邱健蓄电池电动汽车电池储能体系的特性

 电动汽车电池储能体系的特性

影响电动汽车电池储能体系（BESS）功能的重要要素有以下几个。这些包含循环次数、充放电功率、自放电、工作温度规模以及过充电耐受性。了解这些特性关于前进电动汽车的功能和可继续性至关重要。以下部分详细剖析了电池技能的演化状况。剖析的最终部分依据定性要素对重要的电池技能进行了比较评价。本剖析的数据来自先前的研讨[23, 30, 65, 90, 91]，咱们以新的办法呈现了它们，以契合本文的方针。表2展现了要害功能指标的比较，图4展现了随后环境和经济指标的比较。

比较：不同电池技能的要害功能指标，数据依据现有文献[23, 30, 65, 90, 91]进行解说。

第 代	电池类型	密度		循环寿数（×100）	充放电功率（%）	Self-discharge (%month) .	操作规模（°C）	过充耐受性a .
		能量（瓦时/千克）	功率 (瓦/千克)
过去	Lead-acid	30–50 (L)	80–160 (M)	3–5 (L)	约75升（升）	L-M	-20至+45（A）	H
	Ni-Cd	35–80 (L)	120–150 (M)	8–20 (H)	大约80（L-M）	M-H	0至+50（A）	M-H
	Ni-MH	60–120 (M)	150–450 (H)	3–15 (M)	∼85 (M)	H	0至+50（A）	L-M
当前	Li-ion (LFP)	120–200 (H)	180–220 (H)	20–80 (VH)	∼92 (H)	L	-20至+40（A）	L
	Li-ion (NMC)	150–220 (H)	180–270 (H)	20–25 (H)	∼94 (H)	L	-20至+50（A）	L
	Li-ion (LTO)	60–110 (M)	∼VH	40–90 (VH)	∼95 (VH)	十分感谢	-40至+60（E）	L
	Li-poly (LCO)	120–220 (H)	220–330 (H)	10–22 (H)	∼92 (H)	L	-20至45（A）	L
	Li-metal (LMO)	100–150 (M)	160–230 (H)	~L	∼95 (VH)	十分感谢	-40至+85（E）	N/A
未来	Li-S	约450伏安（高电压）	~H	约15（百万）个	∼87 (M-H)	N/A	-20至+70（E）	L
	Li-O 2	约5000（Ex）	~M	约5（L）	约75升（升）	N/A	-50至+90（E）	N/A
	Zn-air	约450伏安（高电压）	~M	3–10 (M)	∼90 (H)	N/A	-20至+70（E）	N/A
	Na-S	115–200 (H)	120–180 (M)	8–30 (H)	∼85 (M)	N/A	+270至+350（Ht）	N/A
	Na-ion	100–160 (H)	∼VH	5–20 (H)	∼95 (VH)	十分感谢	-20至+50（A）	L-M

加粗的数值标明最大值。

十分低；低；中等；高；十分高；环境；扩展；高温；破例/基准。

超越额定容量和前进充电速率充电。

3.1 能量密度

能量密度是指电池单位质量（瓦时每千克（Wh/kg））或体积（瓦时每升（Wh/L））所贮存的能量，这关于长时刻储能至关重要。更高的能量密度允许在相同的体积或分量下存储更多的能量，然后前进储能体系的紧凑性和功率[92, 93]。电动汽车必须具有高能量密度，以便在有限的体积和分量内尽或许多地存储能量。此外，高能量密度使电动汽车能够在不明显添加电池巨细或分量的状况下完成更长的续航路程[94–96]。

但是，能量密度的优化仍然是一个严重应战。当前的锂离子电池技能在运用易燃液体电解液时存在限制，在某些条件下会带来安全风险[97]。资料科学的前进，特别是固态和下一代电池技能的探究，能够在前进能量密度的一起增强安全性。依据锂金属负极的固态电池由于其较高的理论容量而显现出潜力[97]。此外，像电池办理体系这样的办理和运用贮存能量的体系也能够实施能量密度优化战略。总归，其优化取决于资料技能的继续前进、立异型能源办理体系的开展以及专心于削减电池相关分量的规划考虑。

3.2 功率密度

另一方面，功率密度显现了单位质量（瓦/千克）或体积（瓦/升）[92, 93]电池能量传递的速度。这关于高速充电和放电运用十分重要。它是储能体系每单位体积或质量能够供给或接纳的功率（单位时刻内的能量）量。更高的功率密度标明它能够快速开释或吸收能量。高功率密度使得快速充电和放电成为或许，使电池适用于电动汽车和电网级装置等运用[98, 99]。在电池规划中平衡这些特性至关重要，新式的资料研讨显现出在不献身能量密度的前提下前进功率密度的潜力。这两个特性都是ESS规划和挑选的重要考虑要素，由于它们会影响功能、功率、尺度、分量和本钱。

电动汽车电池中的功率密度重要性不言而喻。例如，在急速发动或忽然刹车时，强大的功率输出关于坚持无缝的驾驭体会和延伸车辆续航路程至关重要。因此，优化功率密度对前进电动汽车功能至关重要。咱们能够选用几种战略来优化功率密度。首要，混合储能体系中的电池与超级电容器的集成是一种有前景的办法。超级电容器和电池在混合装备中能够平衡加快或减速时的功率需求，一起电池为更长的间隔贮存能量[100]。其次，化学资料的改进，如由镍、锰和钴（NMC）制成的锂离子电池，比旧的锂离子化学资料发生更多的电力[101]。SSB的新开展也或许有所协助，由于它们能够在下降运用液体电解液的风险的一起坚持高功率密度[102]。总归，经过实施混合ESS和推动电池化学来优化功率密度都是前进功率密度和改进电动汽车驾驭体会的重要战略。

3.3 循环

电动汽车的电池储能体系循环是指对电动汽车中的电池组进行反复充电和放电的进程以供给动力。驾驭环境、地势和驾驭形式等要素会影响这些循环中电池的表现[103, 104]。规划一个能够确保恰当充电和放电程序的循环电池测验器关于测验电动汽车中运用的锂离子电池至关重要[105, 106]。从退役的电动汽车中收回运用电池包用于固定式运用能够前进能源功率和资料可继续性[107, 108]。立异的办法，如运用以氢气为燃料的流动电池，有望为电动汽车供给高效和可继续的动力[109]。

依据Keil和Jossen[110]的研讨，完成这一方针的一种办法是运用先进的电池办理体系，该体系能够监控温度、荷电状况（SOC）和放电深度（DOD）等参数。这些体系能够协助缓解比如热失控和过度放电等问题，这些问题会加快电池老化。Jung等人[111]的研讨也标明，经过在顶峰负荷时削减压力，运用车辆到电网（V2G）技能能够改进电池循环形式，然后节约电池容量并延伸其运用寿数。例如，实施V2G体系已被证明能够将电动汽车电池的循环寿数前进约7.7%，这强调了将电网服务整合到电动汽车运营中的潜在优点。猜测剖析和建模办法（如运用无迹卡尔曼滤波器的那些办法）也被用于更好地了解电池剩余的有用寿数（RUL）。精确的RUL猜测能够及时维护和主动办理电池健康，然后前进安全性和功率[112]。总归，电动汽车电池的循环寿数十分重要，由于它不仅影响电动汽车的经济可行性，还在环境保护中发挥着重要作用。经过V2G和猜测建模等先进电池办理技能优化循环寿数，为前进电动汽车的全体功能供给了一种多方面的办法。

3.4 充放电功率

BESS的充放电功率是指体系在充电和放电进程中转化电能的有用性，以百分比（%）标明。较高的功率值标明更多的能量可供运用。较低的功率值标明在充电和放电进程中有更多的能量丢失。为了获得高效的BESS运转，必须平衡SOC并优化体系的功率[113]。最佳的BESS操作触及平衡SOC和最大化体系功能[114]。充放电功率关于如电网安稳、可再生能源整合和电动汽车等节能运用至关重要。从数学上讲，充放电功率（η）能够标明为：

(1)

一个重要要素是在这些进程中丢失的能量，这或许是由电池的化学性质、温度以及运用的充电架构等要素形成的[115]。有几个战略能够优化充放电功率。首要，电池办理体系中的改进能够控制不同的要素，如SOC和DOD，使电池运用寿数更长，功能更好[116]。运用像V2G这样的技能能够使你更容易地改动充电方案，然后下降电网的峰值负荷需求，并使其全体上更加节能[117]。此外，添加对电池化学和规划的重视至关重要，特别是在开发锂离子电池时。前进能量密度一起坚持功率的立异能够协助抵消充放电循环期间的能量丢失[118]。此外，集成先进的冷却体系以在充电和放电进程中坚持最佳工作温度，能够进一步前进电池功能[119]。总归，充放电功率不仅仅是一个功能指标；它极大地影响了电动汽车的经济性和环境可继续性。前进这一功率的战略包含从先进的电池办理到算法控制，再到电池技能和热办理的立异。随着电动汽车市场的增长，优先考虑这些优化关于电动汽车的可继续性和接受度至关重要。

3.5 Self-discharge

BESS中的自放电是指在无外部负载衔接的状况下，由于体系内部的化学反响或走漏进程，贮存的能量随着时刻的推移而丢失[120]。这种贮存电荷的丢失能够在各种电池技能中发生，有些电池技能的自放电率乃至超越每天存储能量的50%[121]。咱们能够在一个无负载的状况下测验必定时刻内的自放电状况。这展现了电池单元内部发生的化学和电化学反响，这些反响遭到资料纯度、表面积以及电解液成分等要素的影响[122]。自放电测验体系经过丈量放电期间的电流来精确高效地评价自放电速率，是办理自放电的一种办法[123]。除颤体系中的自放电办法还包含分步开释能量电容，以避免其过热损坏，并最大限度地运用能量开释[120, 124]。

电池能够经过多种战略优化其自放电功率。一种办法是实施有用的电池办理体系（BMS）。一个好的BMS能够实时监控电池组的荷电状况和电池单元的健康状况。这使得它能够履行比如均衡充电等操作，经过确保电池坚持在恰当的充电水平来阻挠电池的自放电[125]。此外，电池体系内的热办理至关重要，由于过度的热量会添加自放电速率。高效的冷却技能能够坚持最佳的工作温度，前进电池的安稳性和下降自放电速率[126]。此外，经过电池化学和规划前进的办法侧重于运用具有较低内在自放电速率的资料。Cui[127]指出，固态电池（SSB）运用固体电解质，供给了比传统锂离子电池更低的自放电速率和更高的能量密度。这些前进或许会明显提升电动汽车中电池的功率和功能，契合对更好能源办理和可继续性的日益需求。总归，自放电功率是影响电动汽车电池功能的要害要素。前进自放电功率改进了电动汽车的操作规模和本钱效益，关于建立可继续的交通生态体系至关重要。

3.6 操作温度规模

电动汽车储能体系的电池在特性上的工作温度规模关于最佳功能和寿数至关重要。电动汽车的电池能够在广泛的温度规模内工作，一般从-30°C到50°C，这会影响它们的容量、内阻和功率特性[128, 129]。坚持电池处于最佳温度规模关于高能量比率和循环寿数至关重要[3, 130]。TMS能够避免温度过高[2, 131]。确认电池的工作温度规模，即在10°C到40°C之间，这关于在各种环境下坚持电池的良好运转很重要[128]。温度影响电池功能；低温会下降容量并阻碍电动汽车的运转，需求有用的TMS来前进车辆的规模和功能[132]。

最佳工作温度规模和有用的热办理体系至关重要。在研讨中，Chan等人[133]提出了坚持电池工作温度在安全且最佳边界内的体系方针。这种规划能够将电池包坚持在最佳工作温度25°C，削减电池失控的发生率，并供给最大化功率、安全和维护本钱的处理方案。此外，先进的电池办理体系在温度调理方面也至关重要。Harippriya等人[134]提出了在温度调理方面的最先进电池办理体系。现代电池办理体系能够依据驾驭形式和环境条件猜测温度动摇，然后采取预防措施，下降电池过热或低体温的风险。经过坚持电池温度检查，这些体系前进了电池的寿数、安全性和功能，然后延伸了车辆的可行驶路程。总归，坚持电动汽车电池的最佳工作温度关于最大化功率和安全性至关重要。先进的热办理技能和BMS技能代表了有用处理这一应战的办法，有助于应对这些电池在运转进程中面临的各种热条件。

3.7 过充耐受性

在电动汽车的ESS电池方面，“过充耐受性”指的是电池在没有影响其安全性和功能的状况下，应对过充电状况的才能以及减轻过充电带来的不良影响的程度[135, 136]。研讨人员发现，不同类型的电池单元，如方形和软包电池，对过充电的反响是不同的[137]。在热行为和过充耐受性方面，软包电池在一些阶段比方形电池更好。但是，方形电池中的安全阀机制使其在早期预警和阻挠热失控方面更有用[138]。研讨还标明，即使是少量的过充电也会加快电池容量的丢失并缩短循环寿数。关于高功率电池中的阴极资料来说，这一点特别正确[139]。经过运用高频振荡信号来发现过放电问题等办法，能够前进电动汽车中锂离子电池的安全性和可靠性[140]。

能够实施要害优化战略来前进过充耐受性并下降相关风险。一种有用的办法是加入氧化复原穿梭添加剂，它们经过在电池电压接近风险阈值时充当电流分流器来避免过充。氧化复原穿梭体能够在负极氧化并在正极复原，然后协助电池坚持在安全电压操作规模内[141]。此外，像磷酸铁锂（LiFePO4）这样的资料比传统的钴酸锂电池具有更高的过充耐受性，在滥用条件下供给更好的安全性。此外，装备实时监测功能的电池办理体系能够检测过充状况并依据需求调整充电协议，然后避免潜在损害[142]。总归，过充耐受性关于电动汽车电池的安全性和运用寿数至关重要。结合立异资料、氧化复原穿梭添加剂、有用的热办理和先进的电池办理体系能够大大优化过充功能，然后前进安全性并延伸电动汽车的电池寿数周期。

3.8 收回和可继续性

电池收回和可继续性是两个要害问题，由于电池废物的处理不妥会带来环境和健康风险。电池，特别是锂离子和铅酸电池，含有有毒的重金属和其他有害物质，这些物质或许会渗入环境，形成污染和健康损害。有用的收回和办理战略关于缓解这些风险和促进可继续资源运用至关重要。电池收回触及处理风险资料，假如不妥善办理，将会带来严重的环境和安全风险。这些风险包含火灾、化学烧伤和污染[143]。

电池的收回办法，特别是锂离子电池的收回办法，关于削减环境影响和收回有价值的资料至关重要。首要的办法包含化学法、物理法和直接收回技能，每种办法都有其独特的优势和应战，如表3所示[9, 143-149]。火法冶金工艺触及高温熔炼以别离金属，但一般会导致锂的收回不完全并发生大量排放[148]。湿法冶金触及运用化学反响来别离电池组件，有用地收回镍、钴和锰等金属[147]。但是，它能耗高，并且会发生有害废物。最近的发展导致了专心于直接收回的立异办法的呈现，保留了阴极资料的原始结构，并在没有大量加工的状况下使废旧资料再生[149]

不同电池收回技能的优缺陷和应战，数据依据现有文献[9, 143-149]进行解说。

技能	进程	优点	缺陷	应战
化学收回运用	火法冶金学	简略操作 无需预处理 高功率	高能耗 更多的废气 康复功率低 Li和Mn没有康复	削减能源消耗、污染、排放和环境损害 将其与湿法冶金结合
	湿法冶金学	高收回率 高纯度产品 低能耗 削减废气排放 高功率	更多的水和其他化学反响物的消耗 更多的污水 漫长的进程	污水处理 工艺优化 循环水冶
直接收回运用	立异办法	短康复路径 低能耗 环保的 高收回率	高操作和设备要求 康复不完全	下降康复本钱 下降分类要求 进一步优化产品的功能

比较：电池技能的要害环境和经济数据，这些数据是依据现有文献[23, 30, 65, 90, 91]解说的。

第 代	电池类型	收回等级	本钱（欧元/千瓦时）a .	Toxicity/hazards .	技能成熟度
过去	Lead-acid	S (Cp)	约255（L-M）	H/F/P/C	H
	Ni-Cd	S (Pa)	约540（百万）	H/P/C	H
	Ni-MH	N (Pa)	~M-H	L/C	M
当前	Li-ion (LFP)	N (Pa)	约425（百万）	L/F/C	M
	Li-ion (NMC)	T (Pa)	∼985 (H)	男/女 b /C	M
	Li-ion (LTO)	T (Pa)	约625（M-H）	L	L-M
	Li-poly (LCO)	T (Pa)	~M-H	男/女 b /C	M
	Li-metal (LMO)	N/A	~M	L/F	L-M
未来	Li-S	T (Pa)	~L-M	L/C	L
	锂氧2	N/A	~L-M	L/C	L
	Zn-air	N (Pa)	~L	L/C	L
	Na-S	T (Pa)	~L	L/F c /C	L-M
	Na-ion	(Pa/CP	~L	L/F c	L-M

L，低；M，中；H，高；S，简略/已建立；N，正常/适度；T，困难；F，火灾/爆破；P，毒药；C，化学烧伤/腐蚀性/烟雾/污染；Cp，完整；Pa，部分/不完整。

由知名供货商（如CATL、CALB等）确认的2022-2023年规范、估算和相对购买本钱，以及预期猜测。

b 与有机溶剂相关，这些溶剂高度易燃，除了金属元素（阳极）外，假如与水接触或许会着火。

与熔融钠及其残留物相关，一旦走漏或许导致短路。