发布于 05-26 15:20:49
电池和我们的日常生活息息相关。电池的种类有很多，划分的方法也有多种。按其原理可以分为生物电池、物理电池和化学电池。
（1）生物电池是利用生物（如生物酶、微生物、叶绿素等）分解反应过程中表现出来的带电现象进行能量转换，主要有微生物电池、酶电池、生物太阳能电池等。
（2）物理电池是指利用物理原理制成的电池，其特点是能在一定条件下实现直接的能量转换，主要有太阳能电池、飞轮电池、核能电池和温差电池。
（3）化学电池是利用物质的化学反应发电。化学电池一般由电极（正极和负极）、电解质和外壳（容器）组成。按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。
目前电动汽车中普遍采用化学电池。
在电动汽车中为车辆提供动力源的电池称为动力电池。动力电池的作用是接收和储存由车载充电机、发电机、制动能量回收装置或外置充电装置提供的高压直流电，并且为电动汽车提供高压直流电。
动力电池是电动汽车的核心部件，也是电动汽车上价格最高的部件之一。动力电池的性能好坏直接决定了这辆车的实际价值。
电动汽车中动力电池作为整个汽车的动力源，它取代了传统燃油汽车的石油能源，相当于电动汽车的“心脏”，为整车提供持续稳定的能量，驱动车辆行驶。
动力电池技术参数如下：
1．工作电压
工作电压指电池在某负载下实际的放电电压，通常这个电压是指一个电压范围。例如，铅酸蓄电池的工作电压为1.8～2V；镍氢电池的工作电压为1.1～1.5V；锂离子电池的工作电压为2.75～3.6V。工作电压Ub等于电池的电动势Eb减去放电电流Ib与电池内阻Rb的积（内阻引起的电压降），即
Ub=Eb-IbRb
2．额定电压
额定电压（或公称电压），是指该化学体系的电池工作时公认的标准电压。例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸蓄电池为2V。
3．充电电压
充电电压是指外电路直流电对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内，如锂离子电池的充电压为4.1～4.2V；铅酸蓄电池的充电压为2.25～2.5V。
4．放电终止电压
放电终止电压指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例，电动势为2.1V，额定电压为2V，开路电压接近2.15V，工作电压为1.8～2V，放电终止电压为1.5～1.8V（放电终止电压根据放电率的不同，其终止电压也不同）。
5．电池内阻
电池内阻是指电池的内部电阻，包括电极板的电阻，电解液、隔板和连接体的电阻等，内阻的单位为Ω（欧姆）。
6．容量
容量是指电池在允许放电范围内所能输出的电量，单位为库伦（C）或安·时（A·h），容量用来表示动力电池的放电能力。在不同条件下，动力电池所能输出的电量（容量）是不同的。
额定容量：是指生产电池时，动力电池在规定的条件下所能输出的电量。额定容量是制造厂标明的动力电池容量。
7．能量
动力电池的能量是指在一定的放电条件下，动力电池所输出的电能，单位为W·h（瓦时）或kW·h（千瓦时）。动力电池的能量表示其供电能力，是反映动力电池综合性能的重要参数。
标称能量：是指在一定的放电条件下动力电池所能输出的电能。动力电池的标称能量是其额定容量与额定电压的乘积。
实际能量：是指在一定的放电条件下动力电池所能输出的电能。动力电池的实际能量是其实际容量与放电过程的平均电压的乘积。
8．能量密度
能量密度即体积比能量，是指动力电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L或kW·h/L。动力电池的能量密度越高，新能源汽车的载质量和车内的空间就越大。
9．功率
动力电池的功率是指在规定的放电条件下，动力电池单位时间所能输出的电能，单位为W或kW。动力电池的功率大小会影响新能源汽车的加速度和最高车速。
10．比功率
比功率即质量比功率，是指动力电池单位质量所能输出的功率，单位为W/kg或kW/kg。动力电池的比功率越大，汽车的加速和爬坡性能就越好，最高车速也越高。
11．功率密度
功率密度即体积比功率，是指动力电池单位体积所能输出的功率，单位为W/L或kW/L。动力电池的功率密度越高，新能源汽车的载质量和车内的空间就越大。
12．寿命
动力电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示。动力电池经历一次充电和放电过程称为一个循环或一个周期。在一定的放电条件下，当动力电池的容量下降到某规定的限值时，动力电池所能承受的充放电循环次数称为动力电池的循环寿命。
不同类型的动力电池，其循环寿命有所不同。对于某种类型的动力电池，其循环寿命与充电和放电电流的大小、动力电池的温度、放电的深度等均有关系。
13．自放电
自放电是指电池开路时，电池经过储存一定时间后，其容量自行降低的现象。
应用于电动汽车上的动力电池品种多样，经过技术发展和交替，目前在电动汽车上使用的动力电池主要有：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池，如图2-1-1所示。其中铅酸蓄电池作为电动汽车的低压辅助电池，为车辆的普通低压电气系统提供低压工作用电。镍氢电池主要用在丰田的混合动力和插电式混合动力车辆上，如丰田普通混合动力凯美瑞、卡罗拉双擎、雷凌双擎等，插电式混合动力车型普锐斯也使用镍氢电池。而锂离子电池普遍应用在纯电动汽车中，如比亚迪e6、北汽EV200/160、荣威E50、长安逸动EV、宝马i3、吉利帝豪EV300等。各类型动力电池的特点如表2-1-1所示。
图2-1-1 各类动力电池
（a）铅酸蓄电池；（b）镍氢电池；（c）锂离子电池
表2-1-1 各类动力电池的特点
1．铅酸蓄电池
以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池，由于电池电极是以铅作材料故又称为铅酸蓄电池，铅酸蓄电池广泛用于燃油汽车的起动。电动汽车使用的动力铅酸蓄电池要求有高的能量密度和比功率，高的循环次数和使用寿命以及快速充电性能等。目前电动汽车中已很少使用铅酸蓄电池作为动力电池，多作为辅助蓄电池为车载电气系统供电。
铅酸蓄电池的基本单元是单体电池，每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成的，单体电池的结构如图2-1-2所示。每个单体电池的基本电压为2V，然后将不同容量的单体电池按使用要求进行组合，装置在不同的塑料外壳中来获得不同电压和不同容量的铅酸蓄电池总成，铅酸蓄电池总成结构如图2-1-3所示。
图2-1-2 铅酸蓄电池的单体电池结构
图2-1-3 铅酸蓄电池总成结构
铅酸蓄电池总成经过灌装电解液和充电后，就可以从铅酸蓄电池的接线柱上引出电流。铅酸蓄电池通常采用密封、无锑网隔板等技术措施，并在普通铅酸蓄电池的电解液中加入硅酸胶（Na2SiO3）之类的凝聚剂，使电解质成为胶状物，形成一种“胶体”电解质。采用“胶体”电解质的铅酸蓄电池，使用起来更加方便。
铅酸蓄电池的优点：
（1）除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高为2V。
（2）价格低廉。
（3）可制成小至1A·h、大至几千A·h的各种尺寸和结构的蓄电池。
（4）高倍率放电性能良好，可用于发动机起动。
（5）高低温性能良好，可在-40 ℃～60 ℃条件下工作。
（6）电能效率高达60%。
（7）易于浮充使用，没有“记忆”效应。
（8）易于识别荷电状态。
铅酸蓄电池的缺点：
（1）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电续驶里程短。
（2）使用寿命短，使用成本高。
（3）充电时间长。
（4）铅是重金属，存在污染。
2．镍氢电池
镍氢电池属于碱性电池。20世纪90年代随着混合动力汽车的规模化而得到应用。镍氢电池由氢氧化镍[Ni(OH)2]正极、储氢合金负极、隔板、氢氧化钾电解质外壳、顶盖和密封圈等组成。在正负极之间有隔板，共同组成镍氢单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍氢电池的结构如图2-1-4所示。
图2-1-4 镍氢电池的结构
（a）圆柱形电池；（b）方形电池
1,10—负极端子；2,13—绝缘垫圈；3,14—正极端子；4,15—安全阀；5—密封板；6,16—绝缘环；7,11—负电极；8,17—隔膜；9,18—正电极；12—绝缘层
镍氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属、塑料和黏合剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni(OH)2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的改进。采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂，可以提高大电流时的放电性能。
镍氢电池负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金的晶格基块。储氢合金的种类和性能，对镍氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还能保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加储氢合金的防腐性能，这有利于提高镍氢电池的能量密度、比功率和使用寿命。
电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极由金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。
镍氢电池在深度放电时质量比功率的变化比较稳定，对混合动力汽车的动力性能的控制十分有利，镍氢动力电池的寿命可以达到100000km以上。同时镍氢电池的充电接收性也很好，充电效率几乎达到100%，能够很好地接收混合动力汽车在制动时回收的电能。另外由于能量损失较小，镍氢电池的发热量被抑制在最小范围内，可以有效地控制剩余电量，并用电流来显示电池的剩余电量。
混合动力汽车动力电池组经常处于充电、放电状态，而且充电、放电是不规则地进行的，这对动力电池的寿命带来严重的影响，松下电池公司用模拟混合动力汽车行驶工况对镍氢电池进行仿真试验，证实镍氢电池的特性几乎不发生变化，镍氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。
镍氢电池具有无污染、高比能、大功率快速充放电、耐用等许多优点。与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量高、质量轻、体积小、循环寿命长的特点，具体表现如下：
（1）比功率高。目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350W/kg。
（2）循环次数多。目前应用在电动汽车上的镍氢电池，80%放电深度（DOD）循环可以达1000次以上，为铅酸蓄电池的3倍以上；100%放电深度（D0D）循环寿命也在500次以上，在混合动力汽车中可使用5年以上。
（3）无污染。镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属。
（4）耐过充过放，无记忆效应。
（5）使用温度范围宽。正常使用温度范围-30 ℃～55 ℃，储存温度范围-40 ℃～70 ℃。
（6）安全可靠。短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性及可靠性试验，无爆炸燃烧现象。
镍氢电池的基本单元是单体电池，单体电压为1.2V，按使用要求组合成不同电压和不同电荷量的镍氢电池总成。
3．锂离子电池
锂离子电池出现在1990年，由索尼公司研发。在近三十年的时间里，得到了迅猛的发展，被认为是未来极具发展潜力的动力电池。与其他蓄电池比较，锂离子电池具有电压高、能量密度高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点。
按照锂离子电池的外形形状可分为：方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。
锂离子电池的发展呈现出多方向并举的局面。发展方向的不同主要在于所采用的正极材料的不同。因为正极材料的性能将很大程度地影响电池的性能，同时正极材料也直接决定电池成本的高低。锂离子电池正极材料的发展引领了锂离子电池的发展。目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂以及磷酸铁锂。但由于钴金属储量少、价格昂贵，因此成本高，而且作为动力电池其安全也存在问题，目前应用最为广泛的是磷酸铁锂。
锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。锂离子电池的结构如图2-1-5所示。
图2-1-5 锂离子电池的结构
（a）方形锂离子电池；（b）圆柱形锂离子电池
1—外壳；2—负极端子；3—正极端子；4,14—隔板；5,15—负极板；6,17—正极板；7—绝缘体；8—负极柱；9—绝缘板；10—密封圈；11—顶盖；12—正极；13—安全排气阀；15—负极
按照锂离子电池正极材料的不同，可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池和镍钴锰锂离子电池。
第一代车用锂离子电池为锰酸锂离子电池，其生产成本低，安全性能较好，但是循环寿命欠佳，在高温环境下循环寿命更短。第二代为磷酸铁锂离子电池，是锂离子电池的发展方向。由于原材料价格低且磷、铁、锂的资源丰富，工作电压适中，充放电特性好，高放电功率，可快速充电，循环寿命长，高温和高热稳定性好，储能特性强，完全无毒。
磷酸铁锂电池（LiFePO4）是磷酸铁锂离子电池的简称，也称为“锂铁（LiFe）动力电池”或“铁电池”。磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。与其他锂电池最大的区别是电池的正极加入了铁元素。铁锂是最近几年才刚开始研究的一种很有潜力的材料，其安全性能与循环寿命是其他材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。
三元聚合物锂电池是指正极材料主要有镍钴锰酸锂[Li(NiCoN)O2]和镍钴铝酸锂等三元材料的锂电池，也称三元锂电。三元锂电的标称电压达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平，电池的能量密度优于磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池单体，能量密度为120W·h/kg，成组后为80W·h/kg；三元锂电池单体，能量密度为180W·h/kg，成组后能量密度为110W·h/kg。目前，随着配方的不断改进和结构完善，性能逐步得到提高。
镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂等三元材料的锂电池，其高温结构不稳定，在200 ℃左右发生分解，导致高温安全性差且pH值过高易使单体胀气，进而引发危险，而磷酸铁锂材料是在800 ℃左右。三元锂材料的化学反应更加剧烈，会释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，发生连锁反应，比磷酸铁锂材料更容易着火且造价较高。近年来，随着三元锂电技术和控制技术的发展，三元锂电的安全性能得到一定程度的改善和提高，加上其能量密度的优势，三元锂电也得到了广泛的应用，如在北汽EV160、EV200、特斯拉、吉利帝豪EV300等电动汽车的应用。
