贺伊琳，苏楠，鹿静，王栋梁

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.056



陕西省电动汽车动力电池产业发展技术路线研究

贺伊琳，苏楠，鹿静，王栋梁

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.056

摘 要：随着工业化进展，汽车数量大幅增加，随之而来的是环境污染和能源危机，电动汽车绿色环保，且不会对石油能源造成压力，已成为当今世界研究的热点。动力电池是电动汽车的核心技术之一，其发展直接影响电动汽车的性能，因此，提高动力电池的技术水平对促进电动汽车技术的进步具有重要意义。文章首先论述国内外动力电池的发展现状，对每种电池的性能进行比较，其次基于SWOT理论对目前陕西省动力电池产业进行分析，最后结合陕西省现状对该省电动汽车动力电池发展的技术路线进行研究，明确发展目标，提出关键技术与研发重点内容，对陕西省动力电池技术今后的发展具有重要理论意义与指导作用。

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-157-03

引言

动力电池是电动汽车的核心部件之一，大力发展动力电池对推进电动汽车技术的进步具有重要意义。国外动力电池技术较为先进，整体水平高于国内；国内动力电池虽起步晚，但近几年深受国家重视与支持，目前已取得了一定的成效。然而，目前使用较多的几种电池都存在不同程度的缺陷，仍需不断完善；同时考虑到现阶段陕西省对动力电池产业核心技术的掌握不足，创新能力较弱，针对该省具体情况对动力电池技术发展路线的研究较少。因此文章基于SWOT分析理论，结合该省现状拟研究特色发展路线，以强化薄弱环节，突破核心技术，提高动力电池的比能量、比功率和安全性为目标，不断推动陕西省动力电池产业技术的进步。

1、国内外动力电池产业发展现状及趋势

1.1 国外动力电池产业科技发展现状及趋势

国外对锂离子电池的研究已经持续了几十年，技术较成熟，日本和韩国在该方面起步较早，韩国三星公司生产的三元体系锂离子电池，使用寿命达1800次，能量密度达110Wh/kg。

日本松下公司研发的钴酸锂电池，单体电压为3.6V，能量密度为125Wh/kg，循环寿命为1500次。

美国和加拿大掌握较多燃料电池技术。通用汽车新一代燃料电池只采用了30g铂金，大大降低了燃料电池的制造成本[1]。

1.2 国内动力电池产业科技发展现状及趋势

我国动力电池研制起步较晚，但近年来我国大力支持发展动力电池产业，投入了大量资金，也取得了一定成效。

深圳雷天公司研发的TS-LFP7000 AHC 型锂离子动力电池容量为7000 AH，为目前全球已知的单体容量最大的锂离子动力电池[2]。除此之外，在锂离子动力电池的安全性方面也加大研究力度，对电池整体设计、正负极材料、电解液及其添加剂改进和电池保护电路等方面都进行了非常深入的研究，并将研究结果运用到实际生产中。

比亚迪公司的磷酸铁锂电池，用220V民用电源充电 15分钟可达其额定容量的80%，且电池系统安全性好、可靠性高。

2、动力电池的性能研究

目前使用较多的动力电池主要包括铅酸电池、镍镉电池、空气电池、镍氢电池、钠硫电池和锂离子电池，从实际应用中看，电动汽车动力电池的性能主要由比能量、比功率、循环寿命等因素决定。上述电池性能的研究结果如表1所示。

表1 电池性能对比

铅酸电池成本低，但质量相对较大，大电流充放电会对其造成不可逆转的损坏，除此之外，铅酸电池电解质中含有毒金属铅，且在碰撞时可能会产生爆炸，安全性不高。

镍镉电池技术相对来说较为成熟，性能稳定，允许大电流工作；但效率较低，电解质的利用率也低，且具有记忆效应，除此之外，和铅酸电池一样含有重金属，污染环境。

金属空气电池氧化钾取于空气中的氧，具有比能量较高、成本低、绿色环保的特点，且工作时对周围环境温度要求较低；但金属空气电池的比功率较小，且空气中的二氧化碳会和水会生成碳酸中和氢氧化钠电解液，对工作性能带来负面影响[3]。

镍氢电池的比功率和安全性较高，且对环境无污染；然而镍氢电池具有轻度记忆效应，对工作环境温度要求较高，必须在低温环境下工作。

燃料电池能量转化效率高，可靠性高；然而燃料电池在工作时，内部的反应是不可逆的，物质不可重复利用，且目前采用燃料电池的电动汽车续驶里程很难进一步提高[4]。

锂离子电池成本高，高温稳定性差；但锂离子电池比能量和比功率都较大，循环寿命长。综上所述，随着技术的不断发展，锂离子电池具有较好的发展潜力和前景。

3、陕西省动力电池产业技术路线研究

3.1 陕西省动力电池产业SWOT分析

（1）优势（Strength）

陕西省地处中西部地区，是西部动力电池发展的领头军，高校和研究机构众多，研究动力电池人员的数量也较多，且人力成本较低，工业体系相对完整，有利于生产成本的降低。同时，陕西省大多是国有企业开发和研究动力电池技术，能较好的得到政府的扶持。

（2）劣势（Weakness）

陕西省对于核心技术的掌握较少，落后于世界先进水平，在技术创新方面的能力也相对较弱，只停留在改进的层面上。除此之外，能够用于支持研发动力电池的资金不充足，落后于其他地区。

（3）机会（Opportunity）

动力电池是制约电动汽车发展的瓶颈，因此在电动汽车的发展过程中，动力电池的研究水平得到了很高程度的重视。同时，陕西省有电动汽车整车企业，有利于动力电池在整车上进行安装、试验、信息反馈、推广及认可。

（4）威胁（Treat）

部分跨国企业技术先进、产品较为成熟的动力电池逐渐进入中国，而陕西省在此方面的技术还相对落后，不足以与之抗衡，容易导致跨国企业产品垄断陕西省动力电池产业市场。

3.2 陕西省动力电池产业技术路线制定

（1）发展思路

动力电池技术的发展直接关系着电动汽车的发展，动力电池研发的重点在于比功率、比能量、安全性、使用寿命和成本几方面。目前发展的共同方向是，开发可靠性更高的电池材料，建立电动汽车动力系统技术平台，研发出比能量高，安全性好的电池系统。

（2）发展目标

明确电动汽车产业需求，有针对性地为不同车型搭载不同性能的电池，依据乘用车轿车和商用车运行工况的不同，着力为乘用车研发高比功率、具有超长寿命的动力电池，而为客车研发高比能量、低成本的动力电池。

力争超出国家对动力电池的基本要求，即到2020 年动力电池系统的比能量达到200Wh/kg，单体电池的比能量达到300Wh/kg。

掌握具有自主知识产权的核心技术，提高自主发展能力。综合考虑经济效益和社会效益，在产品性能与成本之间寻求最佳平衡点，提高动力电池产业规模，实现电动汽车与动力电池的配套生产。

（3）重点任务

突破动力电池的核心技术，提高动力电池比能量的同时不忽略安全性能，研制出新型可靠性高的正负极材料。

将工作的重心放在完善动力电池的产业链方面，持续深入对电池管理系统进行研究，以保证动力电池为电动汽车的发展提供更好的基础。

由于锂离子电池的比功率较大，而锂离子电池所用材料稳定性较差，重点研究正极和负极材料的选择和制备工艺，改善电解液及其添加剂，加大对动力电池的安全性研究。

（4）关键技术

动力电池产业的关键技术包括电池组的热管理、电池组的能量管理及电池安全性三大方面[5]。

电池温度过高时，会产生一系列副反应，甚至引发安全事故；但温度过低，又会造成电池容量的明显降低，同样会造成安全隐患。因此，热管理系统根据温度监测结果，在电池组温度较高时对电池进行散热，温度较低时对其进行加热，保证电池的安全性和容量，同时，保证电池组中处于不同位置的电池温度差在一定范围之内，使电池保持在最优工作状态。

电池组的荷电状态SOC、健康状态SOH和功能状态SOF与电动汽车的运行情况密切相关。单体电池在电压、容量和内阻等方面不可避免地存在一定的差异，若不及时纠正，差异将越明显，这会大大降低动力电池的放电能力，因此必须保持单体电池状态一致。

动力电池的电压较高，应对电池的安全性给予高度重视，需研究一种可以对电池箱体与车体等电位进行检测的有效方法，及时发现短路、漏电等问题，防止触电事故的发生。

（5）研发重点

锂离子动力电池作为陕西省动力电池的主要研究对象，具有比能量大，自放电小，循环寿命长等优点，可将研发重心放在改善正极材料、负极材料和电解液品质三方面。

对于正极材料，在镍钴锰（NCM）三元材料中，随着镍含量增加，电池的比能量也随之提高。低钴、高镍的镍钴锰系三元材料是主要发展方向，使镍、钴、锰三种元素的比例沿1:1:1至5:3:2 至6:2:2至8:1:1的路径发展，即研究111 型→523 型→622型→811型三元材料[6]。

钛酸锂作为负极材料能大大缩短电池充电时间，应加大对该类负极材料投入研究，突破该类材料作为负极的技术难题，改善结构设计和其导电性。

电解液本身的性能好坏及其与正负极材料之间的相互作用与电池的性能有着直接的联系[7]。其主要发展目标是降低价格、减小毒性以及提高电池的安全性和电化学性能。有关这方面的研究主要集中在新型导电锂盐的开发和能够改善电解液性能的新型有机溶剂的开发两方面。

综上所述，制定陕西省动力电池技术发展路线图如图1所示。

图1 技术路线图

4、结语

（1）对不同种类动力电池的性能进行研究，找出各自的优点与缺陷，结合当前发展状况与技术水平，指出锂离子动力电池是未来的研究重点；

（2）基于SWOT理论对陕西省动力电池产业发展进行分析，结合具体现状，在电池组的热管理、能量管理、正负极材料与电解液的配制等方面做了大量研究工作，提出动力电池技术的发展路线；

（3）然而，本文仅做了技术层面的研究工作，缺少政策性研究，后续可给出动力电池发展的政策建议及实施措施。

参考文献

[1] 李建秋,方川,徐梁飞.燃料电池汽车研究现状及发展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):17-29.

[2] 陈新传,宋强,吕昊.国内外锂离子动力电池发展概况及启示[J].船电技术,2011, 31(4):1-7.

[3] 董超,刘玉国,宋微.基于专利分析的我国动力电池产业发展研究[J].现代情报，2014,34(6）:132-138.

[4] Shigeaki M, Masahiro I, Shigeki H, et al. Vertically aligned carbon nanotube electrodes for high current density operating proton ex-change membrane fuel cells[ J]. Power Sources, 2014, 253: 104–113.

[5] 孙波.动力锂电池组能量管理系统的设计与研究[D].重庆:西南大学,2013.

[6] Chao Hua. Amultiscale framework with extended Kalman filter for lithium-ion battery SOCand capacity estimation [J]. Applied Energy, 2012 (92): 694-704.

[7] 任岩,文焱,连芳. 锂离子电池高电压电解液的研究现状[J].化学通报,2015, 78(2):107～112.

The Research onTechnicalRoute of Battery forElectric Vehicle in Shaanxi Province

He Yilin, Su Nan, Lu Jing, Wang Dongliang
( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Abstract:With the development of industrialization, there appears a significant increase in the number of cars, followed by environmental pollution and energy shortage, Electric car isenvironmentally friendlyand will not have pressure on oil, and then it have become a hot spot in today. The battery is the core technology of electric vehicles, the development of power battery directly affects the development of electric vehicles. Therefore, improving the technological level of battery power is important to promote the development of electric vehicle.

Thispaper discusses the status of the development of battery powerat home and abroad and makes an compare of some types of batteries. Shanxi provincepower battery industry is introduced based on SWOT.Finally, studying the Shanxi Province technical route of electric vehicle battery development with its status, clearing development objectives, proposing key technology and exploring important spot,thiswill havegreat theoretical significance and guidance on future development of battery technology in Shanxi Province.

Keywords:Shaanxi Province; Electric vehicles; Power battery; Technical route

中图分类号：U469.7

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-157-03

作者简介：贺伊琳，就职于长安大学汽车学院。

关键字：陕西省；电动汽车；动力电池；技术路线