHEV上都采用先进的锂离子电池，由表1可知，锂离子电池每放出1kWh电能，能耗费为10.2元，相当于内燃每
kWh能耗费用的3倍。随着全球石油价格不断上升，燃油内燃机的能耗费用也将不断上升，而锂离子电池随着技术进步和产量的扩大，其能耗费用将不断下降(如图4所示)，二者可能在2015至2020年内达到平衡点。因此PHEV有望在10年内得到大面积推广使用。

4、燃料电池电动汽车

早在1839年，英国人格罗孚就提出了氢和氧反应发电的原理。20世纪60年代，研发出了液氢和液氧发电的燃料电池，由美国UTC公司首先用于航天和军事用途。近20年来，由于石油危机和大气污染日趋严重，以质子交换膜式为代表的燃料电池技术，受到世界各国普遍重视。各大跨国汽车公司纷纷投入巨资，研发出了各种类型的燃料电池电动汽车(FCEV)。

4.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)主要优点

(1)其排放生成物是水及水蒸汽，为零污染;

(2)能量转换效率可高达60～70%;

(3)无机械振动、低噪声、低热辐射;

(4)宇宙质量中有75%是氢，地球上氢也几乎是无处不在。氢还是化学元素中质量最轻、导热性和燃烧性最好的元素;

(5)氢的热值很高，1kg氢和3.8L汽油的热值相当。

4.2燃料电池电动汽车存在的技术、经济问题

在我国，国家科技部将研发燃料电池客车和燃料电池轿车列为“十五”和“十一五”计划“863”重大科技项目。并已取得一系列重大科技成果，但是在多年科研实践中，也暴露出一些技术、经济问题:

(1)燃料电池发动机的耐久性寿命短

一般仅1000～1200小时(国外达2200小时)，燃料电池汽车行驶4～5万km，功率即下降～40%，和传统内燃机可普遍行驶50万km以上相比，差距很大;

(2)燃料电池发动机的制造成本居高不下

一般估计3万元/kW(国外成本约3000美元/kW)，与传统内燃机仅200～350元/kW相比，差距巨大。由于其中如质子交换膜、炭纸、铂金属催化剂、高纯度石墨粉、氢回收泵、增压空气泵等关键部件均依靠进口，所以与国外相比，并没有成本优势;

(3)燃料电池发动机对工作环境的适应性很差

国产可在0～40℃气温下工作，低于0℃有结冰问题，高于40℃过热不能正常工作;此外对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏感，铂催化剂极易污染中毒失效;

(4)燃料电池汽车的使用成本过于高昂

例如高纯度(99.999%)高压氢(>200大巴)售价约80～100元/kg。按1kg氢可发10kW·h电能计算，仅燃料费即约为10元
/kW·h，按燃料电池发动机工作寿命1000小时计算，折旧费为30元/kWh。所以总的动力成本达40元/kW·h。与表1对照可知，至少在目前，由燃料电池发动机提供1kWh电能的成本远高于各种动力电池，这从一个侧面反映了作为汽车动力源，燃料电池汽车还有相当的距离。

4.3目前燃料电池电动汽车的研究课题

尽管存在如此多的问题，但是燃料电池仍然是人类迄今为止，发明的最清洁、安静又可无限再生的能源，值得我们为实现燃料电池电动汽车的产业化，付出更大的努力。

为此建议从以下几个方面进行工作:

(1)以更为创新的思维，对燃料电池的基本理论和基础材料进行深入研究，例如努力探寻非铂金属催化剂;努力研制抗电腐蚀金属双极板和耐高温(>110℃)高机械强度质子交换膜等;

(2)努力实现如炭纸、增压空气泵等关键零部件的国产化，以降低整机成本;

(3)进一步提高整机的优化集成技术，着力提高整机的耐候性(高、低气温变化)、抗大气污染能力和耐电负荷急剧变化能力等。

5、电机及电动车轮的分类

电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等四种电机。

美国和德国开发的电动汽车大多采用交流感应电机，主要优点是价格较低、效率高、重量轻，但启动转矩小。日本研制的电动汽车几乎全部使用永磁无刷电机，其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，但价格较贵，永磁材料一般仅耐热120℃以下。开关磁阻电机结构较新，优点是结构简单、可靠、成本较低、起动性能好，没有大的冲击电流，它兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点，缺点是噪声较大，但仍有一定改进余地。表6列出四类电机比较。

显然表6中四种电机各有优缺点，但是对于电动汽车而言，由于电能是由各类电池提供，价格昂贵而弥足珍贵，所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的，它已被广泛用于功率小于100kW的现代电动汽车上。

此外，在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮(又称轮毂电机)，它用电机(多为永磁无刷式)直接驱动车轮，因此无传统汽车的变速箱、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件，汽车结构大大简化。但是它要求电机在低转速下有很大的扭矩，特别是对于军用越野车，要求电机基点转速∶最高转速=1∶10(见图5)。近几年，美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得了重大成果。例如美海军陆战队在“悍马”基础上研制出串联式“影子”新型混合动力越野车，采用了电动轮技术，其结构及主要技术参数如表7所示。与传统“悍马”车对比试验，在同样侦察试验条件下，“悍马”耗油472kg，而“影子”仅耗油200kg;同一越野路段，“悍马”耗时32分钟跑完，而“影子”仅耗时13分50秒，此外它还具有在纯电动模式下，汽车静音、无“热痕迹”等优点。如此优异的性能，据闻美军已决定停产传统“悍马”车，全部改产新型混合动力电动轮驱动的“影子”型军车。这一重要发展趋势，应引起高度关注。

二、电动汽车发展趋势

综上所述，可以从技术/经济分析出发，对电动汽车技术的现状和未来作如下结论：

(1)在目前国内市场价格的基础上，可粗略计算出各种提供电能技术的价格比。即电网供电∶柴油机供电∶铅酸电池供电∶镍氢电池供电∶锂离子电池供电∶燃料电池供电=1∶6∶6∶19.2∶20.4∶80。这从一个侧面反映了各种供电方式距离电动汽车市场的远近。当然，随着石油价格的上升、电池技术的进步，这些比例关系将发生很大的变化;

(2)由于铅酸电池的供电成本大体和柴油机供电相等，因此它仍然是低端电动车市场的主要动力电池。磷酸锂离子电池技术进步较快，它最有可能成为铅酸电池的竞争对手，率先成为高端电动车市场的主要动力电池;

(3)由于混合动力汽车仅需装用纯电动汽车1/10的动力电池容量，整车有较为接近市场的性/价比，因此它仍将是近期实现产业化的主要电动汽车种类。考虑到我国国情，目前仍应大力推广使用混合动力大客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放;

(4)在锂离子电池性/价比进一步提升后，外接充电式混合动力汽车(PHEV)有望成为理想的上班族乘用车，它可大幅度减少油耗和降低排放，但是由于较高的价格，它可能首先在发达国家得到推广应用;

(5)燃料电池虽然是理想的清洁能源，但是目前它的性/价比太低，要达到可以进入市场的性/价比，可说是任重而道远，必须从基础材料和基本理论上有重大突破，才可能进入汽车市场;

(6)电动轮已成为国外电力驱动技术的重要发展趋势，并已在军用越野车上得到实际应用，证实它在技术/经济上的重要优势，我国虽也有不少单位研发，但始终未进入“863”计划，技术进步缓慢，因此有必要奋起直追，尽快掌握这一先进的电驱动技术。

2、什么才是新能源汽车动力的核心技术

电动汽车四大关键技术，包括电池及管理技术、电机及其控制技术、整车控制技术、整车轻量化技术。
1、电池及其管理技术
电动汽车的成败关键仍然是电池。动力电池是电动汽车的动力源，电池选择将直接关系到整车的性能。电动汽车动力电池的主要性能指标是能量密度、功率密度和循环寿命等，现代电动汽车对车用电池有如下要求：
(l)高能量密度(W·h/kg)及功率密度(W/kg)；(2)长的循环寿命；(3)充电方便、迅速；(4)低的制造成本；(5)低的内阻及自放电率；(6)不污染环境；(7)能在较宽的环境温度范围内工作；(8)少维护或免维护；(9)使用安全；(10)适应大批量生产的要求。
2、电机及其控制技术
电机是电动汽车动力的发起点。要求：（1）电机要频繁的启动/停止、加速/减速；（2）低速或爬坡时要求高转矩；（3）高速行驶时要求低转矩，并且变速范围大以及交款的转速范围和转矩范围内都要有较高效率:；（4）工作可靠性高；（5）稳态精度高；（6）动态性能好且工作环境要求不苛刻。
电力驱动系统的主要功能是把蓄电池储存的电能转换为汽车行驶的动能，要使得电动汽车拥有良好使用性能，必须开发出合理的控制系统，使电机具备较高转速及较大的调速范围，足够大的启动转矩，以及体积小、质量轻、效率高，动态制动强和能量回馈的能力。
电动汽车的电动机有多种控制模式。传统的线性控制，如PID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。传统的变频变压(VVVF)控制技术，不能使电机满足所要求的驱动性能。异步电机多采用矢量控制(FOC)，是较好的控制方法。

3、深度：2020年动力电池技术进化引发新能源市场变革

随着电动汽车动力电池技术的快速发展，动力电池系统能量密度从最初的不到100wh/kg已经发展到目前的180wh/kg。而据动力电池业内人士表示，2020年动力电池单体能量密度超过300wh/kg，系统能量密度达到240wh/kg已无悬念。如果对240wh/kg这个数字没有什么概念的话，那如果说一台紧凑级纯电动汽车充满一次电能够行驶超过800km，就能够清楚的知道这个系统能量密度240wh/kg是什么意思了。

电动汽车可以跑的更远的同时，一个重要问题出来了：

充电效率跟续航里程一样，制约着电动汽车的发展和普及。随着三电系统电压的提升，原本400伏电压平台将逐渐的被摒弃，而以保时捷Taycan为代表车型的800伏电压平台，以及比亚迪为代表的600伏电压平台，将逐渐取代老旧的400伏电压平台。

除了系统成本降低、效率提升之外，高电压系统最大的好处就是让电动汽车的充电效率大幅提升。以保时捷taycan为例，保时捷taycan的充电功率最高达到了250千瓦，充电5分钟可行驶100公里。而目前市场上销售的绝大部分车型的最高充电功率仅仅维持在60-80千瓦左右。而以国家电网为主导的360千瓦快充标准及整车应用，也将合适时机与北汽新能源联合推出。

可以想象，2020年及以后的2年内，电动汽车单次续航里程以及充电效率将基本上解决。一台单次充电续航800公里、充电时间只有20分钟左右的电动汽车，已经基本上具备了颠覆传统燃油汽车的能力。

冬季电动汽车续航里程缩水，又一个重要问题出来了：

在气温低至-20℃的冬季室外使用手机，续航能力将大大降低，基本上10分钟左右手机就会直接关机。这是锂离子电池的特性，低温环境下电池活性会迅速降低导致。

同理，一台电动汽车在冬季的低温环境下正负极之间的离子移动将变得困难，对应的电池的活性也将大大的降低。所以，很多电动汽车车主在冬季使用车辆的时候发现，续航里程往往只能达到其他季节的一半左右的表现，同时充电的效率也大大的降低，甚至于在较为极端的环境下根本充不进去电。

似乎动力电池热管理已经成为业内的最大难题。如果没有好的解决方案，电动汽车在高纬度地区的普及将大大受阻。这个问题如何解决似乎已经成为业内的最大痛点。

如何解决动力电池极端气候充放电效率不足，另一个重要问题出来了：

现在，已经有很多的车厂或动力电池厂商，通过物理保温的方式给电池系统加上隔热性能较好的保温材料。这样一来，动力电池总成在冬季低温环境下的确可以获得较好的保温效果。通过物理隔热可以缓解冬季低温环境动力电池活性降低、续航里程严重缩水的问题。但是夏季高温环境下，动力电池散热弊端又显现出来。

目前三元动力电池普遍都有热稳定性差，动力电池温度超过200℃就会造成热失控，并导致电池起火甚至爆炸的危险。相交于冬季续航里程严重缩水，夏季动力电池热失控起火爆炸的危害似乎更甚。所以最近两年采用物理隔热的方式的还较少。没有办法彻底解决高温环境下的热失控的问题，冬季低温环境的保温或者加热的需求似乎需要靠边站。而目前我们在市场上能够买到的电动汽车，更多的在高温热失控方面做足了功课，汽车厂商宁肯冒着冬季被广大的用户诅咒和谩骂，也不愿意冒着高温热失控导致车辆起火爆炸的风险，去解决冬季低温环境的续航严重缩水的问题。

难道真的就没有解决的办法了吗？

其实从今年开始，国内的部分动力电池厂及整车制造商，已经开始在这方面持续的探索、测试并取得了一定的成绩（装车验证）。

首先，在动力电池包结构方面，明后两年原本异形结构的动力电池技术将逐渐的变成平板动力电池技术。原本在后座椅下面凸起或者做成“土”字形的动力电池总成将被逐渐淘汰。而纯平面的超薄方形电池技术和成品将逐渐普及并装车全面应用。

其次，动力电池总成的厚度也将控制在10-15mm左右，而容纳电芯的模组结构也将取消，取而代之的是电芯单体直接成组的结构（也就是宁德时代所宣传单CTP cell to pack结构）。随着动力电池总成结构的改变，热管理系统技术和控制策略也将发生根本的改变。

动力电池总成内部的电芯（单体）被侧向设定，电极一面将布置在电池总成的外侧并放置导热槽结构，确保一旦发生热失控的时候，能量流将通过导热槽的预设渠道释放至动力电池总成外部。同时，在电池单体之间通过气凝胶隔热（保温），避免或减缓电芯热失控后对旁边电芯影响，延长电池总成能量释放的时间，给乘员提供更长的逃生时间。

在高温热管理方面，除通过BMS（电池管理系统）多点监控电池温度的变化之外，平板式的“口琴管”结构将铺满整个动力电池总成上下表面，“口琴管”结构中间流通的冷却液通过主动式循环将多余的“热量”迅速的循环并由水冷板模组接入电动压缩机带来的“冷量”进行交换式主动冷却降温。

在低温热管理方面，除通过PTC模组加热冷却液（不超过35℃）让电池迅速升温之外，在热循环结构之上也同时采用了隔热性能良好的保温材料进行包覆。确保在极端低温环境之下尽量保持动力电池内部电芯的温度处于15摄氏度以上。而保温材料下层的“口尽管”结构也能够在夏季高温工况拥有迅速释放“热量”的能力，避免热失控的发生。

笔者有话说：

新能源情报分析网早在2006年开始追踪新能源技术军用化和民用化发展。由于在2014年之前，中国新能源未能形成完整、成熟且低成本的全产业链，以至于制约新能源车发展的动力电池技术不能很好地“通过市场手段”推广。2014年之后，中国开启新能源核心技术、整车应用及全产业链作为重要政策全速发展的新时期。

今天，通过各大动力电池厂及少数整车制造商的持续努力，在未来的两年之中，电动汽车不论是在续航里程还是在充电效率、亦或是冬季低温环境下性能保持等方面，将有发生非常巨大的变化。而在这些性能短板全部补齐之后，电动汽车与燃油汽车全面竞争的时代也将正式的拉开序幕。

至此，电动汽车目前的售价远比同级别的燃油汽车价格贵很多，凭什么跟燃油汽车直接竞争？关于这一点，笔者想说的是，全面竞争的开始一定是从高品牌附加值（比如说保时捷Taycan、特斯拉、奔驰、宝马、奥迪等等高溢价产品开始）开始与燃油汽车直接竞争，至于低价格的普及型产品要么集中在营运性质车型上，要么需要等到新能源汽车产业规模足够大，整体成本能够与燃油汽车抗衡的时候才会出现大面积替代的发生。

文/新能源情报网

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

4、新能源汽车的“高能动力电池技术”可以在哪些方面提高？

从探索改进电极及电池结构的设计方法、建立电池极化模型和仿真技术等方面入手，汽车动力电池的“瘦身健体”之旅仍在不断推进：

汽车动力电池的储能将有可能提高至400瓦时/公斤。

要让电池变成“肌肉型男”，在获得合理的正负极材料之余，还需要设计出可行的加工工艺。

着力全新的锂硫电池和锂空气电池的研究，它们的能量密度有望达到500瓦时/公斤。

被欧阳明高点名的科研项目获得了国家重点研发计划的支持，全名为“高比能动力电池的关键技术和相关基础科学问题研究”，该研究基于研究团队研制出的高容量富锂锰基的正极材料，汽车动力电池的储能将有可能提高至400瓦时/公斤。

近年来，在国家政策的大力扶持下，我国新能源汽车得到迅速普及，但“不敢去远郊区县”的“梗”至今难以理顺。打破500公里的单次行程极限将大大推动电动汽车的推广，然而汽车承载有限，如何在受限的体积内尽量多地储备电能成为科研攻关的关键目标。

该项目负责人、北京大学教授夏定国表示：“要进一步提高锂离子电池的能量密度, 正极材料的比容量是关键。”据夏定国介绍，针对正极材料的比容量，研究团队在前期工作基础上，深刻理解富锂材料稳定性机制以及阴离子氧化还原的产生机理，通过调控阴离子氧化还原机制来实现富锂材料性能的优化。

也就是说，团队首先遇到的问题是：阴离子氧化还原能力受什么“左右”？揭示这一规律将引导团队接近并找到性能优良的电极。团队还发现，在物质内部原子之间的几何结构会影响电子的结构，从而影响阴离子氧化还原的能力，研究明确了结构和效能的关系，并希望通过结构的设计改善电极材料的电化学性能。

“提高正极材料中的含锂量，让更多的阴离子稳定参与氧化还原反应是一个重要途径。”夏定国说，研制出高容量富锂正极材料，为进一步提高动力电池的能量密度提供了可能。项目组除制备出了一种高容量的富锂正极材料和两种高容量、高稳定富锂材料—碳复合材料外，还制备出了高容量的锂电池负极材料。

要让电池变成“肌肉型男”，在获得合理的正负极材料之余，还需要设计出可行的加工工艺。例如，富锂化合物在电极中需要很好地分散开来，既保持在体系中60%以上的含量，又不凝结为块状。分散越均匀，可逆性越好，充放电效率越好。

目前该电池还需进一步完善，夏定国介绍，仍存在“枝晶锂”制约新体系电池的进步及电池安全性这两个关键问题。相关实验显示，10—50次循环使用之后，电压衰减明显，电极也不起作用了。

“枝晶锂”是锂离子电池采用液态电解质所特有的，锂离子还原结晶成树枝样，并不断生长，到一定程度可能会刺破隔膜，科学家目前正在从两个角度寻求突破。一是包被涂层，二是研究固体电解质。

夏定国强调，“高能量密度锂离子动力电池的发展有待于电极材料、电解液及高安全性途径的发展，更有待于新的分析方法及电池制备技术进步”。

除了提高锂离子电池的能量密度使其达到400瓦时/公斤外，项目组还将着力全新的锂硫电池和锂空气电池的研究，它们的能量密度有望达到500瓦时/公斤。中国工程院院士陈立泉表示，锂空气电池是动力电池的发展方向之一，“现在大力发展的氢氧燃料电池，必须用金属罐子保障氢气使用时的安全，而锂空气电池（负极为空气中的氧气）只要一个榨菜袋子就可以了。从实用性、成本上来讲锂空气电池也应该发展”。

5、动力电池影响纯电动汽车的性能

随着新能源汽车行业的不断发展，纯电动汽车的保有量也是越来越高。根据数据统计，截止到2019年6月份，我国纯电动汽车保有量约281万台。所谓纯电动汽车，与传统燃油车最大的区别就是动力来源为电池组，而非燃油发动机。那么动力电池会影响车辆的性能吗？

从结构上来看，动力电池是纯电动汽车的能量来源，所以势必会影响到车辆的性能。动力电池能量密度的高低以及储电量的多少，会影响到纯电动汽车的续航里程。而且就生产成本来看，纯电动汽车动力电池占据整车成本的约30%~40%，所以动力电池生产成本的高低也会影响到整车的生产成本，从而影响售价。

就目前来看，我国纯电动汽车主要使用的是三元锂电池，部分车型搭载的是磷酸铁锂电池，而这两种电池均属于液态锂离子电池。作为液态锂离子电池，受温度影响比较明显，尤其是低温条件下内部的化学反应受到抑制，导致储电量下降，从而会影响到续航表现。而为了缓解这种状况，目前很多电池厂商已经开始着手布局固态电池。固态电池采用固体电解质，可以有效的避免液态电池在使用过程中发生的锂枝晶现象，而且温度工作范围更广，稳定性更强。

除此之外，像是比亚迪和宁德时代等电池厂商也在结构上进行了创新，比如比亚迪旗下的刀片电池，通过增加电芯长度等方式来提高磷酸铁锂电池的能量密度，并且降低了生产成本，使磷酸铁锂电池更具有市场竞争力，而宁德时代企业的CTP电池技术同样也是如此。不过这两种电池均属于结构上的创新，并未涉及到材料的革新。

所以由此不难看出，动力电池对整车性能的影响相当大，而最主要表现在就是续航里程和稳定性等方面。目前各大电池厂商对动力电池的研究依然在持续，相信在不久的将来，针对纯电动汽车所存在的里程焦虑问题也能够得到有效的缓解。不知大家是怎么认为的呢？

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

6、电动汽车动力电池漫谈-剩余电量是如何测量的

我们一般所说的动力电池指的是电动汽车或者电动两轮车、三轮车车载的，用于驱动车辆行驶的电池，即用作车辆动力的电池，主要区别于储能电池、低压供电电池等。

车载动力电 

其实动力电池的pack技术说简单也可以简单，说复杂也可以复杂。如果只是做出一个电池，能够为车辆提供要求的续航里程和功率，满足雨水浸泡和IP等级要求等，可以说是非常简单的。而难就难在如何保证10年以后，20万公里以后，电池的性能依旧。前者，我们叫做满足电池的功能要求，而后者我们叫做满足电池的可靠性要求。

动力电池PACK

如果是我们自己要做一个电池，首先就是要确定好电池的电压需要多少，一般是根据目标用电器的参数确定的。但锂电池的特性，导致在电池的使用过程中，当电池剩余电量不同的时候，对外表现的电压是不一样的。以某三元的电芯为例，当电池充满电的时候，电压一般是4.2v，而当电池电量放光的时候，电压则降到2.7v左右。

电池放电曲线

也正是根据此原理，市面上很多简易的锂电池电量显示器，有些是按百分比显示剩余电量，而有些是按格数显示电量。其原理就是，通过测量电池两端的电压，来近似的得到电池的剩余电量。这种方法其实不是很准确，因为锂电池在放电过程中，剩余电量的多少和电压的关系并不是线性的，实际上，三元电池能够较长时间工作在3.6v。因此我们一般把这个3.6v称作电池的电压平台，又或者称之为标称电压。

标称电压

所谓三元（NCM），指的就是电芯里面的三种材料镍，钴和锰，不同的配比可以表现出不同的性能，比如能量密度更高的，安全性更好的，成本更低的等。目前技术最成熟的是三元523体系，即三种材料的占比为5:3:2。另外，各个企业也在大力研发811体系的电芯，即80%的镍占比，也就是我们说的高镍三元，这种电芯的能量密度更大，但是安全性问题也更显著。

三种材料各自特点

除了三元以外，电动汽车常用的电芯材料体系还有磷酸铁锂。由于化学材料的不同，磷酸铁锂电芯的参数也略有差异，当电池充满电的时候，电压一般为3.6v，而当电池电量用光时，电压可以低到2v，磷酸铁锂电芯的电压平台低于三元电芯，常见的为3.2v。

磷酸铁锂和三元对比

既然说到根据电池的电压来推测电池的剩余电量是一个非常不准确的方法，那有没有别的办法呢。在电动汽车上，电池充放电剩余电量的计量方法很多，但最多的还是通过安时积分完成的。

所谓安时积分，就是把安在时间上进行积分。安是电流大小的单位，也可以说安培。欧姆定律告诉我们，在纯电阻回路中，电流的大小等于电压与电阻的比值。安时积分法，用白话说，就是用一个元器件一直测量回路电流的大小，每时每刻都在测（实务中可能是每隔数毫秒测量一次），每个时刻的电流大小已知，就能计算出整个使用过程中一共放出了多少电，充进了多少电，再叫上原来多少电知道，那当前有多少电不就也知道了吗：

现在电量 = 原来电量 - 消耗的电量 + 充进的电量。

现在账户的钱 = 原来兜里的钱 - 花掉的钱 + 赚到的钱。

分流器，测量电流大小

但是安时积分法仍然存在问题，比如，问题一：如上面所说，电量大小并不是连续计量的，而是隔着时间段的，虽然是毫秒间隔，但是时间久了还是会累计起较大的误差。其中一种解决办法就是电池充满电时进行校准，即当电池进行一个满充时，即便按上面的积分法显示只有95%的电量，也自动将电量校准到100%。因此，如果自己的电动汽车电量显示如果不太准，可以进行满充电一次，一般的电动汽车都有满充电校准电量的策略，是BMS自带的程序，无需人为操作。

现在账户的钱 = 原来账户的钱 - 花掉的钱 + 赚到的钱 - ~~~ + 赚到的钱 - 花掉的钱 = %&#？

现在账户的钱 = 使劲存到账户限额的钱 = 100%

满电校准

问题二，电池充电和放电的影响因素很多，充进去20%的电，不等于就可以放出20%的电。比如其中一个非常明显的影响因素就是温度，常温下充满了电，低温下可能放出的电量就会打折。这是因为低温下化学物质活性低，化学反应进行的速度慢，强度低。

低温降低续航

除了上面两个问题以外，还有其他许许多多的问题会影响电动汽车电池电量的显示准确性，实际上，现在电动汽车仪表上的剩余电量显示的精度能做到95%FSR已经很了不起了。不过即便如此，该方法还是远比直接利用电池的电压来衡量剩余电量要靠谱的多。

当然除了安时积分法以外，工程师们还想出了各种各样的方法来提高电量显示的精度，比如在安时积分法的基础上，利用环境温度，放电功率的大小等因素进行修正等。

现在账户的钱 = 原来账户的钱 - 花掉的钱 + 赚到的钱 + 因利息产生的钱 - 账户管理费

不过±5%FSR的精度已经是一个相当有用的数据，过分提高精度也得考虑是否必要和成本是否能接受，毕竟羊毛出在羊身上，最后买单的还是用户自己。

对于两轮车和三轮电动车而已，直接使用电压拟合的方式判定电量也无伤大雅，毕竟要考虑成本和使用场景。

@电车换电说，专门分享一些电动汽车，特别是电动汽车电池更换方面的信息和资料，感兴趣的读者可以关注哦！

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7、谁掌握着动力电池的核心技术

中国财政部12日发布消息，经国务院批准，财政部、工业和信息化部、科技部将组织实施新能源汽车产业技术创新工程，中央财政从节能减排专项资金中安排奖励资金，支持新能源汽车产业技术创新。三部门表示，此举旨在贯彻落实《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）的通知》，进一步提高新能源汽车产业技术创新能力，加快产业化进程。根据三部门日前联合发布并已正式实施的《新能源汽车产业技术创新财政奖励资金管理暂行办法》，新设的财政奖励资金将坚持“集中投入、重点突破”的原则，重点支持全新设计开发的新能源汽车车型及动力电池等关键零部件。支持对象包括新能源汽车整车项目（包括纯电动、插电式混合动力、燃料电池汽车）和动力电池项目两大类。三部门表示，申请奖励资金的企业应当具有较强的研发能力和产业化基础。其中，整车企业必须具备新能源汽车整车设计集成和持续开发能力，研发投入占主营业务收入不低于一定比例；动力电池企业应掌握核心技术，并具有较强的研发、生产和售后服务保障能力，拥有电池单体的知识产权。鼓励开展产学研联合技术攻关。

8、新能源汽车用动力电池有哪些类型？

有锂动力电池，镍氢充电电池，燃料电池等。

（1）锂动力电池

锂铁电池是2000年后由美国永备公司所推出来并得到成功市场化的新型绿色高能化学电源，在应用于需要的高能量高功率电源的电子设备和电动玩具方面，显示了非常优越的性能.在中等放电电流以上时，锂铁电池的放电时间可达碱锰电池的6倍左右；而与镍氢电池相比，其放电电压平台，储存时间具有显著优势。

（2）镍氢充电电池

利用镍氢电池可快速充放电过程，当汽车高速行驶时，发电机所发的电可储存在车载的镍氢电池中，当车低速行驶时，通常会比高速行驶状态消耗大量的汽油，因此为了节省汽油，此时可以利用车载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作，这样既保证了汽车正常行驶，又节省了大量的汽油。

（3）燃料电池 

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，他的正极是氧电极,负极是氢或碳氢化合物或乙醇等燃料电极。催化剂在正极催化氧的还原反应，从外电路向氧电极反应部位传导电子；在负极催化燃料的氧化反应，从反应部位向外电路传导电子。

电解液输送燃料电极和氧电极反应产生的离子，并且阻止电子的传递。电子通过外电路作功，并形成电的回路。只要燃料和氧不断地从装置外部供给电池，就有放电产物不断地从装置向外排出（氢氧燃料电池）。

(8)电动汽车动力电池技术扩展资料

动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。

其主要区别于用于汽车发动机起动的起动电池。 多采用阀口密封式铅酸蓄电池、敞口式管式铅酸蓄电池以及磷酸铁锂蓄电池。

2018年7月31日，新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台在北京启动运行。

参考资料来源：网络-动力电池