电动汽车电池(燃料电池专用于燃料电池电动汽车)

过火石灰 — Tue, 29 Nov 2022 04:27:36 +0000

电动汽车可以分为两大类蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池（镍一氢及镍一金属氢化物电池、镍一福及镍一锌电池）、钠ß电池（钠一硫电池和钠一氯化镍电池）、二次锂电池、空气电池等类型。而燃料电池专用于燃料电池电动汽车，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等类型。

简介

电动汽车电池可以分为两大类，即蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，可以归类为铅酸蓄电池、镍基电池（镍一氢及镍一金属

氢化物电池、镍一福及镍一锌电池）、钠ß电池（钠一硫电池和钠一氯化镍电池）、二次锂电池、空气电池等类型。而燃料电池专用于燃料电池电动汽车，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等类型。

作用

随着电动汽车的种类不同而略有差异。在仅装备蓄电池的纯电动汽车中，蓄电池的作用是汽车驱动系统的惟一动力源。而在装备传统发动机(或燃料电池)与蓄电池的混合动力汽车中，蓄电池既可扮演汽车驱动系统主要动力源的角色，也可充当辅助动力源的角色。可见在低速和启动时，蓄电池扮演的是汽车驱动系统主要动力源的角色;在全负荷加速时，充当的是辅助动力源的角色;在正常行驶或减速、制动时充当的是储存能量的角色。

组成

燃料电池由阳极、阴极、电解质和隔膜构成。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原。如果在阳极(即外电路的负极，也可称燃料极)上连续供给气态燃料(氢气)，而在阴极(即外电路的正极，也可称空气极)上连续供给氧气(或空气)，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。由此可见，燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储罐中。当它工作(输出电流并做功)时，需要不间断地向电池内输人燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(气体或液体)。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液)，常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)。

燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再向外电路传输。阴极(氧电极)的作用是为氧和电解液提供公共界面，对氧的还原产生催化作用，从外电路向氧电极的反应部位传输电子。由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料并涂有电催化剂。

电解质的作用是输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子，并能阻止电极间直

接传递电子。

隔膜的作用是传导离子、阻止电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂。因此隔膜

必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质，并具有良好耐润湿性。

电池组系统

电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池，充电到4.2V的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组故障。为防止这种情况发生，每个电池的电压都必须监视，以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状态。

电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC板内的通信而言，常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线，每种总线的通信开销都很低，适用于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网(CAN)总线，这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN总线非常鲁棒，具有误差检测和故障容限特性，但是它的通信开销很大，材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主CAN总线的连接是值得要的，但在电池组内采用SPI或I2C通信是有优势的。

电池快充寿命衰减惊人盲目建站风险大

私人购买新能源汽车补贴标准出台后，部分试点城市的“再补贴”政策也随即出台，新能源汽车消费正逐步启动。面对广阔的市场前景，国家电网、南方电网、中海油、中石化等巨头纷纷跑马圈地，各地掀起一股兴建充电站的风潮。

截至目前，上海漕溪、深圳龙岗、成都石羊、唐山南湖、延安、郑州、南宁等地已经建成、在建或近期将开建大量的充电站，其中上海计划在三年内达到5000个充电桩的规模；长春计划三年内建成15个充电站和5000个充电桩……电池尺寸、充电接口是否统一？电池质量能否过关？快速充电对电池的损害究竟有多大？等一系列问题开始暴露出来。

基本分类

简介

电动汽车用电池为化学电源，它的分类方法很多。按电解液分为：

a.碱性电池。即电解液为碱性水溶液的电池；

b.酸性电池。即电解液为酸性水溶液的电池；

c.中性电池。即电解液为中性水溶液的电池；

d.有机电解质溶液电池。即电解液为有机电解质溶液的电池。

按活性物质的存在方式分为：

a.活性物质保存在电极上。可分为一次电池(非再生式，原电池)和二次电池(再生式，蓄电池)；

b.活性物质连续供给电极。可分为非再生燃料电池和再生燃料电池。

按电池的某些特点分为：

a.高容量电池；

b.免维护电池；

c.密封电池；

d.燃结式电池；

e.防爆电池；

f.扣式电池、矩形电池、圆柱形电池等。

尽管由于化学电源品种繁多，用途广泛，外形差别大，使上述分类方法难以统一，但习惯上按其工作性质及存贮方式不同，一般分为四类：

一次电池

一次电池，又称“原电池”，即放电后不能用充电的方法使它复原的电池。换言之，这种电池只能使用一次，放电后电池只能被遗弃了。这类电池不能再充电的原因，或是电池反应本身不可逆，或是条件限制使可逆反应很难进行。如：

锌锰干电池Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2(C)

锌汞电池Zn│KOH│HgO

银锌电池Zn│KOH│Ag2O

二次电池

二次电池，又称“蓄电池”，即放电后又可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电，且可反复多次循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学能量贮存装置，用直流电将电池充足，这时电能以化学能的形式贮存在电池中，放电时，化学能再转换为电能。如：

铅酸电池Pb│H2SO4│PbO2

镍镉电池Cd│KOH│NiOOH

镍氢电池H2│KOH│NiOOH

锂离子电池LiCoO2│有机溶剂│6C

锌空气电池Zn│KOH│O2(空气)

贮备电池

贮备电池，又称“激活电池”，是正、负极活性物质和电解液不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的一类电池。这类电池的正、负极活性物质的化学变质或自放电，因与电解液的隔离而基本上被排除，从而使电池能长时间贮存。如：

镁银电池Mg│MgCl2│AgCl

钙热电池Ca│LiCl-KCl│CaCrO4(Ni)

铅高氯酸电池Pb│HclO4│PbO2

燃料电池

燃料电池，又称“连续电池”，即只要活性物质连续地注入电池，就能长期不断地进行放电的一类电池。它的特点是电池自身只是一个载体，可以把燃料电池看成一种需要电能时将反应物从外部送入电池的一种电池。如：

氢燃料电池H2│KOH│O2

肼空燃料电池N2H4│KOH│O2(空气)

必须指出，上述分类方法并不意味着某一种电池体系只能分属一次电池、二次电池、贮备电池或燃料电池。恰相反，某一种电池体系可以根据需要设计成不同类型的电池。如锌银电池，可以设计成一次电池，也可以设计成二次电池，或贮备电池。

⑴电池的分类

性能参数

化学电池品种繁多，性能各异。常用以表征其性能的指标有：电性能、机械性能、贮存性能等，有时还包括使用性能和经济成本。我们主要介绍其电性能和贮存性能。电性能包括：电动势、额定电压、开路电压、工作电压、终止电压、充电电压、内阻、容量、比能量和比功率、贮存性能和自放电、寿命等。贮存性能主要取决于电池的自放电大小。

电动势

电池的电动势，又称电池标准电压或理论电压，为电池断路时正负两极间的电位差。

额定电压

额定电压(或公称电压)，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。

开路电压

电池的开路电压是无负荷情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势。必须指出，电池的电动势是从热力学函数计算而得到的，而电池的开路电压则是实际测量出来的。

工作电压

系指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围。

⑸终止电压

系指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。

充电电压

系指外电路直流电压对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内

内阻

蓄电池的内阻包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等。

正负极板电阻

目前普遍使用的铅酸蓄电池正、负极板为涂膏式，由铅锑合金或铅钙合金板栅架和活性物质两部分构成。因此，极板电阻也由板栅电阻和活性物质电阻组成。板栅在活性物质内层，充放电时，不会发生化学变化，所以它的电阻是板栅的固有电阻。活性物质的电阻是随着电池充放电状态的不同而变化的。

当电池放电时，极板的活性物质转变为硫酸铅(PbSO4)，硫酸铅含量越大，其电阻越大。而电池充电时将硫酸铅还原为铅(Pb)，硫酸铅含量越小，其电阻越小。

电解液电阻

电解液的电阻视其浓度不同而异。在规定的浓度范围内一旦选定某一浓度后，电解液电阻将随充放电程度而变。电池充电时，在极板活性物质还原的同时电解液浓度增加，其电阻下降；电池放电时，在极板活性物质硫酸化的同时电解液浓度下降，其电阻增加。

隔板电阻

隔板的电阻视其孔率而异，新电池的隔板电阻是趋于一个固定值，但随电池运行时间的延长，其电阻有所增加。因为，电池在运行过程中有些铅渣和其他沉积物在隔板上，使得隔板孔率有所下降而增加了电阻。

连接体电阻

连接体包括单体电池串联时连接条等金属的固有电阻，电池极板间的连接电阻，以及正、负极板组成极群的连接体的金属电阻，若焊接和连接接触良好，连接体电阻可视为一固定电阻。

每只电池所呈现的内阻就是上述物体电阻的总和，电池内阻R与电动势、端电压及放电电流的关系：Rs=(E-Uf)÷If

电池的内阻在放电过程中会逐渐增加，而在充电过程中则逐渐减小。所以，电池在充放电过程中，端电压也会因其内阻的变化而变动。故端电压在放电时低于电池的电动势，充电时又高于电池的电动势。

容量

电池的容量单位为库仑(C)或安时(Ah)。表征电池容量特性的专用术语有三个：

a.理论容量。系指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量。通常，理论上1电化当量物质将放出1法拉第电量，即96500C或26.8Ah(1电化当量物质的量，等于活性物质的原子量或分子量除以反应的电子数)。

b.额定容量。系指在设计和生产电池时，规定或保证在指定放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。

c.实际容量。系指在一定的放电条件下，即在一定的放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电量。

电池的实际容量通常比额定容量大10%～20%。

电池容量的大小，与正、负极上活性物质的数量和活性有关，也与电池的结构和制造工艺与电池的放电条件(电流、温度)有关。

影响电池容量因素的综合指标是活性物质的利用率。换言之，活性物质利用得越充分，电池给出的容量也就越高。

活性物质的利用率可以定义为：

利用率=(电池实际容量/电池理论容量)×100%

或，利用率=(活性物质理论用量/活性物质实际用量)×100%。

比能量和比功率

电池的输出能量是指在一定的放电条件下，电池所能作出的电功，它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时(Wh)表示。

电池的比能量有两种。一种叫重量比能量，用瓦时/千克(Wh/kg)表示；另一种叫体积比能量，用瓦时/升(Wh/L)表示。比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量。它的比较电池性能优劣的重要指标。

必须指出，单体电池和电池组的比能量是不一样的。由于电池组合时总要有连接条、外部容器和内包装层等，故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量。

电池的功率是指在一定的放电条件下，电池在单位时间内所能输出的能量。单位是瓦(W)，或千瓦(kW)。电池的单位重量或单位体积的功率称为电池的比功率，它的单位是瓦/千克(W/kg)或瓦/升(W/L)。如果一个电池的比功率较大，则表明在单位时间内，单位重量或单位体积中给出的能量较多，即表示此电池能用较大的电流放电。因此，电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。

贮存性能和自放电

电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后，其容量会自行降低，这个现象称自放电。所谓“贮存性能”是指电池开路时，在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。

电池在贮存期间，虽然没有放出电能量，但是在电池内部总是存在着自放电现象。即使是干贮存，也会由于密封不严，进入水份、空气及二氧化碳等物质，使处于热力学不稳定状态的部分正极和负极活性物质构成微电池腐蚀机理，自行发生氧化还原反应而白白消耗掉。如果是湿贮存，更是如此。长期处在电解液中的活性物质也是不稳定的。负极活性物质大多是活泼金属，都会发生阳极自溶。酸性溶液中，负极金属是不稳定的，在碱性溶液及中性溶液中也非十分稳定。

电池自放电的大小，一般用单位时间内容量减少的百分比表示，即：

自放电=(Co-Ct/Cot)×100%

式中：Co──贮存前电池容量，Ah；

Ct──贮存后电池容量，Ah；

t──贮存时间，用天、周、月或年表示。

自放电的大小，也能用电池贮存至某规定容量时的天数表示，称为贮存寿命。贮存寿命有两种，即干贮存寿命和湿贮存寿命。对于在使用时才加入电解液的电池贮存寿命，习惯上也称为干贮存寿命。干贮存寿命可以很长。对于出厂前已加入电解液的电池贮存寿命，习惯上称为湿贮存寿命(或湿荷电寿命)。湿贮存时自放电严重，寿命较短。如银锌电池的干贮存寿命可达5～8年，但它的湿贮存寿命通常只有几个月。

降低电池中自放电的措施，一般是采用纯度较高的原材料，或将原材料预先处理，除去有害杂质。也可在负极金属板栅中加入氢过电位较高的金属，如Ag、Cd等，还有的在溶液中加入缓蚀剂，目的都是抑制氢的析出，减少自放电反应的发生。

寿命

电池的寿命有“干贮存寿命”和“湿贮存寿命”两个概念。必须指出，这两个概念仅是针对电池自放电大小而言的，并非电池的实际使用期限。电池的真正寿命是指电池实际使用的时间长短。

对一次电池而言，电池的寿命是表征给出额定容量的工作时间(与放电倍率大小有关)。

对二次电池而言，电池的寿命分充放电循环寿命和湿搁置使用寿命两种。

充放电循环寿命，是衡量二次电池性能的一个重要参数。经受一次充电和放电，称为一次循环(或一个周期)。在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数，称为二次电池的充放电循环寿命。充放电循环寿命越长，电池的性能越好。在目前常用的二次电池中，镉镍电池的充放电循环寿命500～800次，铅酸电池200～500次，锂离子电池600～1000次，锌银电池很短，约100次左右。

二次电池的充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电制式等条件有关。所谓“放电深度”是指电池放出的容量占额定容量的百分数。减少放电深度(即“浅放电”)，二次电池的充放电循环寿命可以大大延长。

湿搁置使用寿命，也是衡量二次电池性能的重要参数之一。它是指电池加入了电解液后开始进行充放电循环直至充放电循环寿命终止的时间(包括充放电循环过程中电池处于放电态湿搁置的时间)。湿搁置使用寿命越长，电池性能越好。在目前常用的电池中，镉镍电池湿搁置使用寿命2～3年，铅酸电池3～5年，锂离子电池5～8年，锌银电池最短，只有1年左右。

另外，电池的性能还有：低温性能、耐过充电能力、安全性能等。

存在问题

当前我国电动汽车电池技术发展很快，但存在两个明显缺点。

电动汽车电池的第一个缺点就是缺乏深层次技术，比如电池的化学问题、物理问题、温度问题、结构问题等，在这些方面我们研发还不够，没有能够建立数学模型把这些问题搞清楚。另一个缺点是缺乏评价体系，虽然现在我国部分电动车运行很好，但缺乏好的评价系统。比如电池的安全性怎么样，在高温、低温环境下能不能正常工作，这些都没有一个好的评价。

在中国这样一个人口稠密的国家，电动汽车市场潜力巨大，与电动汽车发达国家相比，还有不小差距。所以我们必须追上发达国家电动汽车研发的步伐，从电源、集成电路、电源板块等方面进行认真研发，齐心协力把电池产业做大做强。

充电步骤

当组合仪表上的相应指示图标（黄色）点亮或当仪表剩余点亮小于等于25%时，则此时该纯电动汽车必须进行充电。（注意：充电温度要求0℃—55℃，放电温度要求零下20℃—60℃）

具体操作步骤如下：

1、车辆应该停放在远离易燃易爆物品的室内，换挡手柄置与“P”挡，拉起手刹，点火开关打到“OFF”.

2、检查冷却液，确认液位是否正常。检查充电桩插座，确保安全可靠。

3、充电时，先插上“交流充电线”的供电端；之后，向上提拉驾驶员座椅左侧的开锁开关，打开充电口盖，插入“交流充电线”车辆端。

4、当组合仪表上图标相应图标（红色）点亮时，表示充电链接装置已经正常连接。当组合仪表上相应图标（黄色）点亮时，表示电动汽车电池已开始充电。

5、组合仪表相应图标（黄色）熄灭后，表示动力电池已被充满，请先拔去“交流充电线”车辆端，后拔去“交流充电线”供电段，关好充电口，整理好交流充电线。

故障检测

一、将电动汽车电池充满电后，按照下图把电池、电流表、电阻丝连接好。

1）用万用表测量每一块电池的电压，并将其数值记下，同时记下放电的时间，调整电

阻丝使电流表指针指在5A上。

2）在放电过程中应保持电流表始终在5A上，并每隔20分钟测量一次电池电压，同时记下测量值，单只电池电压下降到10.5V时，放电时间不得低于84分钟。

二、电动汽车电池内部断路

有的电池内部断路，表现为电池有电压无电流，整车有电、电机不转，如更换一组新电池后，整车正常，则是电池的问题。

三、充电器绿灯不转换

充电时充电器绿灯不转换，空载时充电器绿灯亮，则一般情况是电池内部缺水或缺稀硫酸所致，将电池上盖打开后，旋下单向阀或安全阀，向电池内注入适量专用补充液（5ml~8ml），充电6-10小时即可转换。

四、电动汽车续行里程短

1）检测电池是否有问题，如无问题则检测下一项。

2）检测整车空载电流和运行电流是否过大，空载电流不应超过1.2安培，运行电流在载重500kg，时速40km/h,平坦水泥或柏油路面行驶时不应大于7.5安培，如出现上述情况则更换控制器或电机再次进行测试。

3）如以上都没有问题，则需要进行路试。

电池保养

技巧一：严禁存放时亏电

蓄电池在存放时严禁处于亏电状态。亏电壮态是指电池使用后没有及时充电。在亏电状态存放电池，很容易出现硫酸盐化，硫酸铅结晶物附着在极板上，堵塞了电离子通道，造成充电不足，电池容量下降。亏电状态闲置时间越长，电池损坏越严重。因此电池闲置不用时，应每月补充电一次，这样能较好地保持电动汽车电池保养健康状态。

技巧二：定期检验

在使用过程中，如果电动车的续行里程在短时间内突然下降很厉害，则很有可能是电池组中最少有一块电池出现断格、极板软化、极板活性物质脱落等短路现象。因此，应及时到专业电池修复机构进行检查、修复或配组。这样能相对延长电池组的寿命，最大程度地节省开支。

技巧三：避免大电流放电

电动汽车在使用过程中，尽量避免瞬间大电流放电。大电流放电容易导致产生硫酸铅结晶，从而损害电池极板的物理性能。

技巧四：正确掌握充电时间

在使用过程中，应根据实际情况准确把握充电时间，参考平时使用频率及行驶里程情况，也要注意电池厂家提供的容量大小说明，以及配套充电器的性能、充电电流的大小等参数把握充电频次。一般情况蓄电池都在夜间进行充电，平均充电时间在8小时左右。若是浅放电﹙充电后行驶里程很短﹚，电动汽车蓄电池很快就会充满，继续充电就会出现过充现象，导致电池失水、发热，降低电池寿命。所以，蓄电池以放电深度为60%～70%时充一次电最佳，实际使用时可折算成骑行里程，根据实际情况进行必要充电，避免伤害性充电。

技巧五：防止曝晒

电动汽车严禁在阳光下曝晒。温度过高的环境会使蓄电池内部压力增加而使电池限压阀被迫自动开启，直接后果就是增加电池的失水量，而电池过度失水必然引发电池活性下降，加速极板软化，充电时壳体发热，壳体起鼓、变形等致命损伤。

技巧六：避免充电时插头发热

充电器输出插头松动、接触面氧化等现象都会寺导致充电插头发热，发热时间过长会导致充电插头短路，直接损害充电器，带来不必要的损失。所以发现上述情况时，应及时清除氧化物或更换接插件。

发展前景

有分析称，在未来几年的时间里，在电动汽车领域的知识产权竞争中，日本将走在美国、欧洲和其他国家的前列。但由于电动汽车产业正处于快速成长期，许多关键技术尚未出现成熟的解决方案，美国和欧洲依托其强大的基础研究优势，极有可能在某些关键技术上率先取得突破性进展，重新获得竞争优势。加之韩国和中国等汽车产业的后起之秀不断加大电动汽车的研发投入，可以预料未来电动汽车的竞争格局将更加复杂。

目前，日本纯电动汽车用蓄电池的研究主要集中在锂电池，其次为铅酸电池、镍氢电池和钠电池等。从世界范围内的专利申请的总量来看，日本拥有的纯电动汽车用蓄电池及其管理系统相关专利申请数量最多。从日本国内的专利申请量来看，超过90%的专利申请也来自日本申请人。无论是从世界专利申请的拥有量角度，还是从日本专利申请中日本申请人所占的份额角度，日本在纯电动汽车用蓄电池及其管理系统领域都是实力最强者，掌控着绝大部分专利技术。

作为世界上最大的汽车生产和消费国，美国纯电动汽车用蓄电池的研究主要集中在锂电池，锂电池相关专利数量占动力电池专利数量的70%以上，其次为铅酸电池、镍氢电池、空气电池和钠电池等。从世界范围内的专利申请的总量来看，截至2010年6月，美国的纯电动汽车用蓄电池及其管理系统相关专利申请数量位于日本之后，排名第二。从美国国内的专利申请量来看，在和纯电动汽车用蓄电池及其管理系统有关的专利申请中，来自日本申请人的专利最多，接近总量的60%，而来自美国申请人的专利申请数量次于日本。

德国纯电动汽车用蓄电池的研究主要集中在锂电池，其次为铅酸电池、镍氢电池、钠电池和空气电池等。从世界范围内的专利申请的总量来看，截至2010年6月，德国的纯电动汽车用蓄电池及其管理系统相关专利申请数量居世界排名第6位，与排名首位的日本专利数量相差很大，仅占日本申请量的11%。从德国国内的专利申请量来看，德国申请人持有的专利约占总量的43%，高于排名第二的日本。在全球范围来看，德国在纯电动汽车用蓄电池及其管理系统领域的技术实力远不及日本，但是在本国范围内，德国拥有较强的技术优势，专利拥有量高于日本。

电池介绍

简介

二十世纪九十年代以来，锂离子电池的研究和生产都取得了重大的进展，在各个领域的应用也越来越广泛，近年来，锂离子电池也被研究人员用在电动车车上用作动力能源，成为电动车发展的一个新趋势。下面首先介绍和电池有关的基本概念，然后介绍其锂离子电池的特点和在电动车上的应用。

1.1充放电相关的基本概念

单体电池、单个电池和电池组：单体电池(Cell)是指电动势为2V(铅酸)或1.2V(镍氢)或3.6V(锂电池)左右的蓄电池，是组成单个电池的基本单元;几个单体电池封装组成单个电池，简称电池(Battery);电池组(Battery Pack)由若干个电池串联而成。

电池的容量：指一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，一个电池有理论容量、实际容量、额定或公称容量和额定储备容量之分。用Ah(安时)数、mAh(毫安时)表示。

理论容量：理论容量是指假设活性物质全部参加电池的成流反应所给出的电量。它是根据活性物质的质量按照法拉弟定律计算得到的。为了比较不同系列的电池常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以Ah/Kg或Ah/L表示。

实际容量：实际容量是指在一定的放电条件下电池实际放出的容量，等于放电电流与放电时间的乘积。其值小于理论容量。计算方法是：

计算方法

式中，C为实际容量，U为放电电压，I为放电电流，R为放电电阻，T为放电至终止电压的时间。

额定容量：额定容量是指设计和制造电池时，按国家或有关部门颁布标准规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量。如电动车规定为C/3放电率下放出的容量。

额定储备容量：国际电工学会(IEC)标准中规定汽车型蓄电池的容量用额定容量和储备容量表示均可。我国采用额定容量。指不分电池规格大小，一律以25A电流放电，到终止电压1.75V时的放电时间以分钟计。对规格不同的电池，规定不同的放电时间。

电池的能量是指在一定放电条件下，电池所能给出的电能，通常用Wh表示。

电池的功率是指电池在一定放电条件下，于单位时间内所给出能量的大小，单位为W(瓦)或KW。单位重量电池所能给出的功率称为比功率，单位W/kg或KW/kg.

充电状态SOC(State Of Charge)：是描述电池荷电状态的一个重要参数，通常把在一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态理解为充电状态(SOC)为100%，而将电池再不能放出能量的状态理解为充电状态(SOC)0%.式中Cr是剩余电量，CT为电池标称容量，即在规定电流和温度下处于理想状态时的所能放出的容量。Qe已用电量。ωi为不同放电电流和温度下的电量加权系数;

放电深度DOD(Depth Of Discharge)：DOD=Qe/CT，DOD=1-SOC。

充电深度DOC(Depth Of Charge)：电池可能放出的电量与实际电池容量的比。

DOC=(Ct-Qe)/Ct

式中Ct为实际电池容量，与放电电流和温度有关。DOC的值不仅与当前状态(SOC，温度，电流等)有关而且与将来电池的放电情况有关，因此DOC比SOC更能反映电池的实际情况。

充电接受能力(charge acceptance)：在蓄电池充电时，用于进行充电反应的电流与总的充电电流之比。

即：a=IA/I

a——充电接受能力

IA——用于进行充电反应的那部分电流

I——总的充电电流

电池放电的电压拐点：通过电池的放电实验发现当电池的电压降到某点时，继续放电其电压会急剧下降，dv/dt数值很大，该点称为拐点。该点标示了电池电量已告罄，在拐点之下工作会造成对电池寿命的损害。如图1.1所示。电池的实际容量就是电压下降到拐点前所能释放的电量。

放电率：指用放电时间来表示的电池放电速率，用公式表示如下：放电电流电池容量

放电率(h)=电视容量/放电电流

老化：电池在开始使用初期的一段时间内，电池容量增加大约5%——15%。接下来的一段时间，电池容量基本不变。然后就开始逐渐减少。当电池容量衰减到额定容量80%时，就可以认为电池的寿命结束了。

充放电周期

充放电周期(Cycle)：电池从充电开始到放电，再到下一次充电开始前称为一个充放电周期。

循环寿命(Cycle_Life)：蓄电池在其实际容量降低至某一规定值之前所经历的充放电周期数。通常用来定义蓄电池的使用寿命。一般来讲，放电深度不同，电池寿命也不同。

恢复效应：电池在非连续放电的条件下，放电一段时间后，空载开路或从大电流变为小电流放电，电池内部的电荷将进行重新分布而至平衡，这时电池的端电压回升，在小电流放电下仍能放出一定电量。

自放电现象(Self-Discharge)：电池在不工作时由于内部的电化学反应造成的电池容量下降的现象。通常与时间和环境温度有关，环境温度越高自放电现象越明显，所以在一段时间不用电池要定期对电池进行补充电，并在适宜的温度和湿度下进行保存。

历史档案：电池自出厂以来的关键数据，如电池出厂日期、标称容量、使用总安时数和过充过放记录等信息。

电池运行状态SOR(State Of Running)：为了评价电池在充放电过程中所表现出的性能，而给出电池的运行表现评估值。SOR分为1到10十级，SOR为10表示电池运行性能很好，为1表示电池的运行性能非常差，急需更换。

电池健康程度DOH(Degree Of Health)：为了评价综合电池性能而给出一个健康程度评估值。DOH分为1到10十级，DOH为(7-10)表示电池性能正常，为(4-6)表示电池需要维护，为(1-3)表示的电池性能很差应更换。

1.2锂离子电池的特点

锂电池是一种以金属锂或含有锂物质为负极的化学电源的总称。它是近十几年来获得发展的新型高比能量电池体系。以锂、钠等活泼金属作为电池的负极的设想最早是美国加州大学的一位研究生于1958年提出的。到了七十年代，日本松下电气公司的福田雅太郎首先发明了锂氟化碳电池并获得应用，从此，锂电池逐渐从实验的研究，走向了实用化和商品化。由于锂电池出色的性能，各国都竞相开发出各种新型的锂电池以满足军事和消费方面的需要，如锂碘电池(1972)、锂铬酸电池(1973)、锂二氧化硫电池(1974)、锂亚酸酰氯电池(1974)、锂氧化铜电池(1975)、锂二氧化锰电池(1976)、锂二硫化钼蓄电池(1989)、锂离子蓄电池(1991)和锂二氧化锰蓄电池(1994)等。尤其是90年代初，日本索尼能源技术公司发明和推出的高比能量、长寿命的锂离子蓄电池，极大的促进了锂电池工业的发展。

锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽，工作电压平稳、贮存寿命长(相对其他的蓄电池)。从安全性来讲，锂离子电池要比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击(压)等滥用实验(ABUSE TEST)，均无危险发生。锂离子电池与Cd-Ni，MH-Ni电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比Cd-Ni电池优越;它的自放电率远比MH-Ni电池低。从环境保护的角度看，世界环境保护组织早已把镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)三种元素列为有害物质。因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制，特别是在欧洲，有些政府大幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不存这些问题。

当然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格也比较高等。

1.3锂电池在电动车上的应用

为了推动和支持电动车的研究试制工作，美国早在90年代初就成立了“先进电池协会(USABC)”负责为电动车提供电池。该机构为扶持电动车用电池(主要是锂离子电池)的研制，先后投资2.6亿美元，其中向美国SAFT公司投资1180万美元，用以开发锂离子电池，向加拿大魁北克

公司投入8500万美元，用以开发锂离子电池和锂聚合物电池;另外，还向Duracell及其合作伙伴德国Varta公司投入了1450万美元，开发锂离子电池，其技术指标要求如下表：日本政府也投资了1亿美元，并制定了一项叫做LIBES的计划，开发用于电动车的锂离子电池。

在各国政府的支持下，不同性能的电动车先后亮相。首先是日本索尼公司于1995年推出了以锂离子电池为动力的电动车。该车重1.7T，载4个人，每次充电可以行驶200km.最大时速可达120km，从零启动加速到80km/h只需要12s;该车的动力电源是由96只尺寸为67*410mm以LiCoO2为正极的的锂离子电池组成的，每只电池的容量为100Ah，整个电源系统的比能量达到了110Wh/kg，能量密度达到250Wh/l.继索尼公司之后，日本三菱公司于1996年推出了电动车，该车以LiMn2O4为正极的的锂离子电池为电源，一次行驶可达250km.之后又有三菱重工、本田、尼桑等均有电动车亮相，并于1997年初正式销售以锂离子电池为动力的电动车。继日本之后，美国和欧洲的一些公

司也相继推出了自己研制的以锂离子电池为动力的电动车。

电动车作为一种未来的交通工具，在进入市场方面，必然要同传统的交通工具-燃油汽车进行竞争，这就对电动车在价格和性能方面提出了一定的要求，就车的性能来讲，电动车的续驶里程，加速性能，爬坡能力等比较为大家关注，这些方面都很大程度上取决于作为动力的电池的性能。对电池性能的要求一般集中在，能量密度，功率密度，循环寿命等方面，业界一般都以USABC的规划作为参考，具体指标如下：

具体指标

经过10多年的研究和发展，锂离子蓄电池的生产技术逐渐成熟，在功率强度和循环寿命方面已经接近或达到了USABC的中期目标，与传统的铅酸和镍氢蓄电池相比较，锂离子蓄电池的功率强度有比较大的优势，见图1.2：与传统的铅酸和镍氢蓄电池相比较

锂离子动力电池代表了电池发展的方向。在电动车用电源中，将是最具潜力的动力电池。我国对锂离子电池的应用开发也十分重视。早在80年代初期，就开始了锂离子蓄电池的开发研制工作，在国内各个单位的努力下，取得了丰硕的成果。目前，雷天绿色电动源(深圳)有限公司已经首家实现产业化生产，其生产的10多种型号的大功率铬氟锂动力电池性能优良、价格合理，已经投放市场。

2002年，世界上首辆采用雷天锂动力电池的电动公交车在北京阜成门外大街投入试运营，标志着我国电动车时代的到来。本论文所涉及的国家“863”课题就是使用雷天公司提供的100AH，384V锂电池组。

1.4锂电动车充放电问题

蓄电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现为：

(1)多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等等，都对蓄电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。

(2)非线性一般而言，充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用简单恒流或恒压控制充电全过程。

(3)复杂的电化学性即使是同一类型同一容量的电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样，剩余电量的不一样，充电接受能力也有很大的不同。

作为给电动车提供动力的电池组，由于使用环境的复杂性，其充放电过程也更为复杂，尤其是过充电和过放电会对电池的结构造成不可恢复的破坏，极大的影响其健康程度和性能。锂电池技术与传统的电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更高的要求。如果控制不当的话，不仅对电池的结构会造成破坏，还会发生危险。

负极过充电时，会产生金属锂沉淀：Li++e->Li(s)，这种情况容易发生在正极活性物质相对于负极活性物质过量的情况下，但是，在高充电率的情况下，即使正负极活性物质的比例正常，也可能发生金属锂的沉积，金属锂的形成会从以下几个方面造成电池容量的下降：

(1)可循环锂量减少;

(2)沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3，LiF或其他产生物;

(3)金属锂往往在负极与隔膜间形成，可能阻塞隔膜的的空隙，造成电池内阻的增大。当正极活性物质相对于负极活性物质比例过低时，容易发生正极过充电。正极过充电主要是会形成惰性物质，造成氧损失，从而导致电池容量的衰减。而过放电更是会造成极板晶格的破坏，如果过充电导致“反极”，会发生危险。

为了能给电动车的电机提供比较高的电压，一般都采用了几十个单体电池(cell)串联的方式来提供电力(本文所涉及的实验样车上装有108节工作电压为3.8V的单体锂离子电池)。串联使用的复杂性，和电池之间的不一致性，都对管理系统提出了更高的要求。

锂动力电池放电电流同其他电池相比，放电率偏小，比功率较小。好的长期可1C放电，脉冲2C，需要考虑增大电池的容量来满足电动车的要求。

产业现状

我国汽车用动力电池已开始由研发进入到产业化阶段，并出现了加快发展的势头。电动汽车动力电池研发产品的主要性能已居国际先进水

平，但需要解决一些薄弱环节。目前国产车用动力电池已显示出了较明显的成本优势，部分企业能量型动力电池成本仅是日、美企业的一半左右，这就意味着，我国电动汽车的商业化有条件加速推进，并以成本优势实现大规模出口。

全球动力电池产业目前面临技术制约和成本制约，只有当动力电池性能得到改善、成本大幅降低、规模化应用之后，才能带动其他较为成熟的环节的大力发展。因此动力电池是电动汽车产业链中最具投资价值的环节，最有可能获得超额收益，其他如电机和电控系统环节有较为成熟技术和市场基础，竞争者众多，可能只能获得平均收益。

中投顾问发布的《电动汽车电池市场调研报告2010》从产业基础、成本优势、技术研发、市场需求、产业化进程、细分市场等多方面多角度阐述了电动汽车电池的市场状况，并在此基础上对电动汽车电池市场的未来走势和发展前景进行客观分析和预测。