3.1　動(dòng)力電池簡介

3.1.1　電動(dòng)汽車對動(dòng)力電池的要求

① 動(dòng)力電池能量密度要高。目前電動(dòng)汽車上使用動(dòng)力電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度都很低，其中鉛酸電池質(zhì)量能量密度為35～40W·h/kg，鎳氫電池質(zhì)量能量密度為60～80W·h/kg，鋰離子電池質(zhì)量能量密度為150～180W·h/kg，而汽油的質(zhì)量能量密度為10000～12000W·h/kg，一輛轎車攜帶50kg汽油可行駛600km，而同樣的轎車若攜帶400kg的動(dòng)力電池只能行駛100～300km。

② 動(dòng)力電池快速充電接受能力要高。以目前電池的充電接受能力及智能充電設(shè)備，很難做到在3～5min內(nèi)快速地為蓄電池充足電。目前鋰離子電池為了安全及保障電池的使用壽命，最多使用0.15C～0.2C的充電率進(jìn)行充電，需要5～8h方可將全放電的蓄電池充滿電?？焖俪潆姇r(shí)要能接受數(shù)百安甚至上千安的脈沖充電電流，可在10～30min內(nèi)充滿動(dòng)力電池80%的容量。

③ 動(dòng)力電池在顛簸振動(dòng)、深度放電時(shí)不影響壽命。電動(dòng)汽車的使用環(huán)境復(fù)雜，在使用中受到顛簸振動(dòng)、高溫低溫、深度放電是不可避免的，不能因此而影響電池的使用壽命。

④ 動(dòng)力電池的價(jià)格要便宜。目前在電動(dòng)汽車上使用的動(dòng)力電池中最便宜的是鉛酸動(dòng)力電池，但該電池能量密度低，使電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程短。其他像鋰離子電池、燃料電池、鋅鋁電池等價(jià)格均較高，再加上電池管理系統(tǒng)（BMS）價(jià)格就更高，幾乎占整車成本的三分之一到一半左右。電動(dòng)汽車要普及，除國家進(jìn)行補(bǔ)貼外動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)成本降低是關(guān)鍵。

3.1.2　車用動(dòng)力電池的分類

電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池根據(jù)容量大小和輸出功率，可分為能量型動(dòng)力電池、功率型動(dòng)力電池、能量和功率兼顧型動(dòng)力電池三類。

（1）能量型動(dòng)力電池　通常具有較大的容量，能夠提供較持久的電力，常用于純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。不僅能夠提高純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，降低污染物的排放，還能在車輛制動(dòng)時(shí)回饋吸收部分制動(dòng)能量。

（2）功率型動(dòng)力電池　容量可以比較小，但需要在瞬間能提供大功率大電流輸出。最典型的就是超級電容器，既能大電流對外放電又能大電流吸收制動(dòng)回饋能量，便于電動(dòng)汽車的啟動(dòng)、爬坡、加速和制動(dòng)回饋能量。

（3）能量和功率兼顧型動(dòng)力電池　能較長時(shí)間提供大功率輸出，也能接受大功率輸入，主要運(yùn)用于插電式混合動(dòng)力汽車上。

3.1.3　動(dòng)力蓄電池

蓄電池是一種可逆的直流電源，既能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，又能將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，用作電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存裝置。電動(dòng)汽車就是依靠蓄電池來供應(yīng)能源，由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)行駛的汽車。電動(dòng)汽車的蓄電池有鉛酸電池、硅酸鹽電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、鋅鎳電池、鋁空氣電池等。就現(xiàn)有電動(dòng)汽車市場對動(dòng)力蓄電池的使用情況來看，主要有鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池三種。密封閥控式鉛酸電池在動(dòng)力電池中技術(shù)最成熟、歷史最悠久、性價(jià)比最高，但比能量低（參與電極反應(yīng)的單位質(zhì)量電極材料放出電能的大小稱為該電池的比能量）。隨著國家對新能源電動(dòng)汽車的扶持，在新型蓄電池中鎳氫電池和鋰離子電池分別以其各自的性能和技術(shù)優(yōu)勢快速發(fā)展。

（1）鉛酸電池　自1859年發(fā)明以來，其使用和發(fā)展有一百五十多年的歷史，早期就是運(yùn)用于電動(dòng)汽車的。由于鉛酸電池技術(shù)成熟、可靠性好，原材料容易獲得，價(jià)格便宜，比功率也基本上能夠滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力要求，因此在早期的電動(dòng)汽車和現(xiàn)代微型電動(dòng)汽車上廣泛使用。

（2）鎳氫電池　是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種綠色無污染堿性蓄電池。鎳氫動(dòng)力電容電池由不銹鋼殼體、正極板、負(fù)極板、隔膜、電解液等組成。正、負(fù)極板分別由鎳類活性物質(zhì)、稀土合金粉與活性炭制備而成。隔膜以纖維形式構(gòu)成。電解液由堿性材料按一定配比構(gòu)成。鎳氫電池的電能儲(chǔ)備和使用壽命遠(yuǎn)優(yōu)于閥控鉛酸電池，且不含鉛、鎘等重金屬。目前主要是用在電動(dòng)公交車、電動(dòng)旅游觀光車、電動(dòng)工具車和鐵路等系統(tǒng)，還使用在坦克、潛艇等軍事裝備中。在豐田普銳斯Prius等部分混合動(dòng)力車中也廣泛使用這種電池。

（3）鋰離子電池　是指以嵌入鋰化合物為正極材料的蓄電池的總稱。由日本索尼公司在1990年向市場推出，屬于世界上最新一代充電電池。與其他電池相比，鋰離子電池能量密度更高，循環(huán)壽命更長，且無污染、無記憶效應(yīng)，被視為未來理想的動(dòng)力源之一。但鋰離子電池正極嵌入鋰化物使電池價(jià)格過高，不便于普及使用。大規(guī)模用于電動(dòng)汽車，使鋰離子電池低價(jià)格化成為最大的問題和最重要的發(fā)展目標(biāo)。

（4）燃料電池　電能來源于氫氣和空氣中的氧氣，在催化作用下經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)生成。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高出內(nèi)燃機(jī)的2～3倍，且排放物只有水，沒有污染。從能源利用和環(huán)保的角度考慮，燃料電池是車用電池中最有效的解決方案，但價(jià)格高。目前燃料電池最適合在汽車上使用的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell）。由于質(zhì)子交換膜只傳導(dǎo)質(zhì)子，氫質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜直接到達(dá)陰極，而電子通過外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)閉合外電路電子通過外電路流動(dòng)時(shí)，直流電便產(chǎn)生了。上海燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)有限公司已成功研制了3代超越系列燃料電池純電動(dòng)汽車，并參加了6界世界新能源汽車挑戰(zhàn)賽，取得了好成績。燃料電池汽車具有噪聲小、運(yùn)行平穩(wěn)、顯著提高燃料的利用率等優(yōu)點(diǎn)，受到各國研發(fā)機(jī)構(gòu)的高度重視。但氫的存儲(chǔ)和質(zhì)子交換膜的成本過高，是普及發(fā)展燃料電池汽車的瓶頸。

除了上述的蓄電池、燃料電池外，還有與蓄電池和燃料電池搭配混合使用的超級電容器（Supercapacitors）和飛輪電池（Flywheel Battery）。超級電容器又稱黃金電容、雙層電容，由電極、電解質(zhì)、隔膜連接柱和排氣閥等組成，是借助電極表面快速的氧化還原反應(yīng)來儲(chǔ)存電能的一種儲(chǔ)能裝置。由于在儲(chǔ)能過程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且儲(chǔ)能過程可逆，所以它是一種物理性的儲(chǔ)能電源。超級電容器的主要特點(diǎn)是，功率密度比蓄電池高、充電快、循環(huán)使用壽命長、綠色無污染，但自放電快、儲(chǔ)存電能的時(shí)間短。目前在汽車上使用的是碳電極超級電容。另外一種物理方式的儲(chǔ)能裝置就是飛輪電池，其組成部分主要有飛輪、電動(dòng)機(jī)、超導(dǎo)磁懸浮軸承、電力電子轉(zhuǎn)換器等，其中飛輪是核心部件，通過電動(dòng)機(jī)將外部系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來。1992年美國飛輪系統(tǒng)公司（AFS）開發(fā)了一種用在汽車上的機(jī)-電電池（EMB），電池內(nèi)部的飛輪及轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部分如圖3-1所示。電池內(nèi)部的飛輪及轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部分全部安裝在密閉的真空金屬池內(nèi)，每個(gè)“電池”長18cm，直徑為23cm，質(zhì)量為23kg。電池的核心是一個(gè)以2×105r/min旋轉(zhuǎn)的碳纖飛輪，每個(gè)電池儲(chǔ)能為1kW·h，將12個(gè)“電池”放在IMPACT轎車上，能使該車以100km/h的速度行駛480km。機(jī)-電電池總質(zhì)量為273kg，若采用鉛酸電池，則總質(zhì)量為396kg。機(jī)-電電池所儲(chǔ)的能量為鉛酸電池的2.5倍，使用壽命是鉛酸電池的8倍，且它的“比功率”（即爆發(fā)力）極高，是鉛酸電池的25倍，是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍，它可將該車在8s內(nèi)由靜止加速至100km/h。