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电动汽车留给镍氢电池的时间还有多久?

来源:ind4汽车人 2017-09-11 09:48:50
 镍氢电池(Ni-MH)曾经在电动汽车(主要是HEV)应用中有着统治性的地位,占据了电动车80%以上的市场份额,搭载镍氢电池的HEV全球累计销售量也超过1000万辆。特别是以丰田Prius为代表的HEV车型,以良好的经济性、舒适性、安全性获得了普遍的市场认可。而随着PHEV、BEV的普及,锂电池已经完全取代了镍氢电池的市场地位,在投入动力领域应用后的短短几年里就成为了电动汽车最主要的动力储能单元。而镍氢电池在仅有的HEV领域也面临着锂电池的挑战。不仅第四代Prius推出了搭载锂电池和镍氢电池的两个版本(锂电池版本的Pack重24.5Kg,电压207.2V,由56个3.6Ah的Cell串联/镍氢电池版本的Pack重40.3Kg,电压201.6V,由168个6.5Ah的Cell串联):

Prius Prime版本还采用了锂电池实现了Plugin功能,由288个Cells(32cells*3stacks*3packs)组成345.6V的电池系统:

那么镍氢电池在电动汽车领域是否还有机会呢,还是将完全被锂电池取代。若要回答这个问题我想在技术上大致需要从电芯特性和集成控制方式两个方面做进一步了解。

1.电芯特性

能量/功率密度

镍氢电池有着不错的功率密度,1.3度电的Pack就可实现20多千瓦的输出,使其足以满足车辆的功率需求。但镍氢电池能量密度一般在40~70wh/kg,差不多只有磷酸铁锂电池的一半,三元材料的三分之一。在目前磷酸铁锂都被边缘化,三元电池还在追求更高能量密度的大环境下,作为储能单元镍氢电池的劣势就更为明显了。

寿命

镍氢电池的寿命和锂电池差不多在同一个数量级,都能够实现2000+以上的循环和10年以上的日历寿命。不少Prius车主都表示在长达10多年,20万以上的里程使用后电池都无需更换。

安全性

镍氢电池的安全性远远优于锂电池,由于了采用水溶性电解液,当电池出现过充、过放、过温、甚至短路的极端情况下或许会出现漏液漏气的情况,但电池内部物质依旧可保持较好的稳定性,不会引起起火、爆炸。而锂电池在上述这些极端情况下都可能造成极其严重的危害。

一致性

镍氢电池的一致性也显著优于锂电池,因此也为集成控制带来了更多的便利。首先良好的一致性可减少单体电压采集通道数量,并且均衡电路也成了非必要的功能。

工作温度范围及特性

镍氢电池和锂电池也有着类似的工作范围-30~60℃,低温充电时镍氢电池略微优于锂电池,锂电池在低温下充电的析锂现象会造成不可逆的损伤。

2.集成控制方式

集成方式

上面提到了镍氢电池有着较好的一致性和安全性,因此在集成时可将多节电池串联作为一个block进行统一管理,而无须对每一节电池都进行单体电压采集。其它方面和锂电池相似程度较高。

热管理

绝大多数锂电池系统都采用了水冷方案,一方面是因为过温将导致电池寿命的加速衰减,另一方面是由于锂电池的一致性和安全性问题较为突出,水冷的必要性就更加突出了。而镍氢电池系统普遍采用风冷即可满足使用要求。

BMS状态估算及控制策略

镍氢电池在管理上似乎更为复杂,首先镍氢电池一般应用于小容量的Pack,而容量越小采用安时积分来进行SOC估计的误差则更大,且HEV没有通过外部充电过程进行校正的可能。其次,镍氢电池还是有着一定的记忆效应的,需要通过算法不断调整使用SOC区间。

镍氢电池在1C的倍率下充电还有一个有意思的现象,当电池快被充满时,电池电压会有一个小幅的下降(5~10mV)。必要时可以通过这个特性来识别电池是否满电。

总的来看,镍氢电池与锂电池相比最为明显的缺点在于能量密度上的劣势,况目前镍氢电池的成本是锂电池的两倍甚至更高,因此在PHEV、BEV的应用场景下该劣势将会无限被放大。而镍氢电池的优势在于集成成本低、安全性高,在满足HEV使用要求的小容量Pack领域还有着一定的空间,但最终还是会被能量密度更高的产品所取代。

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