储能是电动汽车开发面临的主要挑战，这源于电池技术的差异。本文对电池技术进行了全面综述，并将其分为三代：过去、现在和未来。我们系统地比较和评估了电池技术，使用了七个关键性能参数：能量密度、功率密度、自放电率、循环寿命、充放电效率、工作范围和过充耐受性。我们利用现有文献中的定量数据，对电池技术进行了批判性和比较性分析。我们的分析表明，在过去一代中，镍基电池超越了铅酸技术，而在当前一代中，锂离子（LiFePO₄, LiNiMnCoO₂)电池占据主导地位，能量密度高达220 Wh/kg，循环寿命超过2000次。未来技术，如钠离子电池和固态电池，展现出巨大潜力，可提供更高的能量效率和更优的资源可持续性。除了性能对比，本综述还整合了特斯拉、比亚迪和现代等领先制造商在电池及电池管理系统创新方面的实际案例研究。 专利电池管理系统的实用技术应用，如热管理、健康状态估算和续航优化，因其在确保电动汽车安全性和可靠性以及延长电池生命周期方面的作用而备受关注。本文还重点介绍了电池回收技术（化学回收和直接回收）的最新进展，以及电池管理系统在提升安全性、热管理和延长电池寿命方面的作用。本文进一步探讨了电动汽车电池开发中的关键制约因素，包括技术经济壁垒、环境影响及区域政策。本文建议采用基于理想解相似度的偏好排序技术，为各类电动汽车运输应用选择最合适的电池技术。该多准则决策方法基于这七个参数。最终，本文为研究人员深入了解电池技术和电池管理系统以实现电动汽车高效运行的最新进展提供了有益的指导。

电动汽车（EV）通常使用电池作为其主要能源。电动汽车最早出现在19世纪中叶。在当今背景下，电动汽车能够减少75%的汽油消耗，这使得汽车行业内更加重视电动汽车电池技术[1]。2020年全球电动汽车电池市场规模达到219.5亿美元，预计从2021年的273亿美元增长到2028年的1549亿美元[2]. 在过去十年中，电动汽车的需求不断增长，并在汽车市场中越来越受欢迎 [3]. 由于污染和能源危机，全球范围内对电动汽车（EDVs）的研究激增，包括电池电动汽车、混合动力电动汽车（HEVs）和插电式混合动力电动汽车。电池技术被视为电动汽车的主要动力，正受到越来越多的关注 [1].

]。全球电动汽车市场销售两种类型的电池：首先是不可充电电池，然后是可充电电池。不可充电电池占电池能源利用的约90%，而可充电电池仅占10%[4]。这部分少量能源包括镍氢电池、锂离子电池和铅酸电池的使用。包括丰田、本田和福特在内的许多企业正在实际应用中使用这些电池[1].

电动汽车电池必须具备特定特性，以满足高效驱动车辆的需求。电动汽车电池的主要特性包括高能量密度以实现长续航里程 [5]，长循环寿命以实现总行驶里程 [6]，适合快充以缩短充电时间，以及为车辆运行提供充足动力的能力 [7]. 此外，电池应配备电池管理系统（BMS），以确保安全性和性能，以及热管理系统，通过控制温度升高和自放电来维持电池的最佳性能 [8]. 电动汽车使用多种类型的电池，包括锂离子（Li-ion）、铅酸、镍镉和镍氢（Ni-MH）电池，其中锂离子电池因其能量密度、安全性和稳定性而最受欢迎 [6].

本文概述了电动汽车中广泛使用和开发的电池类型。我们将当前的电池技术分为三代：过往一代、当前一代和未来一代，相关内容将在章节2.1–2.3中进行综述。此外，本文对现有的三代电池技术进行了全面综述。本文的重点在于对电动汽车所需各类电池技术的重要特性进行详尽深入的探讨，相关内容将在章节3中进行综述。在章节4]，本文深入探讨了电动汽车中的电池管理系统（BMS），重点关注通过温度调节和自放电控制，确保电池在安全、性能和热管理方面的最佳运行。第5节对电动汽车的电池技术进行了全面的讨论和比较。它首先通过图表进行性能比较（第5.1节），随后是原始设备制造商（OEM）和电池管理系统（BMS）技术的电池应用案例研究（第5.2). 本节还针对不同车型提出了商业化路径和技术建议（第5.3）节），并以对挑战与制约因素的分析作为总结，包括技术经济考量、环境问题及区域政策（第5.4）节）。在第6节中，研究人员可以找到一份有价值的指南，助其了解电池储能系统、技术标准及BMS的最新进展，以确保电动汽车的有效运行。

2. 电动汽车电池储能系统的发展与趋势

电动汽车电池储能系统的发展已从传统电池转向锂离子电池 [9–11]。研究人员致力于通过关注容量、功率、能量密度、安全性和电池电压来提升电池性能。电动汽车的锂离子电池技术通常采用LiNiMnCoO₂(NMC)正极和石墨基负极，以降低钴含量，并从液态电解质转向固态替代品 [12, 13]. 电池储能系统分为三代。上一代采用铅酸和镍基电池。当前一代使用锂基（Li-based）电池，在两项指标上显示出改进 [9]. 未来一代仍在研发中，尚未实现商业化 [14]. 图1展示了电动汽车电池演进的图形化表示 [9].

图1.

电动汽车电池储能系统的代际演进。

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2.1 早期一代

早期一代电池，包括铅酸电池和镍基（Ni基）电池，代表了锂电时代之前的时期。大多数传统电池的技术、成熟度和应用已十分成熟[9, 15].

2.1.1 铅酸电池

铅酸电池家族开启了电化学电池时代。1859年，法国人加斯顿·普兰特（Gaston Planté）提出了首个铅酸电池构想[9]。不同的应用需要不同类型的铅酸电池储能系统，每种系统都具有特定的充放电特性。由于技术成熟且制造成本较低，铅酸技术已主导市场一个多世纪[1, 16]。成本低廉、制造简单、自放电率低、高放电功率以及在高低温环境下表现出色，是铅酸电池的主要优势[1, 17]. 然而，典型的铅酸电池比能量、能量密度和循环寿命相对较低。此外，铅是一种有毒元素，妥善处理起来可能是一个负担[16].

]。与其它电池技术相比，铅酸电池在电动汽车应用中具有独特的优缺点。铅酸电池的主要优势之一是材料成本低，使其在包括电动汽车在内的多种应用中具有经济优势。这种成本效益是一个重要因素，尤其是在预算限制至关重要的市场中 [18]。此外，铅酸电池具有高度可回收性，这在环保方面优于可能不具备同等回收水平的其他电池类型 [19]. 然而，铅酸电池确实存在显著的缺点。其能量密度低于许多新型电池技术，例如锂离子电池，这限制了由铅酸系统驱动的电动汽车的续航里程和效率。总之，尽管铅酸电池在成本低、可回收以及性能记录良好等方面具有显著优势，但也面临着能量密度和循环寿命方面的挑战。在评估其与其它电池技术相比是否适合电动汽车时，必须仔细考虑这些因素，尤其是在行业向更先进、更高效的储能解决方案转型之际。

2.1.2. 镍基电池

镍基电池是铅酸电池之外最成熟的电化学储能装置之一。在研究 [20] 中，瓦尔德马·容格于1899年在瑞典发明了最早的两种镍基电池（镍铁电池和镍镉电池）。镍在电化学特性和毒性方面优于铅。然而，镍基电池的典型成本显著高于铅酸电池。

汽车制造商青睐镍基家族中的镍氢电池，因其性能、循环寿命和成熟技术[21]。镍氢电池的性能优于其他镍基电池和铅酸电池[22]。镍氢电池具有宽广的工作温度范围且环保。丰田普锐斯、Mirai、本田Insight和丰田RAV4L等商用电动汽车和混合动力汽车广泛使用镍氢电池[23–25]。由于性能更优，锂基设备正在取代镍氢电池。

镍基电池的主要优势之一是其卓越的性能特性。它们对过充和过放表现出高耐受性，这显著降低了电动汽车应用中电池故障的风险 [26]。此外，镍电池在广泛的温度范围内运行有效，增强了其在各种环境条件下的可靠性 [27]. 这种更高的能量密度使得电动汽车的续航里程更长，解决了电动汽车用户的一个关键顾虑。然而，镍基电池也存在一些缺点。一个显著的局限性是其能量密度相对较低，与先进的锂离子电池相比，这可能会限制电动汽车的续航里程和效率 [28]. 此外，虽然镍氢电池的生命周期比铅酸电池更长，但仍然不及某些锂离子技术的寿命，这可能会影响车辆的整体生命周期成本 [29]. 此外，镍的开采和加工对环境的影响也引发了担忧，因为若管理不当，可能会导致生态退化。总之，尽管基于镍的电池在坚固性、成本效益和能量密度方面具有诸多优势，但也面临着能量密度受限和环境问题等挑战。

2.2 当代产品

锂基电池已超越铅酸电池和镍基电池，成为当前一代的主要关注点。这一点在汽车和便携式领域尤为明显。锂基电池之所以更优，是因为它们能在更小的体积内提供同等的功率或能量，且无记忆效应、自放电率极低、使用寿命更长[30, 31]。包括特斯拉3、宝马i3和日产聆风在内的众多商用电动汽车和混合动力汽车[23]已广泛采用锂基电池，如表1所示Table 1.

 

电动汽车锂电池类型的功能对比[32–38].

电动汽车型号	电池容量（千瓦时）	电池电压（伏特）	能耗（瓦时/英里）	距离范围（英里）	50 kW 充电时间（分钟）
本田 e 2020	35.5	—	275	138	40
大众 e-Golf	35.8	323	245	144	60
日产聆风	40	350	330	168	60
宝马i3	42.2	352	245	191	50
雷克萨斯UX 300e	54.3	—	270	196	40
特斯拉Model 3	55–82	350	225–265	278–360	40–60
起亚Niro 日产聆风Plus	64	327	255	283	75
日产聆风Plus	64	350	285	239	45
奔驰EQA	66.5	405	355	263	50
特斯拉Model S	75–100	350	305–310	283–388	60
福特Mustang Mach-E	75.5	450	275	273	60
极星2	78	400	305	292	60
极星Taycan	79.2	800	335	254	50
大众ID.4	82	365	290	310	60
捷豹I-PACE	90	390	354	292	55
奥迪E-Tron	95	400	426	249	60
特斯拉Model X	100	350	360–365	233–315	60

2.2.1 锂离子电池

电动汽车倾向于使用锂离子电池，因为它们具有卓越的能量密度、安全性和使用寿命。基于有机溶剂的锂离子电池因其成本效益高和高技术成熟度而广受欢迎 [9]。我们将锂离子电池分为LiNiMnCoO2(LCO)，LiNiMnCoO2(NMC)，和LiNiCoAlO2翻译为中文： (NCA) [39, 40]. 锂离子（NMC）电池类型具有更长的使用寿命和更好的性能，使其非常适合用于汽车。特斯拉广泛使用锂离子（NCA）电池类型。另一种更新且流行的锂离子钛酸锂（LTO）电池类型采用了锂钛氧化物纳米晶体，以获得更大的表面积。

全球锂离子电池市场的价值超过240亿美元，预计从2017年到2024年将增长12%。研究人员正致力于发现含钴量较低的替代材料，以减少对这一关键资源的依赖。我们目前将锂离子电池分为高钴、中钴和无钴三类[23]。汽车行业增加了对LiFePO4[磷酸铁锂（LFP）]的采用，因其具有卓越的安全特性、较长的循环寿命和成本效益，使其成为电动汽车大规模应用的可行选择[41].

通常，适用于电动汽车的商业化锂离子电池分为三类：圆柱形、棱柱形和软包型[30, 42, 43]. 圆柱形电池的分类采用钢壳封装，特别有利于快速且经济可行的制造。因此，特斯拉在其几乎所有初始车型中都优先选择了圆柱形电池。棱柱形电池因其立方体形态在电池热管理方面具有优势。一般来说，较大的表面积有助于电池与冷却介质之间的热交换。因此，大众、丰田、日产等众多制造商广泛使用棱柱形电池。软包电池仍处于实验阶段，因为存在相关的安全顾虑。

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