电化学储能在电动汽车中的应用分析

张云天

摘 要：电化学储能技术具有使用方便、反应快、配置灵活的特点，目前应用在电动汽车上的储能技术主要是电化学储能技术。该文根据电动汽车动力电池的性能需要，从能量、比能量、比功率、充电性能、安全性和成本等角度比较了现有的主要电化学储能技术，总结了铅酸电池、锂离子电池、钒液流电流和钠硫电池在电动汽车商业化中的应用现状，其中锂离子电池在纯电动车中应用最广，而铅酸电池主要应用在混合动力车和观光车、公交汽车中。最后指出现有的储能技术在比能量、比功率、充电速度、循环寿命次数、安全性和成本等方面仍然存在不足，还远远不能满足电动汽车的普及推广。

关键词：电动汽车 电化学储能 锂离子电池 铅酸电池

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（b）-0019-02

Abstract：Currently， the energy storage technology used in electric vehicles is mainly electrochemical energy storage technology， which has the characteristics of convenient operation， fast response and flexible configuration. Based on the performance requirements of electric vehicle power battery， this paper compares existing major electrochemical energy storage technology from the perspectives of the energy， specific energy， specific power， charging performance， safety and cost， and summarizes the application status of lead-acid batteries， lithium-ion batteries， vanadium flow current and sodium-sulfur batteries in the commercialization of electric vehicles. Among them， lithium-ion batteries are most commonly used in battery electric vehicle while the lead-acid batteries are mainly used in hybrid vehicle， sightseeing car and bus. Finally， this paper points out that existing energy storage technology is still insufficient in terms of energy， specific power， charging speed， cycle life times， safety and cost， which cannot meet the further promotion of electric vehicles.

Key Words：Electric vehicles；Electrochemical energy storage technology；Lithium-ion battery；Lead-acid battery

由于電能不能大量储存，而太阳能、风电发电又具有非常明显的随机性与不确定性，因而常常造成了新能源发电量的浪费；同时电网供电存在峰谷电价差异，因此利用储能装置来吸收系统“多余”便宜的电能，在需要时再重新利用，具有显著的经济价值，从而使得储能技术得到了广泛的关注和发展[1]。与此同时，由于能源危机，采用电能取代汽油燃料作为汽车动力，是未来交通发展的唯一长远解决方案。

在现有的储能技术中，电化学储能具有技术相对成熟、转换效率高、能量密度大、容量扩展方便，是解决电动汽车电源问题最有前途的技术。

1 电化学储能技术的发展现状

电化学储能是指通过发生可逆的化学反应来完成电能和化学能之间的相互转换，进而实现电能的存储和释放。电化学储能电池主要包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、氢镍电池、锌空气电池、燃料电池以及超级电容器，其中铅酸电池、锂离子电池、钒液流电池和钠硫电池是研究重点和热点[2]。

描述储能装置的主要技术参数有能量、功率、比能量、比功率、充放电倍率、循环寿命次数、转换效率和单位成本等，其中比能量、比功率是最重要的性能指标。比能量是单位体积或质量存储的能量，表示电动汽车的续航能力；比功率是单位质量电池所能提供的功率，表示电动汽车的加速性能和最高车速。同时，储能装置的经济性也是其发展的重要动力。表1给出了常用电化学储能技术的主要参数比较。

2 电化学储能技术在电动汽车中的应用

电化学储能技术最重要的民用领域就是电动汽车。其中铅酸电池技术较为成熟经济，是使用最广泛的储能电池。美国是全球铅酸蓄电池使用量最高的国家，中国也是制造和消费铅酸电池最多的国家。第一代电动汽车就是采用铅酸电池作为储能装置。但是由于铅酸电池的比能量和转换效率较低，不能满足电动汽车的长途、高速行驶的动力需求，所以常常作为旅游观光车、市内公共汽车和叉车上的电力电源。同时由于价格优势突出、性能稳定，铅酸电池常常被用来与其他动力源混合，应用于电动汽车。近期报道，美国在“下一代电动车”中将研制一种超级电池（UltraBattery），将超级电容器与铅酸电池并联使用（“外并”），进化为“内并”，将双电层电容器的高比功率、长寿命优势融合到铅酸电池中，造成高功率、高能量密度、长寿命，且成本低廉的超级电池[3]。可见铅酸电池的未来发展前景也非常值得期待。

目前市场上，锂离子电池被公认为性能最好，同质量的锂离子电池的能量是铅酸电池的4～6倍，是镍氢电池的2～3倍，并且地球上锂矿资源丰富，海水中也存在锂离子，未来可利用太阳能从海水中提取，基本没有原材料问题。但是其价格过高，且大功率锂电池存在不可忽视的安全性问题，这是电动汽车大规模应用的瓶颈。然而瑕不掩瑜，经过对锂电池的安全性、稳定性、寿命及成组技术的实验改进，目前国内外多数汽车厂家选择锂电池作为电动汽车的动力电池，表2给出了世界部分品牌电动汽车电池技术比较表。

钒液流电池能够快速大电流充电，可实现“瞬间充电”，还具有大电流深度放电，比功率大，比能量高特点，非常适合于作电动汽车的动力电源。钠硫电池的比能量，续航能力强，可高功率大电流放电，但对工作温度有一定要求。在目前技术水平下，这两类电池仍处于研究较短，距离商业化应用还有一段距离。

3 结语

电化学储能技术具有使用方便、反应快、配置灵活的特点，是目前最受重视的储能技术。应用在电动汽车上的电化学储能技术主要有铅酸电池、锂离子电池、钒液流电池、钠硫电池等。目前商业化应用最多的是铅酸电池和锂离子电池，钒液流电池和钠硫电池还处于实验室阶段。总体来说，这些储能技术在比能量、比功率、充电、循环寿命次数、安全性和成本等方面仍然存在不足，还不能使电动汽车与传统的燃油汽车媲美。还需要更先进的储能技术以获得更加理想的驾驶周期、行驶里程、驾驶体验和更低的成本。

参考文献

[1] 张坤，彭勃，郭姣姣，等.化学储能技术在大规模储能领域中的应用现状与前景分析[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（2）：54-59.

[2] 刘胜永，张兴.新能源分布式发电系统储能电池综述[J].电源技术，2012，87（4）：601-605.

[3] 宋永华，阳岳希，胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 电网技术，2011，35（4）：1-7.