第2章　電動(dòng)汽車(chē)的電源系統(tǒng)

2.1　電池概述

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力儲(chǔ)能裝置包括所有動(dòng)力蓄電池、超級(jí)電容、飛輪電池和燃料電池等儲(chǔ)能元件及其以上各類電池的組合。

2.1.1　電池的基本組成

電池通常由電極（正極和負(fù)極）、電解質(zhì)、隔膜和外殼（容器）四部分組成。

電極是電池的核心部分，通常由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架組成?；钚晕镔|(zhì)是指可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放出電能的物質(zhì)，要求其電化學(xué)活性高、在電解液中的化學(xué)穩(wěn)定性高以及電子導(dǎo)電性好?；钚晕镔|(zhì)是決定化學(xué)電源基本特性的重要部分。導(dǎo)電骨架主要起傳導(dǎo)電子及支撐活性物質(zhì)的作用。當(dāng)電池通過(guò)外部電路（負(fù)載）放電時(shí)，電池的正極從外電路得到電子，而負(fù)極則向外電路輸出電子；對(duì)于電池內(nèi)部而言恰好相反。

電解質(zhì)在電池內(nèi)部陰、陽(yáng)極之間擔(dān)負(fù)傳遞電荷（帶電離子）的作用。電解質(zhì)一般為液體或固體。液體電解質(zhì)常稱為電解液，通常是酸、堿、鹽的水溶液；固體電解質(zhì)通常為鹽類，由固體電解質(zhì)組成的電池即稱為干電池。對(duì)電解液的要求是電導(dǎo)率高、溶液歐姆電壓較小。對(duì)于固體電解質(zhì)，要求具有離子導(dǎo)電性，而不具有電子導(dǎo)電性。電解質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)必須穩(wěn)定，使其在儲(chǔ)存期間與活性物質(zhì)界面間的電化學(xué)反應(yīng)速率小，這樣電池自放電時(shí)容量損失減小。

為了避免電池內(nèi)陰、陽(yáng)極之間的距離較近而產(chǎn)生內(nèi)部短路，產(chǎn)生嚴(yán)重的自放電現(xiàn)象，需要在其陰、陽(yáng)極之間加放絕緣的隔膜，隔膜的形狀一般為薄膜、板材或膠狀物等。對(duì)隔膜的要求是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)電解質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)的阻力小，是電的良好絕緣體，并可以阻擋從電極上脫落的活性物質(zhì)微粒和枝晶的生長(zhǎng)。

電池的外殼是盛放和保護(hù)電池電極、電解質(zhì)、隔膜的容器。通常要求外殼具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，耐振動(dòng)、耐沖擊、耐腐蝕。

2.1.2　電池的基礎(chǔ)知識(shí)

（1）電池的組合　蓄電池作為動(dòng)力源，通常要求有較高的電壓和電流，因此需要將若干個(gè)單體電池通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)與復(fù)聯(lián)的方式組合成電池組使用。電池組合中對(duì)單體電池性能具有嚴(yán)格的要求，在同一組電池中必須選擇同一系列、同一規(guī)格、性能盡量一致的單體電池。

（2）電池的放電　電池的放電是將電池內(nèi)儲(chǔ)存的化學(xué)能以電能方式釋放出來(lái)的過(guò)程，即電池向外電路釋放電流。蓄電池的放電參數(shù)主要包括放電深度、放電率和連續(xù)放電時(shí)間。放電深度是指電池當(dāng)前的放電狀態(tài)，用實(shí)際放電容量和額定容量的百分比來(lái)表示。放電率是指放電時(shí)的速率，常用時(shí)率或是倍率表示。時(shí)率是指一定的放電電流放完額定容量所需的時(shí)間（h），倍率是指規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所輸出電流的數(shù)值和額定值的比。連續(xù)放電時(shí)間是指蓄電池開(kāi)始不間斷地放電至終止電壓時(shí)所能進(jìn)行的時(shí)間。放電的方式又分為工況放電、倍率放電、深度放電、恒流放電、恒功率放電。

（3）電池的充電　電池的充電是將外部電源輸入蓄電池的直流電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)的過(guò)程。蓄電池的充電參數(shù)主要包括充電特性、完全充電和充電率。充電特性是指充電時(shí)蓄電池的電流、電壓與時(shí)間之間的關(guān)系。完全充電是蓄電池內(nèi)所有可利用的活性物質(zhì)均已轉(zhuǎn)變成完全荷電的狀態(tài)。充電率是指充電時(shí)的速率，也用時(shí)率或是倍率來(lái)表示。蓄電池的荷電狀態(tài)是指蓄電池當(dāng)前容量與全荷電容量的比例。充電方式又分為恒壓充電、恒流充電、涓流充電及浮充電。

（4）電池的極化　極化是電池由靜止?fàn)顟B(tài)（電流I=0）轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)（I>0）產(chǎn)生的電池電壓、電極電位的變化現(xiàn)象。電壓和電流的乘積等于功率，再乘以電池運(yùn)行時(shí)間即為輸出電能，因此極化現(xiàn)象反映了由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)能量損失的大小，極化損失越小越好。極化現(xiàn)象也可理解為對(duì)平衡現(xiàn)象的偏離。熱力學(xué)平衡過(guò)程和可逆現(xiàn)象緊密相連?？赡孢^(guò)程或平衡過(guò)程的變化率是非常小的，但實(shí)際過(guò)程必須有一定的速率，有時(shí)還要求有很高的速率，如電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)要求有大電流放電，即要求反應(yīng)速率很快，這樣必然發(fā)生偏離平衡值的現(xiàn)象，即極化現(xiàn)象。常見(jiàn)的極化現(xiàn)象包括陽(yáng)極極化、陰極極化、歐姆極化（電阻極化）、濃差和電化學(xué)極化等。陽(yáng)、陰極極化是指電池進(jìn)入工作狀態(tài)后陽(yáng)、陰極電位出現(xiàn)偏離平衡值的現(xiàn)象。電池的電阻包括電解質(zhì)的電阻、電極材料的電阻，甚至還有因?yàn)榉磻?yīng)產(chǎn)物的附著（如氫氧化物沉淀在電極上）形成的電阻等。濃差極化是電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，作用物濃度的變化造成電極電位對(duì)平衡值的偏差。任何極化過(guò)程都包括一個(gè)或幾個(gè)反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)接收電子或失去電子的過(guò)程，由這一過(guò)程引起的極化叫作電化學(xué)極化。

（5）記憶效應(yīng)　記憶效應(yīng)是指電池在沒(méi)有完全放電之前就重新充電，電池會(huì)儲(chǔ)存這一放電平臺(tái)并且在下次循環(huán)中將其作為放電的終點(diǎn)，雖然電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺(tái)上，但在以后的放電過(guò)程中，電池將僅記得這一低容量。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電均會(huì)加深這一效應(yīng)，使電池容量逐漸變低，這主要表現(xiàn)在鎳鎘電池中。對(duì)于其他蓄電池，該效應(yīng)較小或是不存在，其原因是電池內(nèi)生長(zhǎng)晶枝，通過(guò)深度充放電雖然可緩解，但如此會(huì)損壞電池，比較好的方法是采用脈沖充電法，不但可抑制晶枝的生長(zhǎng)，還有可能使一些生長(zhǎng)的晶枝得到溶解。

2.1.3　電池的種類

電池的種類繁多，劃分的方法也有多種。車(chē)用動(dòng)力電池，按其原理劃分，主要可分為生物電池、物理電池及化學(xué)電池三大類。生物電池是利用生物（如生物酶、微生物或葉綠素等）分解反應(yīng)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的帶電現(xiàn)象所進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換，包括酶電池、微生物電池和生物太陽(yáng)能電池等。它主要具有體積小、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、可在常溫常壓下使用等優(yōu)點(diǎn)。隨著全球能源危機(jī)的提出，目前對(duì)生物電池的研究逐漸深入。物理電池是指利用物理原理制成的電池，其特點(diǎn)是可以在一定條件下實(shí)現(xiàn)直接的能量轉(zhuǎn)換，主要包括太陽(yáng)能電池、飛輪電池、核能電池和溫差電池。太陽(yáng)能電池是利用光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，然后將輸出的直流電存儲(chǔ)在蓄電池中。飛輪電池是將電能轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，飛輪以高速旋轉(zhuǎn)來(lái)儲(chǔ)存動(dòng)能，然后利用電動(dòng)機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能輸出。核能電池是依靠核子發(fā)生裂變或聚變工作的。溫差電池是一種直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能的電池?；瘜W(xué)電池是將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置，也稱為化學(xué)電源。另外還有超級(jí)電容器，它是一種介于傳統(tǒng)電解質(zhì)電容器及電化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能元件。

化學(xué)電池是生活中使用最多的電池?；瘜W(xué)電池一般按電解液種類、正負(fù)極材料和其功能有如下三種分類方式。

（1）按電池的電解液種類分類　按電池的電解液種類可以分為堿性電池、酸性電池、中性電池及有機(jī)電解液電池四類。堿性電池的電解質(zhì)主要是以氫氧化鉀水溶液為主，如堿性鋅錳電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等；酸性電池主要以硫酸溶液為介質(zhì)，如鉛酸電池；中性電池是以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池；有機(jī)電解液電池是以有機(jī)溶液為介質(zhì)的電池，如鋰電池、鋰離子電池等。

（2）按電池的正負(fù)極材料分類　按電池的正負(fù)極材料可分為鋅系列電池、鎳系列電池、鉛系列電池、鋰系列電池、二氧化錳系列電池及空氣系列電池等。鋅系列電池包括鋅錳電池、鋅銀電池等；鎳系列電池包括鎳鎘電池、鎳氫電池等；鉛系列電池包括鉛酸電池等；鋰系列電池包括鋰離子電池、鋰錳電池、聚合物鋰電池、磷酸鐵鋰電池等；二氧化錳系列電池包括鋅錳電池、堿錳電池等；空氣電池系列包括鋅空氣電池、鋁空氣電池等。

（3）按電池功能分類　按電池功能分類是指根據(jù)工作性質(zhì)或儲(chǔ)存方式不同進(jìn)行分類的分類法，主要分為一次電池、二次電池、燃料電池及儲(chǔ)備電池四類。一次電池又稱為原電池，即不能再充電的電池。若原電池中的電解質(zhì)不流動(dòng)則稱為干電池，如鋅錳干電池、鋅汞干電池、鋅銀干電池等。二次電池即可充電的電池，習(xí)慣上稱為蓄電池。它是目前電動(dòng)汽車(chē)上用得最多的動(dòng)力電池，主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池及磷酸鐵鋰電池等。燃料電池又叫作“連續(xù)電池”，即將活性物質(zhì)連續(xù)注入電池，使其連續(xù)放電的電池。儲(chǔ)備電池又叫作“激活電池”，這類電池的正負(fù)極活性物質(zhì)在儲(chǔ)存期不直接接觸，使用前臨時(shí)注入電解液或用其他方法使電池激活，如鋅銀電池、鎂銀電池。

2.1.4　電池的性能指標(biāo)

（1）電池的容量　電池的容量是指完全充電的蓄電池在規(guī)定條件下所釋放的總電量，通常用字母C來(lái)表示，其單位為安時(shí)（A·h）。與其相關(guān)的還有蓄電池儲(chǔ)存性能，即表示蓄電池長(zhǎng)期擱置后容量變化的特性。電池容量一般有理論容量、額定容量、可用容量、剩余容量。

（2）電池的能量　電池的能量是指在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池對(duì)外做功所能輸出的電能，其單位是瓦時(shí)（W·h）或千瓦時(shí)（kW·h）。電池的能量一般有總能量、充電能量、放電能量。

在此需格外強(qiáng)調(diào)容量與能量的區(qū)別，前者表示電池輸出的電量，而后者表示其做功能力。能量可以用容量乘以放電平均電壓求出。電氣設(shè)備用電流控制時(shí)，則用容量衡量；當(dāng)電壓顯得重要時(shí)，則多用能量衡量。分析比較電動(dòng)汽車(chē)能量利用效率時(shí)即用能量。

（3）能量密度與功率密度　能量密度與功率密度分別指從蓄電池的單位質(zhì)量（或體積）所獲取的電能與輸出功率，也分別被稱為比能量與比功率。有以下四種具體表示法。

①質(zhì)量能量密度　也稱質(zhì)量比能量，單位為W·h/kg。

②體積能量密度　也稱體積比能量，單位為W·h/L。

③質(zhì)量功率密度　也稱質(zhì)量比功率，單位為W/kg。

④體積功率密度　也稱體積比功率，單位為W/L。

能量密度和功率密度的區(qū)別在于，蓄電池的功率密度一定程度地解決了汽車(chē)的加速性、爬坡性及最高車(chē)速，而蓄電池的能量密度決定了汽車(chē)一次充電后的續(xù)駛里程。蓄電池的重量也一定程度地影響了汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力，而電池的體積決定了汽車(chē)各部件在汽車(chē)底盤(pán)的布局空間。因此電動(dòng)汽車(chē)希望比功率和比能量都能較大。但通常來(lái)說(shuō)，蓄電池的功率密度增加時(shí)，能量密度要下降。其原因?yàn)樾铍姵貎?nèi)產(chǎn)生高電流的化學(xué)反應(yīng)限制了能量密度，為了形成高電流，需要大量的集電器；為了讓出空間，就得縮小儲(chǔ)存電能量的電極材料的體積。

（4）電池的開(kāi)路電壓　蓄電池處于開(kāi)路狀態(tài)下電極兩端的電位差稱為開(kāi)路電壓，通常用高內(nèi)阻的電壓表或萬(wàn)用表測(cè)量。電池的開(kāi)路電壓主要取決于構(gòu)成電池的材料特性，如正、負(fù)極材料和電解液的性質(zhì)。對(duì)于同一系列的電池，若材料來(lái)源不同，晶型結(jié)構(gòu)不同，制成電池的開(kāi)路電壓也會(huì)有差異，這一點(diǎn)在電池組合時(shí)需格外注意，即要選擇性能盡量一致的單體電池為同一組。開(kāi)路電壓是電池體系的一種特征數(shù)據(jù)，隨著電池存放時(shí)間的延長(zhǎng)，其開(kāi)路電壓會(huì)有所降低，這是由電池自放電引起的，但下降幅度不大。若電池的開(kāi)路電壓下降很快，則表示電池內(nèi)部可能存在慢性短路或電池性能衰退。

（5）電池的內(nèi)阻　電池放電時(shí)的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻與極化電阻。歐姆內(nèi)阻是電池中各組成部分的電子導(dǎo)電阻力、離子導(dǎo)電阻力及接觸阻力之和，與電極結(jié)構(gòu)和裝配工藝有關(guān)。極化電阻是由電極反應(yīng)形成的，和電極反應(yīng)的本質(zhì)及材料有關(guān)。電池內(nèi)阻越小，電池工作輸出電流時(shí)其內(nèi)部的壓降就越小，電池就可以輸出較高的工作電壓和較大的電流，輸出能量及容量也就越大。

（6）電池的工作電壓、放電終止電壓和放電曲線　電池工作電壓是指電池放電時(shí)，電池兩極之間的電位差，也稱為放電電壓或端電壓。工作電壓應(yīng)等于其開(kāi)路電壓減去電池內(nèi)阻的壓降，和放電制度有關(guān)。放電制度是指電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要有放電方式（指連續(xù)或間斷）、放電電阻、放電電流、放電時(shí)間、放電終止電壓和放電環(huán)境溫度等。

放電終止電壓是指電池放電時(shí)，電壓下降至不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓。根據(jù)不同的電池類型和放電條件，對(duì)電池容量和壽命的要求也不同，所以所規(guī)定的電池放電終止電壓也不同。通常在低溫或大電流放電時(shí)，終止電壓要求低，由于此時(shí)電極極化大，活性物質(zhì)不能得到充分利用，電池電壓下降較快。而在小電流放電時(shí)，終止電壓就規(guī)定較高，因?yàn)樾‰娏鞣烹婋姌O極化小，且活性物質(zhì)可以得到充分利用。

放電曲線表示在一定放電條件下，連續(xù)放電時(shí)電池的工作電壓隨著時(shí)間變化的關(guān)系曲線。圖2-1所示為某電池在不同放電率下的放電曲線。

從圖2-1中可知放電時(shí)其工作電壓隨時(shí)間的變化過(guò)程，通過(guò)放電曲線也可以計(jì)算出放電時(shí)間和放電量。放電時(shí)率小，其電壓下降速度快，終止電壓低，放電時(shí)間也短；反之放電時(shí)率大，其工作電壓下降慢，通常也能輸出較多的能量。工作電壓的變化速度也被稱作放電曲線的平穩(wěn)度。

（7）電池的壽命　電池的壽命是指電池使用時(shí)間或充電循環(huán)次數(shù)所表示的電池耐用性。循環(huán)充電電池經(jīng)歷一次充電與放電的過(guò)程，稱為一個(gè)循環(huán)或一個(gè)周期。在一定的充放電制度下，電池容量降低到某一規(guī)定值時(shí)，電池所能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，稱為蓄電池的循環(huán)壽命。影響蓄電池循環(huán)壽命的主要因素：在充放電過(guò)程中，電極活性表面積減??；電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移；電極材料發(fā)生腐蝕；電池內(nèi)部短路；隔膜損壞和活性物質(zhì)晶型改變，活性降低。在每個(gè)充放電循環(huán)中，電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會(huì)慢慢老化變質(zhì)，活性衰減，化學(xué)功能減弱，使得電池的充放電效率逐漸下降，最后電池喪失功能而報(bào)廢。蓄電池的循環(huán)周期與其充電和放電的形式、使用環(huán)境溫度和放電深度有關(guān)，放電深度“淺”時(shí)，有助于延長(zhǎng)電池的壽命。蓄電池在電動(dòng)汽車(chē)上的使用環(huán)境、電池組中各個(gè)電池的均衡性以及安裝方式等均會(huì)影響電池的使用壽命。

（8）電池的溫度特性　環(huán)境溫度是影響電池性能的重要因素。電池對(duì)環(huán)境溫度及溫度升高的情況均比較敏感。大部分電池都要求在較狹窄的溫度范圍內(nèi)工作，方可保持較高的性能，否則就會(huì)損壞。所以，電池在電動(dòng)汽車(chē)上安裝使用時(shí)，必須注意其環(huán)境溫度及溫度變化的調(diào)節(jié)控制。

2.1.5　各類車(chē)用電池的性能比較

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電源的主要要求包括比功率高（在大電流工況下能夠平穩(wěn)放電，提高加速、爬坡性能）、比能量大（延長(zhǎng)續(xù)駛里程）、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全可靠、成本低、對(duì)使用環(huán)境溫度要求低、能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境污染小等。

電動(dòng)汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展很大程度上決定于動(dòng)力電池的各項(xiàng)性能。各類車(chē)用動(dòng)力電池的性能比較見(jiàn)表2-1。