第2章　新能源汽車動力電池

2.1　動力電池的分類與性能要求

2.1.1　動力電池的分類

電動汽車使用的動力電池可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類（圖2-1-1）。

（1）化學電池

化學電池是指將化學能直接轉變為電能的裝置。其主要部分是電解質溶液及浸在溶液中的正、負電極和連接電極的導線。

按工作性質分為原電池、動力電池、燃料電池和儲備電池四種。

按電解質分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機電解質電池、非水無機電解質電池、固體電解質電池等。

按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護電池、防爆電池等。

按正、負極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘和鎳氫電池系列、鉛酸電池系列、鋰離子電池系列等。

（2）物理電池

物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發電的電池，如太陽能電池、超級電容器、飛輪動力電池等。

太陽能電池又稱太陽能芯片或光電池，是指通過光電效應或光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。利用太陽光直接發電的光電半導體薄片只要被太陽光照到，短時間內就可輸出電壓及電流，在物理學上稱為太陽能光伏，英文縮寫為PV，簡稱光伏。

太陽能電池以依據光電效應原理工作的薄膜式太陽能電池為主流，而依據光化學效應原理工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。

（3）生物電池

生物電池是指將生物質能直接轉化為電能的裝置（生物質蘊含的能量絕大部分來自于太陽能，是綠色植物和光合細菌通過光合作用轉化而來的）。從原理上來講，生物質能能夠直接轉化為電能主要是因為生物體內存在與能量代謝關系密切的氧化還原反應。這些氧化還原反應彼此影響，互相依存，形成網絡，進行生物的能量代謝。常見的生物電池有微生物電池、酶電池、生物太陽能電池等。

2.1.2　對動力電池的性能要求

動力電池最重要的特點就是高功率和高能量。高功率意味著更大的充放電強度，高能量表示更高的質量比能量和體積比能量。這兩個指標的要求其實是矛盾的，為了提高功率也就要提高充放電電流，電池結構設計要求增大等效反應面積和減小接觸阻抗，要求增大體積和重量，從而降低比能量。動力電池系統設計需要按照最優化的整車設計應用指標設計電池系統。

從使用角度而言，動力電池的應用可以總結為以下七個特點。

（1）高能量

高能量對于電動車輛而言，意味著更長的純電動續駛里程。作為交通工具，續駛里程的延長可有效提升車輛應用的方便性和適用范圍，因此電動汽車對動力電池能量密度的追求是永不會停下的。鋰離子動力電池能夠在電動車輛上廣泛推廣和應用，主要原因就是其能量密度是鉛酸動力電池的3倍，并且還有繼續提高的可能性。

（2）高功率

車輛作為交通工具，追求高速化，也就是對車輛動力性提出了高的要求，實現良好的動力性要求驅動電機有較大的功率，進而要求動力電池組能夠滿足驅動電機高功率輸出的要求。長期大電流、高功率放電對于電池的使用壽命和充放電效率會產生負面影響，甚至影響電池使用的安全性，因此在功率方面還需要一定的功率儲備，避免使動力電池在全功率工況下工作。

（3）長壽命

現有鉛酸動力電池使用壽命在深充深放工況下可達到400次，鋰離子動力電池可以達到1000次以上。據日本豐田公司報告，混合動力汽車用鎳氫電池現在的使用壽命已經可以達到10年以上。動力電池長壽命，直接關系到動力電池的成本。車輛應用過程中電池更換的費用，是電動汽車使用成本的重要組成部分。在動力電池成組集成應用方面，考慮動力電池單體壽命的一致性以保證電池組的使用壽命與單體電池相近也是研究的主要內容之一。

（4）低成本

動力電池的成本與電池的新技術含量、材料、制作方法和生產規模有關，目前新開發的高比能量的電池成本較高，使電動汽車的造價也較高，開發和研制高效、低成本的動力電池是電動汽車發展的關鍵。

（5）安全性好

動力電池為電動汽車提供了高達300V以上的驅動電壓，可能危及人身安全和車載用電設備的使用安全。用電安全是電動汽車區別于傳統內燃機汽車的重要特點之一。除此之外，動力電池作為高能量密度的儲能載體，自身也存在一定的安全隱患。現以鋰離子電池為例具體說明如下。

① 充放電過程如果發生熱失控反應，可能導致電池短路起火，甚至爆炸。

② 鋰離子電池采用的有機電解質，在4.6V左右易發生氧化，并且溶劑易燃，若出現泄漏等情況，也會引起電池著火燃燒，甚至爆炸。

③ 發生碰撞、擠壓、跌落等極端的狀況，導致電池內部短路，也會引起危險狀況的出現。

基于上述原因，對于車用動力電池的檢驗非常嚴格，我國已經制定了動力電池及電池模塊進行安全性檢驗的標準。對動力電池在高溫、高濕、穿刺、擠壓、跌落等極端狀況下進行檢驗，要求在這些狀況下不發生動力電池的燃燒、起火現象。

（6）工作溫度適應性強

車輛應用一般不應受地域的限制，不同的空間和時間應用，需要車輛適應不同的溫度。僅以北京地區的車輛應用為例，北京夏季地表溫度可達50℃以上，冬季可低至-15℃以下，在該溫度變化范圍內，動力電池應可以正常工作，因此動力電池需要具有良好的溫度適應性。現在的動力電池系統設計，考慮到電池的溫度適應性問題，一般都需要設計相應的冷卻系統或加熱系統來達到動力電池的最佳工作溫度。

（7）可回收性好

按照動力電池使用壽命的標準定義，電池在其容量衰減到額定容量的80%時，確定為動力電池壽命終結。隨著電動汽車的大量應用，必然出現大量廢舊動力電池的回收問題。對于動力電池的可回收性，在電化學性能方面，首先要求做到電池電極及電解液等材料無毒，對環境無污染。其次是研究電池內部各種材料的回收再利用。對于動力電池的再利用還存在梯次利用問題，即按照動力電池壽命標準，將達到額定容量80%以下而被淘汰的電池轉移到對電池容量和功率要求相對較低的領域繼續使用。