电动车辆动力电池要求及技术

（1）电动车辆驱动力的主要影响因素

电动车辆（这里指混合动力汽车、纯电动汽车和混合动力有轨电车）由动力电池组输出电能给驱动电机，驱动电机输出功率，这些功率用于克服电动车辆本身的机械装置内阻力以及由行驶条件决定的外阻力，实现能量的转换和车辆驱动。

电动车辆机械传动装置指与驱动电机输出轴有运动学联系的减速齿轮传动箱或变速器、传动轴及主减速器等机械装置。机械传动链中的功率损失主要有齿轮啮合处的摩擦损失、轴承中的摩擦损失、旋转零件与密封装置之间的摩擦损失，以及搅动润滑油的损失等。

电动车辆行驶方程式为：

F_t=F_f+F_w+F_i+F_j （7-1-2）

式中，F_t——驱动力，单位为N；

F_f——滚动阻力，单位为N；

F_w——空气阻力，单位为N；

F_i——坡度阻力，单位为N；

F_j——加速阻力，单位为N。

可见，车辆的驱动力应与其行驶阻力平衡。

电动车辆的滚动阻力

F_f=mf （7-1-3）

式中，m——汽车质量，单位为kg；

f——滚动阻力系数。

电动车辆的空气阻力

式中，C_D——空气阻力系数；

A——迎风面积，单位为m²；

u_a——电动车辆的行驶速度，单位为m/s。

电动车辆的坡度阻力

F_i=Gsinα （7-1-5）

式中，α——坡角，单位为（°）。

电动车辆的加速阻力

式中，δ——电动车辆的旋转质量换算系数；

m——电动车辆的质量，单位为kg；

——行驶加速度，单位为m/s²。

（2）电动车辆对动力电池的能量和功率需求

驱动车辆所需的功率为：

P_v=u_a（F_f+F_w+F_i+F_j） （7-1-7）

动力电池组所需功率为：

P_B=P_v/ε_Mε_E （7-1-8）

式中，ε_M——电动车辆传动系统机械效率；(www.xing528.com)

ε_E——电动车辆电气部件效率。

纯电动车辆行驶完全依赖动力电池组的能量，动力电池组能量越大，可实现的续驶里程越长，但动力电池组的体积、重量也越大。纯电动道路车辆要根据设计目标、道路情况和运行工况的不同来选配动力电池。具体要求归纳如下：

1）动力电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过1C，典型峰值放电一般不超过3C。如果电动车辆上安装了回馈制动装置，则动力电池组必须能接受高达5C以上的脉冲电流充电。

2）动力电池要能实现深度放电（如80%DOD）而不影响其使用寿命，必要时能实现满负荷功率和全放电。

3）需要安装电池管理系统和热管理系统，显示动力电池组的剩余容量并实现温度控制。

4）由于动力电池组的体积、质量大，动力电池箱的设计、动力电池的空间布置和安装问题都需要根据整车的空间、前后轴荷的配比进行具体设计。

（3）新能源汽车对动力电池的能量和功率需求

与纯电动汽车相比，混合动力汽车对动力电池的能量要求有所降低，但要能根据整车要求实时提供更大的瞬时功率，即实现“小电池提供大电流”。由于混合动力汽车构型的不同，串联式和并联式混合动力汽车对动力电池的要求又有差别。

1）串联式混合动力汽车完全由电动机驱动，内燃机-发电机与动力电池组一起提供电动机需要的电能，动力电池SOC处于较高水平，对动力电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要求小，功率特性要求根据整车需求与动力电池容量确定。总体而言，动力电池容量越小，对其大倍率放电的要求越高。

2）并联式混合动力汽车内燃机和电动机可直接为车轮提供驱动力，整车的驾驶需求可通过不同的动力组合来满足。动力电池组瞬时提供的功率要满足汽车加速或爬坡要求，动力电池的最大放电电流有时可达20C以上。

插电式混合动力汽车（PHEV）在应用上期望纯电动工作模式的续驶里程达到40km以上，且兼具混合动力驱动功能，因此要求动力电池兼顾纯电动和混合动力两种模式。同时，由于在应用模式上是在纯电动行驶到电量不足时，才启动混合动力驱动工况，这就需要动力电池组在低SOC时也能提供很高的功率。

现有的燃料电池电动汽车由于燃料电池功率密度较低，一般采用与动力电池共同驱动的方式对外输出电能。在燃料电池与动力电池连接方式上，也有并联和串联两种形式，这类车型对动力电池性能的要求与混合动力汽车相似。

（4）电动车辆用动力电池的评价参数

电动车辆对动力电池组的主要要求如下：

1）比能量高。高能量对电动车辆而言，意味着更长的纯电动续驶里程。作为交通工具，延长续驶里程可有效提升车辆应用的方便性，并扩展适用范围。为提高电动车辆的续驶里程，要求动力电池组尽可能多的储存能量，但电动车辆又不能太重，其安装动力电池组的空间也有限，这就要求动力电池组具有高比能量。

2）比功率大。为使电动车辆在加速、爬坡和负载等方面能与燃油汽车相竞争，就要求动力电池组具有高的比功率。长期大电流、高功率放电对动力电池组的使用寿命和充放电效率会产生负面影响，甚至影响动力电池组使用的安全性，因此在功率方面还需要一定的功率储备，避免让动力电池组在全功率工况下工作。

3）充放电效率高，循环寿命长。动力电池组中能量的循环必须经过充电—放电—充电的快速充放电循环过程，高充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。要求充电技术成熟，充电时间短，且动力电池组的循环寿命不低于1000次。

4）使用成本低。除降低动力电池组的初始购买成本外，还要提高动力电池组的使用寿命以延长其更换周期。

5）安全性好。动力电池组不允许自燃，在发生碰撞等事故时，不会燃烧，不会对乘员造成伤害。

6）工作温度适应性强。电动车辆的应用一般不受地域限制，在不同的空间和时间应用，需要电动车辆适应不同的温度。仅以北京地区的车辆应用为例，北京夏季地表温度可达50℃以上，冬季可低至-15℃以下，在该温度变化范围内，动力电池应可正常工作。这就需要动力电池具有良好的温度适应性。在进行动力电池系统设计时，一般需要设计相应的冷却系统或加热系统，以保证动力电池的最佳工作温度，解决动力电池的温度适应性问题。

7）可回收性好。按照动力电池使用寿命的标准定义，动力电池在其容量衰减到额定容量的80%时，确定为寿命终结。随着电动车辆的大量应用，必然出现大量废旧动力电池的回收问题。这就要求动力电池正负极及电解液等材料无毒，对环境无污染，动力电池内部各种材料可回收再利用。动力电池的再利用还存在梯次问题，将按照实际容量衰减至额定容量80%以下标准淘汰的动力电池组转移到对动力电池容量和功率要求相对较低的领域继续应用。

动力电池最重要的特点就是高功率和高能量。高功率意味着更大的充放电强度，高能量表征更高的质量比能量和体积比能量。这两个指标的要求其实是矛盾的，为提高功率就要提高充放电电流，动力电池结构要求设计为增大等效的反应面积和减少接触阻抗，要求增大体积和质量，从而降低比能量。动力电池系统需要按照最优化的整车设计应用指标设计。

2010年，我国工业和信息化部颁发了先进动力电池系统的规格和等级：

工作温度为-20～55℃。

储存和运输温度为-40～80℃。

比能量≥90W·h/kg（以动力电池组总体计）。

最大放电倍率≥5C。

最大充电倍率≥3C。

循环寿命≥2000次（单体），1200次（系统）。

美国能源部（DOE）/新生代汽车联合体（PNGV）对混合动力汽车用动力电池的性能要求见表7-1-6。

表7-1-6 美国能源部（DOE）/新生代汽车联合体（PNGV）对混合动力汽车用动力电池的性能要求