第2章　電動汽車的電源系統

2.1　電池概述

電動汽車動力儲能裝置包括所有動力蓄電池、超級電容、飛輪電池和燃料電池等儲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（正極和負極）、電解質、隔膜和外殼（容器）四部分組成。

電極是電池的核心部分，通常由活性物質和導電骨架組成。活性物質是指可以通過化學反應釋放出電能的物質，要求其電化學活性高、在電解液中的化學穩定性高以及電子導電性好。活性物質是決定化學電源基本特性的重要部分。導電骨架主要起傳導電子及支撐活性物質的作用。當電池通過外部電路（負載）放電時，電池的正極從外電路得到電子，而負極則向外電路輸出電子；對于電池內部而言恰好相反。

電解質在電池內部陰、陽極之間擔負傳遞電荷（帶電離子）的作用。電解質一般為液體或固體。液體電解質常稱為電解液，通常是酸、堿、鹽的水溶液；固體電解質通常為鹽類，由固體電解質組成的電池即稱為干電池。對電解液的要求是電導率高、溶液歐姆電壓較小。對于固體電解質，要求具有離子導電性，而不具有電子導電性。電解質的化學性質必須穩定，使其在儲存期間與活性物質界面間的電化學反應速率小，這樣電池自放電時容量損失減小。

為了避免電池內陰、陽極之間的距離較近而產生內部短路，產生嚴重的自放電現象，需要在其陰、陽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。對隔膜的要求是化學性質穩定，有一定的機械強度，對電解質離子運動的阻力小，是電的良好絕緣體，并可以阻擋從電極上脫落的活性物質微粒和枝晶的生長。

電池的外殼是盛放和保護電池電極、電解質、隔膜的容器。通常要求外殼具有足夠的機械強度和化學穩定性，耐振動、耐沖擊、耐腐蝕。

2.1.2　電池的基礎知識

（1）電池的組合　蓄電池作為動力源，通常要求有較高的電壓和電流，因此需要將若干個單體電池通過串聯、并聯與復聯的方式組合成電池組使用。電池組合中對單體電池性能具有嚴格的要求，在同一組電池中必須選擇同一系列、同一規格、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儲存的化學能以電能方式釋放出來的過程，即電池向外電路釋放電流。蓄電池的放電參數主要包括放電深度、放電率和連續放電時間。放電深度是指電池當前的放電狀態，用實際放電容量和額定容量的百分比來表示。放電率是指放電時的速率，常用時率或是倍率表示。時率是指一定的放電電流放完額定容量所需的時間（h），倍率是指規定時間內放出其額定容量時所輸出電流的數值和額定值的比。連續放電時間是指蓄電池開始不間斷地放電至終止電壓時所能進行的時間。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換為化學能儲存起來的過程。蓄電池的充電參數主要包括充電特性、完全充電和充電率。充電特性是指充電時蓄電池的電流、電壓與時間之間的關系。完全充電是蓄電池內所有可利用的活性物質均已轉變成完全荷電的狀態。充電率是指充電時的速率，也用時率或是倍率來表示。蓄電池的荷電狀態是指蓄電池當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　極化是電池由靜止狀態（電流I=0）轉入工作狀態（I>0）產生的電池電壓、電極電位的變化現象。電壓和電流的乘積等于功率，再乘以電池運行時間即為輸出電能，因此極化現象反映了由靜止狀態轉入工作狀態能量損失的大小，極化損失越小越好。極化現象也可理解為對平衡現象的偏離。熱力學平衡過程和可逆現象緊密相連。可逆過程或平衡過程的變化率是非常小的，但實際過程必須有一定的速率，有時還要求有很高的速率，如電動汽車驅動時要求有大電流放電，即要求反應速率很快，這樣必然發生偏離平衡值的現象，即極化現象。常見的極化現象包括陽極極化、陰極極化、歐姆極化（電阻極化）、濃差和電化學極化等。陽、陰極極化是指電池進入工作狀態后陽、陰極電位出現偏離平衡值的現象。電池的電阻包括電解質的電阻、電極材料的電阻，甚至還有因為反應產物的附著（如氫氧化物沉淀在電極上）形成的電阻等。濃差極化是電化學反應進行時，作用物濃度的變化造成電極電位對平衡值的偏差。任何極化過程都包括一個或幾個反應質點接收電子或失去電子的過程，由這一過程引起的極化叫作電化學極化。

（5）記憶效應　記憶效應是指電池在沒有完全放電之前就重新充電，電池會儲存這一放電平臺并且在下次循環中將其作為放電的終點，雖然電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上，但在以后的放電過程中，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加深這一效應，使電池容量逐漸變低，這主要表現在鎳鎘電池中。對于其他蓄電池，該效應較小或是不存在，其原因是電池內生長晶枝，通過深度充放電雖然可緩解，但如此會損壞電池，比較好的方法是采用脈沖充電法，不但可抑制晶枝的生長，還有可能使一些生長的晶枝得到溶解。

2.1.3　電池的種類

電池的種類繁多，劃分的方法也有多種。車用動力電池，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）分解反應過程中表現出來的帶電現象所進行的能量轉換，包括酶電池、微生物電池和生物太陽能電池等。它主要具有體積小、無污染、壽命長、可在常溫常壓下使用等優點。隨著全球能源危機的提出，目前對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，其特點是可以在一定條件下實現直接的能量轉換，主要包括太陽能電池、飛輪電池、核能電池和溫差電池。太陽能電池是利用光電效應，將光能轉化為電能，然后將輸出的直流電存儲在蓄電池中。飛輪電池是將電能轉換為飛輪的旋轉動能，飛輪以高速旋轉來儲存動能，然后利用電動機將動能轉變成電能輸出。核能電池是依靠核子發生裂變或聚變工作的。溫差電池是一種直接將熱能轉換成電能的電池。化學電池是將化學反應產生的能量直接轉換為電能的裝置，也稱為化學電源。另外還有超級電容器，它是一種介于傳統電解質電容器及電化學電池之間的新型儲能元件。

化學電池是生活中使用最多的電池。化學電池一般按電解液種類、正負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、中性電池及有機電解液電池四類。堿性電池的電解質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，如鉛酸電池；中性電池是以鹽溶液為介質，如鋅錳干電池；有機電解液電池是以有機溶液為介質的電池，如鋰電池、鋰離子電池等。

（2）按電池的正負極材料分類　按電池的正負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工作性質或儲存方式不同進行分類的分類法，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不流動則稱為干電池，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，習慣上稱為蓄電池。它是目前電動汽車上用得最多的動力電池，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“連續電池”，即將活性物質連續注入電池，使其連續放電的電池。儲備電池又叫作“激活電池”，這類電池的正負極活性物質在儲存期不直接接觸，使用前臨時注入電解液或用其他方法使電池激活，如鋅銀電池、鎂銀電池。

2.1.4　電池的性能指標

（1）電池的容量　電池的容量是指完全充電的蓄電池在規定條件下所釋放的總電量，通常用字母C來表示，其單位為安時（A·h）。與其相關的還有蓄電池儲存性能，即表示蓄電池長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準所規定的放電條件下，電池對外做功所能輸出的電能，其單位是瓦時（W·h）或千瓦時（kW·h）。電池的能量一般有總能量、充電能量、放電能量。

在此需格外強調容量與能量的區別，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。電氣設備用電流控制時，則用容量衡量；當電壓顯得重要時，則多用能量衡量。分析比較電動汽車能量利用效率時即用能量。

（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質量能量密度　也稱質量比能量，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質量功率密度　也稱質量比功率，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別在于，蓄電池的功率密度一定程度地解決了汽車的加速性、爬坡性及最高車速，而蓄電池的能量密度決定了汽車一次充電后的續駛里程。蓄電池的重量也一定程度地影響了汽車的驅動力，而電池的體積決定了汽車各部件在汽車底盤的布局空間。因此電動汽車希望比功率和比能量都能較大。但通常來說，蓄電池的功率密度增加時，能量密度要下降。其原因為蓄電池內產生高電流的化學反應限制了能量密度，為了形成高電流，需要大量的集電器；為了讓出空間，就得縮小儲存電能量的電極材料的體積。

（4）電池的開路電壓　蓄電池處于開路狀態下電極兩端的電位差稱為開路電壓，通常用高內阻的電壓表或萬用表測量。電池的開路電壓主要取決于構成電池的材料特性，如正、負極材料和電解液的性質。對于同一系列的電池，若材料來源不同，晶型結構不同，制成電池的開路電壓也會有差異，這一點在電池組合時需格外注意，即要選擇性能盡量一致的單體電池為同一組。開路電壓是電池體系的一種特征數據，隨著電池存放時間的延長，其開路電壓會有所降低，這是由電池自放電引起的，但下降幅度不大。若電池的開路電壓下降很快，則表示電池內部可能存在慢性短路或電池性能衰退。

（5）電池的內阻　電池放電時的內阻包括歐姆內阻與極化電阻。歐姆內阻是電池中各組成部分的電子導電阻力、離子導電阻力及接觸阻力之和，與電極結構和裝配工藝有關。極化電阻是由電極反應形成的，和電極反應的本質及材料有關。電池內阻越小，電池工作輸出電流時其內部的壓降就越小，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，電池兩極之間的電位差，也稱為放電電壓或端電壓。工作電壓應等于其開路電壓減去電池內阻的壓降，和放電制度有關。放電制度是指電池放電時所規定的各種條件，主要有放電方式（指連續或間斷）、放電電阻、放電電流、放電時間、放電終止電壓和放電環境溫度等。

放電終止電壓是指電池放電時，電壓下降至不宜再繼續放電的最低工作電壓。根據不同的電池類型和放電條件，對電池容量和壽命的要求也不同，所以所規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，終止電壓要求低，由于此時電極極化大，活性物質不能得到充分利用，電池電壓下降較快。而在小電流放電時，終止電壓就規定較高，因為小電流放電電極極化小，且活性物質可以得到充分利用。

放電曲線表示在一定放電條件下，連續放電時電池的工作電壓隨著時間變化的關系曲線。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中可知放電時其工作電壓隨時間的變化過程，通過放電曲線也可以計算出放電時間和放電量。放電時率小，其電壓下降速度快，終止電壓低，放電時間也短；反之放電時率大，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度。

（7）電池的壽命　電池的壽命是指電池使用時間或充電循環次數所表示的電池耐用性。循環充電電池經歷一次充電與放電的過程，稱為一個循環或一個周期。在一定的充放電制度下，電池容量降低到某一規定值時，電池所能經受的循環次數，稱為蓄電池的循環壽命。影響蓄電池循環壽命的主要因素：在充放電過程中，電極活性表面積減小；電極上活性物質脫落或轉移；電極材料發生腐蝕；電池內部短路；隔膜損壞和活性物質晶型改變，活性降低。在每個充放電循環中，電池中的化學活性物質會慢慢老化變質，活性衰減，化學功能減弱，使得電池的充放電效率逐漸下降，最后電池喪失功能而報廢。蓄電池的循環周期與其充電和放電的形式、使用環境溫度和放電深度有關，放電深度“淺”時，有助于延長電池的壽命。蓄電池在電動汽車上的使用環境、電池組中各個電池的均衡性以及安裝方式等均會影響電池的使用壽命。

（8）電池的溫度特性　環境溫度是影響電池性能的重要因素。電池對環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工作，方可保持較高的性能，否則就會損壞。所以，電池在電動汽車上安裝使用時，必須注意其環境溫度及溫度變化的調節控制。

2.1.5　各類車用電池的性能比較

電動汽車動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放電，提高加速、爬坡性能）、比能量大（延長續駛里程）、循環壽命長、安全可靠、成本低、對使用環境溫度要求低、能量轉換效率高、對環境污染小等。

電動汽車的未來發展很大程度上決定于動力電池的各項性能。各類車用動力電池的性能比較見表2-1。