王涛，韦秀磊，林秋丰，董小平

一种应用于电动汽车的复合电池能源模块

王涛1，韦秀磊1，林秋丰2，董小平1

（1．河北大学 质量技术监督学院，河北 保定 071002，2．国立屏东科技大学 工学院，台湾 屏东 000912）

就目前现有的电动汽车电池能源模块无法满足车辆实际性能需求的问题，提出了一种全新的电动车用电池能源模块，该模块是由锂离子电池与锌空气燃料电池进行配合组成的．首先分析了全球各个汽车企业就目前车用能源日趋紧张问题所提出的不同解决方案，指出了电动汽车发展前景乐观；其次，分析了应用于纯电动汽车的电池能源模块存在的瓶颈，提出了一个全新的电动车用电池能源模块的构想；然后，对该动力电池能源模块的优势进行分析，指出了该模块未来应用于电动汽车上的可行性；最后，就下一步开发该模块所要做的具体工作进行了介绍．

电动汽车；锂离子电池；锌空气燃料电池

近年来，因能源的过度消耗致使国际油价逐年上升，直接冲击了经济发展的进程．根据美国国家能源技术实验室数据显示，全世界约有55%的石油被交通运输所消耗；因此，为了达到节能减排的目的，各国相继提高车辆燃油消耗标准，并通过强制性法律法规控制能源的过度消耗．

1 电动汽车的发展前景

为解决本世纪车用能源紧张问题，全球汽车企业提出了不同的解决方案．在过去的几年内，世界主要汽车生产企业所开发的电动汽车，绝大多数还是以混合动力汽车为主，其中以TOYOTA Prius最受到市场的关注［1］，HONDA，FORD，GM等汽车公司也相继开发了混合动力汽车［2－4］．目前，Tesla公司已成功研发了一款搭载镍氢电池的纯电动跑车，因锂离子电池的性能优于镍氢电池，所以各大汽车企业开始尝试应用锂离子电池，Tesla公司下一步将继续研发搭载磷酸铁锂电池的电动汽车，宝马公司所开发的电动汽车也是采用锂离子电池，近两年，各大汽车企业所开发的电动汽车以插电式混合动力汽车为主，电池则以锂离子电池为主．因混合动力汽车还是会消耗石油，产生污染排放．因此，在现阶段车用电池技术已取得有效突破之际，各国汽车企业积极响应目前环保议题，大力发展电动车辆，电动汽车的发展前景逐步被看好．

2 电动车用电池能源模块的瓶颈

在纯电动汽车的开发中，所涉及的关键技术主要有电池模块、电机模块、控制器以及轻量化车体．其中，以电池模块最为关键，因为它直接影响着电动汽车的性能、成本以及安全．目前，搭载在电动汽车上的电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及锌空气燃料电池等［5］，其中，铅酸电池具有技术成熟、安全且价格低的优点，但能量密度、功率密度、寿命等方面存在严重不足，因此，不适合在电动汽车上使用；镍氢电池在性能上比铅酸电池具有显著优势，但其性能和成本上仍然无法满足纯电动车的性能需求；锂离子电池的功率密度、能量密度优于镍氢电池，因此，目前电池发展趋势逐渐偏向锂离子电池［6－9］．然而，因锂离子电池技术仍未成熟，仍有相当大的研发空间，各国还在投入大量的经费进行开发．锌金属燃料电池具有能量密度高且安全，成本也仅略高于铅酸电池的1倍．放电后的锌变为氧化锌不仅环保、易回收，且仍具有经济价值，再加上我国在锌和石墨的储量丰富，因此，该电池具有先天的资源优势．另外，近几年，通过采用最新的纳米材料技术，锌－空气燃料电池的发展突飞猛进，预期在未来几年，实际可用的比能量可上升至理论值1 316 Wh／kg左右，远比目前现有的电池都高出许多，故极适合应用在对续航里程及输出需求功率较高的电动汽车上，然而，该电池功率密度较低，因此，可通过搭配二次电池以弥补其性能存在的缺陷．

到目前为止，单一类型电池还是无法满足纯电动汽车实际的动力性及行驶里程需求，所以，除了采用油电混合的方案之外，还可采用电电混合的方案，也就是说，为车辆上的驱动电机提供电力的是2个具有不同特性的电池混合模块，通过取其各自优点以使电池模块的整体性能符合电动车辆所需的能量模块，从而实现功能上的互补，满足车辆的性能要求．美国圣地亚哥曾对搭载锌空气燃料电池的纯电动公交车做过改装，因锌空气燃料电池无法进行大功率输出，所以采用加装一组Ni－Cd电池，弥补燃料电池的不足．为了弥补燃料电池功率密度低的缺点，还有采用与能量密度及功率密度较高的超级电容相匹配［10］，类似的还有将太阳能电池与超级电容结合起来的电池能源模块［11］；其中，最常见的模块还是超级电容与二次电池的组合［12］．可是，因超级电容的成本较高，在组合后，虽在性能上满足使用需求，但不具备实现商业化上的可行性．

3 锂离子电池及锌空气燃料电池能源组合模块

通过对上述各种电池的特性进行分析，对比目前市面上的各种电池性能与价格，如表1所示，本文提出了利用功率密度较高的锂离子电池与能量密度较高的锌空气燃料电池进行性能上的匹配，构成一个全新的电动车用电池能源模块．锂离子电池可满足车辆行驶时动力性所需要的功率要求，锌空气燃料电池则主要满足车辆行驶里程所需要的能量要求．

表1 锌空气燃料电池与其他主要电池性能与价格之间的比较Tab．1 Property and price between zinc air fuel battery and other main batteries

该电池模块应用在纯电动汽车上的能量传递路线图，如图1所示；该电池模块在能量输出的分配上，如图2表示，在上坡及加速路段，锌空气燃料电池与锂离子电池共同为电机提供能量以满足车辆行驶时所需功率要求；在平坦路段时，由锌空气燃料电池单独为电机提供能量；在下坡路段，通过制动电机可为锂离子电池模块回收部分能量，同时，在监测到锂离子电池SOC不足的时候，锌空气燃料电池也将为锂离子电池进行补电；在车辆停止时，当电池管理系统监测到锂离子电池SOC不足时，锌空气燃料电池将对锂离子电池进行充电．

图1 纯电动汽车能量传递路线Fig．1 Power flow in pure electric vehicle

该组合模块可认为是目前所提出的车用能源模块当中较佳的选择，兼顾了单一电池在能量密度以及功率密度等方面存在的不足，同时解决了目前电动车在动力性差、行驶里程短等不足，大大降低锂离子电池数量，避免了因大量使用锂离子电池而造成的电池能源模块成本升高及安全性风险等问题．相比较圣地亚哥市公交车计划所使用的二次电池是Ni－Cd电池，本文所提出的电池能源模块在使用特性上与之有相当大的差异，Ni－Cd电池有废弃污染的问题，不值得推广．因此，本文所提出的电池能量模块将比美国圣地亚哥大巴士计划更具有优势，它将进一步促使纯电动汽车成为下一代主要的交通工具成为可能．

图2 锂离子电池与锌空气燃料电池能量管理策略Fig．2 Energy management strategy of zinc air fuel battery ＆lithium ion battery

本模块的优势有4点：第一，在性能上，因传统电池无法同时兼顾能量密度及功率密度的要求，导致无法满足车辆动力性及续驶里程要求，本文所提出的电池能源模块，其总体性能与目前全球汽车企业所搭载的电动汽车电池模块相比较，如图3所示，该模块的规格参数已接近日本NEDO（负责日本能源政策的规划以及推动）官方设定的在2020年拟达到的目标．第二，在安全性上，本文所提出的电池能源模块将大大降低锂离子电池的数量，避免因锂离子电池大量使用而造成自燃的风险．第三，在成本上，本文所提出的电池组合模块，锌空气燃料电池的成本远低于锂离子电池，整个组合能源模块的价格将会是目前单独使用锂离子电池模块同等规格的1／7，因此，该模块降低了电池的购买成本，提升了商业化的可行性．第四，执行本方案对减少我国车辆石油资源的消耗、减轻温室效应等方面具有明显的效果．

图3 所规划的能源模块与目前各种电动车能源模块规划目标的比较Fig．3 Power module planed compared with current other power modules

4 结论及展望

1）本文主要为现阶段重点发展的纯电动汽车规划了一套具备安全、低成本且能够满足车辆性能需求的动力电池组合模块方案．该方案综合了2种电池自身特性，可在满足车辆实际动力性和续驶里程的需求下，使车辆能源模块的成本最低．

2）下一步将开发一个针对二者电池进行匹配的能量管理控制器，依照车辆运行时所需要的功率，由该模块判断这两组电池是单独工作还是共同配合为电动车辆输出电量；同时，在车辆行驶当中，以维持锂离子电池的SOC在最佳区域内，以延长锂离子电池的使用寿命．

3）为验证所建立的电池能量模块以及电池能量管理系统的可行性，还需建立一台搭载锂离子电池与锌空气燃料电池的电动车辆实验平台，对车辆整个系统运行的相关特性进行研究，并测试能量管理模块的性能．

［1］ Toyota Motor Corpration．Toyota Hybrid System：THS－II［DB／OL］．（2007－02－26）［2011－05－26］．http：／／www．toyota．co．jp．

［2］ HIROHISA O，MASATO M，TAKAHIRO E．Development of a power train for the hybrid automobile－the civic hybrid［J］．SAE transactions，2003，112（3）：373－384．

［3］ Ford Motor Company Ford hybrid syslem［DB／OL］．（2007－02－26）［2011－05－26］．http：／／www．ford vehicles．com．

［4］ YUTAKA U N，TERUO Z，LONG I，et al．High Fuel Economy CIDI Engine for GM PNGV Program［Z］．SAE 2002 World Congress ＆Exhibition Technical Papers，Detroit，2002．

［5］ 王金良．国外民用电池生产工艺技术现状与趋势［J］．电池工业，1996，1（1）：17－20．

WANG Jinliang．Present status of development of civil batteries production process abroad［J］．Battery Industry，1996，1（1）：17－20．

［6］ CROWELL J．Battery arrays，rechargeable Li－ion battery power sources for marine applications［J］．Proceeding of MTS／IEEE on Oceans，2005（1）：56－51．

［7］ BRODD R J．Performance of valence Li－Ion polymer batteries［Z］．Proceeding of the 13th Annual Battery Conference on Applications and Advances，Long Beach CA；1998．

［8］ LIU Y H，LI J C，TENG J H．An FPGA－Based Lithium－Ion Battery Charger System［Z］．2004 IEEE Region 10 Conference，Chiang Mai，2004．

［9］ 李振玲，商国华．21世纪电动车用电池的发展与展望［J］．摩托车技术，2001（1）：21－24．

LI Zhenling，SHANG Guohua．Development and outlook of EV batteries in the 21st century［J］．Motorcycle Technology，2001（1）：21－24．

［10］ ADAM W，THOMAS S，CYRUS A．An ultracapacitor circuit for reducing sulfation in lead acid batteries for Mild Hybrid Electric Vehicles［J］．Journal of Power Sources，2006，156（2）：755－762．

［11］ 程杰，张文峰，张浩．高比能量电化学电容器及材料的进展［J］．电池，2008（5）：317－321．

CHENG Jie，ZHANG Wenfeng，ZHANG Hao．Progress in high specific energy electrochemical capacitor and its material［J］．Battery Bimonthly，2008（5）：317－321．

［12］ 刘春娜．超级电容器应用展望［J］．电源技术，2010（9）：15－18．

LIU Chunna．Application prospect of super capacitor［J］．Chinese Journal of Power Sources，2010（9）：15－18．

（责任编辑：孟素兰）

A hybrid battery energy module for electric vehicles

WANG Tao1，WEI Xiu－lei1，LIN Chiu－feng2，DONG Xiao－ping1
（1．College of Quality Technology and Supervision，Hebei University，Baoding 071000，China；
2．School of Engineering，National Pingtung University of Science and Technology，Pingtung 000912，China）

The existing battery ower module for electric vehicle can not meet the actual vehicle performance requirements．A new battery power module is carried out in this paper，which is composed of the li－ion batteries and zinc－air fuel cell．Firstly，the different solutions about the vehicle energy short supply are proposed by the global automobile companies．The prospective of electric vehicles becomes optimistic．Secondly，the bottle neck for power battery module applied in pure electric vehicle is analyzed．A new battery power module for electric vehicle is put forward；then，the advantage of the power battery energymodule is analyzed，the feasibility of the module used in electric vehicles is pointed out in the future．Finally，the next specific work on the development of the module is introduced．

electric vehicle；li－ion battery；zinc air fuel cell battery

U469．72

A

1000－1565（2012）04－0429－05

2012－03－20

河北省教育厅项目（2011206）；河北大学自然科学研究计划（2011－208）；2012年度河北省人社厅留学人员科技活动项目；台湾国科会计划项目（NSC 100－3113－E－020－001）；河北省自然科学基金（E2013201）

王涛（1982－），男，山东泰安人，河北大学讲师，博士，主要从事新能源电动汽车关键技术研究．E－mail：taowangustbntu＠sohu．com

林秋丰（1964－），男，台湾人，屏东科技大学教授，主要从事电动汽车永续能源系统的方向研究．E－mail：chiufeng＠mail．npust．edu．tw．