電動汽車動力電池組成剖析

電動汽車電池簡介

電動汽車電池分兩大類，蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純電動汽車，包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉硫電池、二次鋰電池、空氣電池。

燃料電池專用于燃料電池電動汽車，包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC ）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC ）、直接甲醇燃料電池（DMFC ）。

電動汽車電池功能

隨著電動汽車的種類不同而略有差異。在僅裝備蓄電池的純電動汽車中，蓄電池的作用是汽車驅(qū)動系統(tǒng)的惟一動力源。而在裝備傳統(tǒng)發(fā)動機（或燃料電池）與蓄電池的混合動力汽車中，蓄電池既可扮演汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源的角色，也可充當輔助動力源的角色?？梢娫诘退俸蛦訒r，蓄電池扮演的是汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源的角色;在全負荷加速時，充當?shù)氖禽o助動力源的角色;在正常行駛或減速、制動時充當?shù)氖莾Υ婺芰康慕巧?/p>

電動汽車電池組成

燃料電池由陽極、陰極、電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極（即外電路的負極，也可稱燃料極）上連續(xù)供給氣態(tài)燃料（氫氣），而在陰極（即外電路的正極，也可稱空氣極）上連續(xù)供給氧氣（或空氣），就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。由此可見，燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外部的儲罐中。當它工作（輸出電流并做功）時，需要不間斷地向電池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時排出反應(yīng)產(chǎn)物。因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機。由于燃料電池工作時要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體（氣體或液體）。最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體（如重整氣）和某些液體（如甲醇水溶液），常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體（如過氧化氫和硝酸的水溶液等）。

燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對燃料的氧化產(chǎn)生催化作用，同時把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤傧蛲怆娐穫鬏敗ｊ帢O（氧電極）的作用是為氧和電解液提供公共界面，對氧的還原產(chǎn)生催化作用，從外電路向氧電極的反應(yīng)部位傳輸電子。由于電極上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，為提高反應(yīng)速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。

電解質(zhì)的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應(yīng)中所產(chǎn)生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。隔膜的作用是傳導(dǎo)離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此隔膜必須是抗電解質(zhì)腐蝕和絕緣的物質(zhì)，并具有良好耐潤濕性。

電池組

電動汽車電池組由多個電池串聯(lián)疊置組成。一個典型的電池組大約有96個電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個高壓電池，每次都對整個電池組進行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨立考慮每個電池的情況。如果電池組中的一個電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項包括串行外設(shè)接口（SPI）總線、I2C總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個選項是控制器局域網(wǎng)（CAN）總線，這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常魯棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。

私人購買新能源汽車補貼標準出臺后，部分試點城市的“再補貼”政策也隨即出臺，新能源汽車消費正逐步啟動。面對廣闊的市場前景，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、中海油、中石化等巨頭紛紛跑馬圈地，各地掀起一股興建充電站的風潮。

截至目前，上海漕溪、深圳龍崗、成都石羊、唐山南湖、延安、鄭州、南寧等地已經(jīng)建成、在建或近期將開建大量的充電站，其中上海計劃在三年內(nèi)達到5000個充電樁的規(guī)模；長春計劃三年內(nèi)建成15個充電站和5000個充電樁……電池尺寸、充電接口是否統(tǒng)一？電池質(zhì)量能否過關(guān)？快速充電對電池的損害究竟有多大？等一系列問題開始暴露出來。

電動汽車電池基本分類

電動汽車用電池為化學(xué)電源，它的分類方法很多。按電解液分為：

a. 堿性電池。即電解液為堿性水溶液的電池；

b. 酸性電池。即電解液為酸性水溶液的電池；

c. 中性電池。即電解液為中性水溶液的電池；

d. 有機電解質(zhì)溶液電池。即電解液為有機電解質(zhì)溶液的電池。

按活性物質(zhì)的存在方式分為：

a. 活性物質(zhì)保存在電極上。可分為一次電池（非再生式，原電池）和二次電池（再生式，蓄電池）；

b. 活性物質(zhì)連續(xù)供給電極?？煞譃榉窃偕剂想姵睾驮偕剂想姵?。

按電池的某些特點分為：

a. 高容量電池；

b. 免維護電池；

c. 密封電池；

d. 燃結(jié)式電池；

e. 防爆電池；

f. 扣式電池、矩形電池、圓柱形電池等。

盡管由于化學(xué)電源品種繁多，用途廣泛，外形差別大，使上述分類方法難以統(tǒng)一，但習慣上按其工作性質(zhì)及存貯方式不同，一般分為四類：

一次電池

一次電池，又稱“原電池”，即放電后不能用充電的方法使它復(fù)原的電池。換言之，這種電池只能使用一次，放電后電池只能被遺棄了。這類電池不能再充電的原因，或是電池反應(yīng)本身不可逆，或是條件限制使可逆反應(yīng)很難進行。如：

鋅錳干電池 Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2（C）

鋅汞電池 Zn│KOH│HgO

銀鋅電池 Zn│KOH│Ag2O

二次電池

二次電池，又稱“蓄電池”， 即放電后又可用充電的方法使活性物質(zhì)復(fù)原而能再次放電，且可反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池。這類電池實際上是一個化學(xué)能量貯存裝置，用直流電將電池充足，這時電能以化學(xué)能的形式貯存在電池中，放電時，化學(xué)能再轉(zhuǎn)換為電能。如：

鉛酸電池 Pb│H2SO4│PbO2

鎳鎘電池 Cd│KOH│NiOOH

鎳氫電池 H2│KOH│NiOOH

鋰離子電池 LiCoO2│有機溶劑│6C

鋅空氣電池 Zn│KOH│O2（空氣）

貯備電池

貯備電池，又稱“激活電池”，是正、負極活性物質(zhì)和電解液不直接接觸，使用前臨時注入電解液或用其他方法使電池激活的一類電池。這類電池的正、負極活性物質(zhì)的化學(xué)變質(zhì)或自放電，因與電解液的隔離而基本上被排除，從而使電池能長時間貯存。如：

鎂銀電池 Mg│MgCl2│AgCl

鈣熱電池 Ca│LiCl-KCl│CaCrO4（Ni）

鉛高氯酸電池 Pb│HclO4│PbO2

燃料電池

燃料電池，又稱“連續(xù)電池”，即只要活性物質(zhì)連續(xù)地注入電池，就能長期不斷地進行放電的一類電池。它的特點是電池自身只是一個載體，可以把燃料電池看成一種需要電能時將反應(yīng)物從外部送入電池的一種電池。如：

氫燃料電池 H2│KOH│O2

肼空燃料電池 N2H4│KOH│O2（空氣）

必須指出，上述分類方法并不意味著某一種電池體系只能分屬一次電池、二次電池、貯備電池或燃料電池。恰相反，某一種電池體系可以根據(jù)需要設(shè)計成不同類型的電池。如鋅銀電池，可以設(shè)計成一次電池，也可以設(shè)計成二次電池，或貯備電池。


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電動汽車電池的性能參數(shù)

化學(xué)電池品種繁多，性能各異。常用以表征其性能的指標有：電性能、機械性能、貯存性能等，有時還包括使用性能和經(jīng)濟成本。我們主要介紹其電性能和貯存性能。電性能包括：電動勢、額定電壓、開路電壓、工作電壓、終止電壓、充電電壓、內(nèi)阻、容量、比能量和比功率、貯存性能和自放電、壽命等。貯存性能主要取決于電池的自放電大小。

⑴ 電動勢

電池的電動勢，又稱電池標準電壓或理論電壓，為電池斷路時正負兩極間的電位差。電池的電動勢可以從電池體系熱力學(xué)函數(shù)自由能的變化計算而得。

⑵ 額定電壓

額定電壓（或公稱電壓），系指該電化學(xué)體系的電池工作時公認的標準電壓。例如，鋅錳干電池為1.5V，鎳鎘電池為1.2V，鉛酸蓄電池為2V，鋰離子電池為3.6V。

⑶ 開路電壓

電池的開路電壓是無負荷情況下的電池電壓。開路電壓不等于電池的電動勢。必須指出，電池的電動勢是從熱力學(xué)函數(shù)計算而得到的，而電池的開路電壓則是實際測量出來的。

⑷ 工作電壓

系指電池在某負載下實際的放電電壓，通常是指一個電壓范圍。例如，鉛酸蓄電池的工作電壓在2V～1.8V；鎳氫電池的工作電壓在1.5V～1.1V；鋰離子電池的工作電壓在3.6V～2.75V。

⑸ 終止電壓

系指放電終止時的電壓值，視負載和使用要求不同而異。以鉛酸蓄電池為例：電動勢為2.1V，額定電壓為2V，開路電壓接近2.15V，工作電壓為2V～1.8V，放電終止電壓為1.8V～1.5V（放電終止電壓根據(jù)放電率的不同，其終止電壓也不同）。

⑹ 充電電壓

系指外電路直流電壓對電池充電的電壓。一般的充電電壓要大于電池的開路電壓，通常在一定的范圍內(nèi)。例如，鎳鎘電池的充電壓在1.45V～1.5V；鋰離子電池的充電壓在4.1V～4.2V；鉛酸蓄電池的充電壓在2.25V～2.5V。

⑺ 內(nèi)阻

蓄電池的內(nèi)阻包括：正負極板的電阻，電解液的電阻，隔板的電阻和連接體的電阻等。

a. 正負極板電阻

目前普遍使用的鉛酸蓄電池正、負極板為涂膏式，由鉛銻合金或鉛鈣合金板柵架和活性物質(zhì)兩部分構(gòu)成。因此，極板電阻也由板柵電阻和活性物質(zhì)電阻組成。板柵在活性物質(zhì)內(nèi)層，充放電時，不會發(fā)生化學(xué)變化，所以它的電阻是板柵的固有電阻。活性物質(zhì)的電阻是隨著電池充放電狀態(tài)的不同而變化的。

當電池放電時，極板的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U（PbSO4），硫酸鉛含量越大，其電阻越大。而電池充電時將硫酸鉛還原為鉛（Pb），硫酸鉛含量越小，其電阻越小。

b. 電解液電阻

電解液的電阻視其濃度不同而異。在規(guī)定的濃度范圍內(nèi)一旦選定某一濃度后，電解液電阻將隨充放電程度而變。電池充電時，在極板活性物質(zhì)還原的同時電解液濃度增加，其電阻下降；電池放電時，在極板活性物質(zhì)硫酸化的同時電解液濃度下降，其電阻增加。

c. 隔板電阻

隔板的電阻視其孔率而異，新電池的隔板電阻是趨于一個固定值，但隨電池運行時間的延長，其電阻有所增加。因為，電池在運行過程中有些鉛渣和其他沉積物在隔板上，使得隔板孔率有所下降而增加了電阻。

d. 連接體電阻

連接體包括單體電池串聯(lián)時連接條等金屬的固有電阻，電池極板間的連接電阻，以及正、負極板組成極群的連接體的金屬電阻，若焊接和連接接觸良好，連接體電阻可視為一固定電阻。

每只電池所呈現(xiàn)的內(nèi)阻就是上述物體電阻的總和，電池內(nèi)阻R與電動勢、端電壓及放電電流的關(guān)系：Rs=（E-Uf）÷If

電池的內(nèi)阻在放電過程中會逐漸增加，而在充電過程中則逐漸減小。所以，電池在充放電過程中，端電壓也會因其內(nèi)阻的變化而變動。故端電壓在放電時低于電池的電動勢，充電時又高于電池的電動勢。

⑻ 容量

電池的容量單位為庫侖（C）或安時（Ah）。表征電池容量特性的專用術(shù)語有三個：

a. 理論容量。系指根據(jù)參加電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)電化學(xué)當量數(shù)計算得到的電量。通常，理論上1電化當量物質(zhì)將放出1法拉第電量，即96500C或26.8Ah（1電化當量物質(zhì)的量，等于活性物質(zhì)的原子量或分子量除以反應(yīng)的電子數(shù)）。

b. 額定容量。系指在設(shè)計和生產(chǎn)電池時，規(guī)定或保證在指定放電條件下電池應(yīng)該放出的最低限度的電量。

c. 實際容量。系指在一定的放電條件下，即在一定的放電電流和溫度下，電池在終止電壓前所能放出的電量。

電池的實際容量通常比額定容量大10%～20%。

電池容量的大小，與正、負極上活性物質(zhì)的數(shù)量和活性有關(guān)，也與電池的結(jié)構(gòu)和制造工藝與電池的放電條件（電流、溫度）有關(guān)。

影響電池容量因素的綜合指標是活性物質(zhì)的利用率。換言之，活性物質(zhì)利用得越充分，電池給出的容量也就越高。

活性物質(zhì)的利用率可以定義為：利用率=（電池實際容量/電池理論容量）&TImes;100%，或，利用率=（活性物質(zhì)理論用量/活性物質(zhì)實際用量）&TImes;100%。

⑼ 比能量和比功率

電池的輸出能量是指在一定的放電條件下，電池所能作出的電功，它等于電池的放電容量和電池平均工作電壓的乘積，其單位常用瓦時（Wh）表示。

電池的比能量有兩種。一種叫重量比能量，用瓦時/千克（Wh/kg）表示；另一種叫體積比能量，用瓦時/升（Wh/L）表示。比能量的物理意義是電池為單位重量或單位體積時所具有的有效電能量。它的比較電池性能優(yōu)劣的重要指標。

必須指出，單體電池和電池組的比能量是不一樣的。由于電池組合時總要有連接條、外部容器和內(nèi)包裝層等，故電池組的比能量總是小于單體電池的比能量。

電池的功率是指在一定的放電條件下，電池在單位時間內(nèi)所能輸出的能量。單位是瓦（W），或千瓦（kW）。電池的單位重量或單位體積的功率稱為電池的比功率，它的單位是瓦/千克（W/kg）或瓦/升（W/L）。如果一個電池的比功率較大，則表明在單位時間內(nèi)，單位重量或單位體積中給出的能量較多，即表示此電池能用較大的電流放電。因此，電池的比功率也是評價電池性能優(yōu)劣的重要指標之一。

⑽ 貯存性能和自放電

電池經(jīng)過干貯存（不帶電解液）或濕貯存（帶電解液）一定時間后，其容量會自行降低，這個現(xiàn)象稱自放電。所謂“貯存性能”是指電池開路時，在一定的條件下（如溫度、濕度）貯存一定時間后自放電的大小。

電池在貯存期間，雖然沒有放出電能量，但是在電池內(nèi)部總是存在著自放電現(xiàn)象。即使是干貯存，也會由于密封不嚴，進入水份、空氣及二氧化碳等物質(zhì)，使處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)的部分正極和負極活性物質(zhì)構(gòu)成微電池腐蝕機理，自行發(fā)生氧化還原反應(yīng)而白白消耗掉。如果是濕貯存，更是如此。長期處在電解液中的活性物質(zhì)也是不穩(wěn)定的。負極活性物質(zhì)大多是活潑金屬，都會發(fā)生陽極自溶。酸性溶液中，負極金屬是不穩(wěn)定的，在堿性溶液及中性溶液中也非十分穩(wěn)定。

電池自放電的大小，一般用單位時間內(nèi)容量減少的百分比表示，即：

自放電=（Co-Ct/Cot）&TImes;100%式中：Co──貯存前電池容量，Ah；Ct──貯存后電池容量，Ah；t──貯存時間，用天、周、月或年表示。

自放電的大小，也能用電池貯存至某規(guī)定容量時的天數(shù)表示，稱為貯存壽命。貯存壽命有兩種，即干貯存壽命和濕貯存壽命。對于在使用時才加入電解液的電池貯存壽命，習慣上也稱為干貯存壽命。干貯存壽命可以很長。對于出廠前已加入電解液的電池貯存壽命，習慣上稱為濕貯存壽命（或濕荷電壽命）。濕貯存時自放電嚴重，壽命較短。如銀鋅電池的干貯存壽命可達5～8年，但它的濕貯存壽命通常只有幾個月。

降低電池中自放電的措施，一般是采用純度較高的原材料，或?qū)⒃牧项A(yù)先處理，除去有害雜質(zhì)。也可在負極金屬板柵中加入氫過電位較高的金屬，如Ag、Cd等，還有的在溶液中加入緩蝕劑，目的都是抑制氫的析出，減少自放電反應(yīng)的發(fā)生。

⑾ 壽命

電池的壽命有“干貯存壽命”和“濕貯存壽命”兩個概念。必須指出，這兩個概念僅是針對電池自放電大小而言的，并非電池的實際使用期限。電池的真正壽命是指電池實際使用的時間長短。

對一次電池而言，電池的壽命是表征給出額定容量的工作時間（與放電倍率大小有關(guān)）。

對二次電池而言，電池的壽命分充放電循環(huán)壽命和濕擱置使用壽命兩種。

充放電循環(huán)壽命，是衡量二次電池性能的一個重要參數(shù)。經(jīng)受一次充電和放電，稱為一次循環(huán)（或一個周期）。在一定的充放電制度下，電池容量降至某一規(guī)定值之前，電池能耐受的充放電次數(shù)，稱為二次電池的充放電循環(huán)壽命。充放電循環(huán)壽命越長，電池的性能越好。在目前常用的二次電池中，鎘鎳電池的充放電循環(huán)壽命500～800次，鉛酸電池200～500次，鋰離子電池600～1000次，鋅銀電池很短，約100次左右。

二次電池的充放電循環(huán)壽命與放電深度、溫度、充放電制式等條件有關(guān)。所謂“放電深度”是指電池放出的容量占額定容量的百分數(shù)。減少放電深度（即“淺放電”），二次電池的充放電循環(huán)壽命可以大大延長。

濕擱置使用壽命，也是衡量二次電池性能的重要參數(shù)之一。它是指電池加入了電解液后開始進行充放電循環(huán)直至充放電循環(huán)壽命終止的時間（包括充放電循環(huán)過程中電池處于放電態(tài)濕擱置的時間）。濕擱置使用壽命越長，電池性能越好。在目前常用的電池中，鎘鎳電池濕擱置使用壽命2～3年，鉛酸電池3～5年，鋰離子電池5～8年，鋅銀電池最短，只有1年左右。

另外，電池的性能還有：低溫性能、耐過充電能力、安全性能等。

電動汽車電池充電步驟

當組合儀表上的相應(yīng)指示圖標（黃色）點亮或當儀表剩余點亮小于等于25%時，則此時該純電動汽車必須進行充電。（注意：充電溫度要求0℃—55℃，放電溫度要求零下20℃—60℃）

具體操作步驟如下：

1、 車輛應(yīng)該停放在遠離易燃易爆物品的室內(nèi)，換擋手柄置與“P”擋，拉起手剎，點火開關(guān)打到“OFF”。

2、 檢查冷卻液，確認液位是否正常。檢查充電樁插座，確保安全可靠。

3、 充電時，先插上“交流充電線”的供電端；之后，向上提拉駕駛員座椅左側(cè)的開鎖開關(guān)，打開充電口蓋，插入“交流充電線”車輛端。

4、 當組合儀表上圖標相應(yīng)圖標（紅色）點亮時，表示充電鏈接裝置已經(jīng)正常連接。當組合儀表上相應(yīng)圖標（黃色）點亮時，表示電動汽車電池已開始充電。

5、 組合儀表相應(yīng)圖標（黃色）熄滅后，表示動力電池已被充滿，請先拔去“交流充電線”車輛端，后拔去“交流充電線”供電段，關(guān)好充電口，整理好交流充電線。

相關(guān)注意事項：

1、 在車載自動啟動的溫度空盒子相關(guān)功能正常的情況下，為縮短充電時間，在車輛充電過程中，不建議使用車載用電設(shè)備。

2、 低溫情況下的充電，空調(diào)會給電池加熱的情況屬于正常。

3、 如果在電動汽車電池充電過程中遇到故障，請尋求專業(yè)人員進行處理，不要私自嘗試維修。

故障檢測

一、將電動汽車電池充滿電后，按照下圖把電池、電流表、電阻絲連接好。

1）用萬用表測量每一塊電池的電壓，并將其數(shù)值記下，同時記下放電的時間，調(diào)整電阻絲使電流表指針指在5A上。

2）在放電過程中應(yīng)保持電流表始終在5A上，并每隔20分鐘測量一次電池電壓，同時記下測量值，單只電池電壓下降到10.5V時，放電時間不得低于84分鐘。

二、電動汽車電池內(nèi)部斷路

有的電池內(nèi)部斷路，表現(xiàn)為電池有電壓無電流，整車有電、電機不轉(zhuǎn)，如更換一組新電池后，整車正常，則是電池的問題。

三、充電器綠燈不轉(zhuǎn)換

充電時充電器綠燈不轉(zhuǎn)換，空載時充電器綠燈亮，則一般情況是電池內(nèi)部缺水或缺稀硫酸所致，將電池上蓋打開后，旋下單向閥或安全閥，向電池內(nèi)注入適量專用補充液（5ml~8ml），充電6-10小時即可轉(zhuǎn)換。

四、電動汽車續(xù)行里程短

1）檢測電池是否有問題，如無問題則檢測下一項。

2）檢測整車空載電流和運行電流是否過大，空載電流不應(yīng)超過1.2安培，運行電流在載重500kg，時速40km/h，平坦水泥或柏油路面行駛時不應(yīng)大于7.5安培，如出現(xiàn)上述情況則更換控制器或電機再次進行測試。

3）如以上都沒有問題，則需要進行路試。