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项目三电动汽车的动力电池及其电池管理系统（一）电动汽车动力电池的作用、分类1.电动汽车动力电池的作用电动汽车关键零部件有动力电池、电机和电控系统，作为电动汽车的关键零部件，动力电池对电动汽车的使用具有举足轻重的作用。2.电动汽车动力电池的基本要求电动汽车以电力驱动，行驶无排放（或低排放）、噪声低、能量转化效率比内燃机汽车高很多，同时电动汽车还具有结构简单、运行费用低等优点，安全性也优于内燃机汽车。3.电动汽车动力电池的分类动力电池是电动汽车发展的关键，汽车动力电池难在低成本要求、高容量要求及高安全要求三个要求上。1）铅酸电池铅酸蓄电池是目前应用最广的蓄电池。铅酸电池正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸。铅酸电池又可以分为两类，即注水式铅酸电池和阀控式铅酸电池。前者价廉，但需要经常维护，补充电解液；后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。2）镍金属电池目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镉镍电池和镍氢电池两种。镉镍电池是以烧结式的多孔性镍基板作为骨架，在骨架的孔隙中填充氢氧化亚镍作为正极板，填充氢氧化镍作为负极板。3）锂离子蓄电池锂是最轻、化学特性十分活泼的金属。根据电解质的不同，锂离子蓄电池一般可分为锂离子电池和锂聚合物电池两种。锂离子电池单位质量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。4）高温钠电池高温钠电池主要包括钠氯化镍电池和钠硫蓄电池两种。钠氯化镍电池是1978年发明的，其正极是固态NiCl2，负极为液态Na，电解质为固态β-Al2O2陶瓷，充放电时钠离子通过陶瓷电解质在正负电极之间漂移。5）锌空气电池锌空气电池是一种机械更换，采用离车充电方式的高能电池，正极为锌，负极为碳（吸收空气中的氧气用），电解液为KOH。6）超级电容超级电容是为了满足混合电动汽车能量和功率实时变化要求而提出的一种能量存储装置。它是一种电化学电容，兼具电池和传统物理电容的优点。超级电容往往和其他蓄电池联合应用作为电动汽车的动力电源，可以满足电动汽车对功率的要求而不降低蓄电池的性能。7）飞轮电池飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池，它由电动／发电机、功率转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳体等部分组成，具有高功率比、高能量比、高效率、长寿命和环境适应性好等优点。8）燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池的基本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产生电、水和热。9）太阳能电池太阳能电池是一种把光能转换为电能的装置，太阳能已广泛用于照明、家用电器、发电、交通信号、地质、航天等领域。目（二）电动汽车动力电池的应用现状1．铅酸电池由于铅酸电池的供电成本大体和柴油机供电相等，同时应用历史最长、技术最成熟、安全性最好、成本最低、市场化程度高，因此铅酸电池仍然是低端电动汽车市场的主要动力电池。2．镍氢电池镍氢电池安全性能较好，比能量大于铅酸电池、小于锂电池。目前镍氢电池技术较成熟，购置和使用成本较低。镍氢动力电池刚刚进入成熟期，是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被实际验证并被商业化、规模化的电池体系，全球已经批量生产的混合动力汽车全部采用镍氢动力电池体系。3．锂电池2000年前后，人们研制成功了锂电池。锂电池具有体积小、质量轻、存储的电能大（是铅酸电池的2~3倍）、工作电压高（是镍氢电池的3倍）、比能量大（是镍氢电池的3倍）、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染、安全性好等优点，被称为性能最为优越的可充电电池，号称“终极电池”，受到市场的广泛青睐。4．燃料电池从环境效应和长远利益考虑，燃料电池汽车是未来电动汽车的发展方向是毋庸置疑的。燃料电池虽然是理想的清洁能源，但是目前它的性价比太低，要达到可以进入市场的性价比，任重而道远，必须从基础材料和基本理论上有重大突破，才可能进入汽车市场。5.国家对新能源汽车补贴的相关政策国家电动汽车示范推广财政补助政策，主要对代表未来电动汽车发展方向的混合动力、纯电动和燃料电池汽车给予补贴。在这3种类型中，由于混合动力汽车技术基本成熟、生产成本较低、基本不需要另行建设配套基础设施，并且企业适应性较强，基本可以实现规模化、批量化生产，因而是示范推广的重点。（三）铅酸蓄电池（三）铅酸蓄电池1.铅酸蓄电池铅酸蓄电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池。它已实现大批量生产，但比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短，自放电率高，循环寿命低，不适合现代电动汽车发展的需要。图3-1铅酸蓄电池基本结构3.铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的电解液为硫酸溶液，充电时，正极板上的硫酸铅生成有效物质二氧化铅PbO2，负极板上的硫酸铅生成有效物质绒状铅(Pb)。两极板在电解液中发生化学反应，正极板缺少电子，负极板多余电子，正、负极板间便产生电位差，这就是蓄电池的电动势。（四）锂蓄电池（四）锂蓄电池锂蓄电池是20世纪90年代发展起来的高容量可充电电池，其比能量大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。1.锂蓄电池的特点、工作原理及分类1）锂蓄电池的特点锂蓄电池与传统电池相比，具有如下特点：(1)电池电压高。由于正极活性物质不同，锂蓄电池电压最高可达3.9V。(2)比能量高。锂蓄电池的比能量是传统电池的4～10倍。(3)比功率高，内阻小(约为0.lΩ)，可以大电流放电。(4)工作温度宽。许多锂蓄电池能在-40～70℃范围内工作。有些型号锂蓄电池的工作温度范围甚至更宽。(5)平稳的放电电压。大多数锂蓄电池具有平稳的放电曲线。(6)储存寿命长。一般在室温下储存5年，其容量下降5%～l0%，而且随着储存期的延长容量下降率大大降低。2）锂蓄电池的工作原理锂是优良导体，极具延展性，易于制成薄带。锂在刚刚制成或切开时，具有白银的光泽和颜色，在潮湿的空气中很快失去光泽。与Na、Ca、Cd和Pb相比，锂是良好的负极材料，具有最轻的原子量(6.94)、最负的标准电极电位（-3.05V）和最高的电化当量(3.86Ah/g)，因而可与适当的正极材料配合构成锂电池。3）锂蓄电池的分类锂蓄电池体系仍在发展完善之中，目前根据电解质的不同主要分为以下三种类型：(1)非水电解液体系。(2)聚合物电解质体系。(3)固体电解质体系。2.锂离子蓄电池1）锂离子蓄电池的结构及性能锂离子蓄电池是在锂蓄电池基础上发展起来的一种新型蓄电池，它基本上解决了困扰锂蓄电池的两大技术难题，即安全性和寿命短的问题。锂电池在反复充电之后，负极的金属锂片会出现锂枝晶，它会刺穿隔膜而造成电池短路，可引起燃烧或爆炸。而锂离子蓄电池是把锂离子嵌入到碳中形成负极，取代传统锂电池的金属锂或锂合金负极，在充放电过程中不会生成锂枝晶，从而避免了电池内部因锂枝晶短路造成的危害。聚合物锂离子蓄电池与其他蓄电池性能比较表3-1聚合物锂离子蓄电池与其他蓄电池性能比较技术参数Cd-Ni蓄电池MH-Ni蓄电池锂离子蓄电池聚合物锂离子蓄电池标称电压(V)1.21.23.63.7质量比能量(Wh/kg)5065100～160120～170体积比能量(Wh/L)150200270～360300～460自放电寿命（次）50050010001000以上自放电率（%／月）25～3030～356～93以下充电速率1C1C1C(0.5～1)C2）锂离子蓄电池的工作原理锂离子蓄电池与锂蓄电池不同，在电池中采用能使锂离子嵌入及脱嵌的碳作负极。这种电池的工作原理如图3-4所示。从图中可以看出该电池的工作过程，仅仅是锂离子从一个电极（脱嵌）进入另一个电极（嵌入）的过程。当电池充电时，锂离子以正极中脱嵌，在碳负极中嵌入；放电时则过程与之相反。随着充放电的进行，锂离子在电池的正、负极之间“晃来晃去”，因而又被形象地称为摇椅电池。用锂离子在碳中的嵌入和脱嵌反应取代金属锂电极上的沉积和溶解反应后，就可避免电极表面上形成锂枝晶的问题，从而使锂离子蓄电池的寿命远大于锂蓄电池，而安全性也远优于锂蓄电池。3.聚合物锂蓄电池(LUB)1）聚合物锂蓄电池的化学性能聚合物锂蓄电池由两个可逆的锂离子电极组成。一个电极作为在放电时的离子源，另一个电极则是锂离子的吸收极，一层极薄的离子导电聚合物薄膜作为电解质和隔离膜。负极由一层极薄的锂箔作为锂离子源和集电体，正极是氧化钒(VOX)。过渡金属氧化物VOX也是层状结构，其反应机理与过渡金属的硫化物（如TiS2）相同，为嵌入反应。VOX掺和于聚合物电解质和碳形成糊状的合成物中，背面贴上一层箔片集电体。2）聚物锂蓄电池的结构和性能聚合物锂蓄电池（或称锂聚合物蓄电池）是全固态锂蓄电池，消除了液体电解质产生的问题，而且锂包在聚合物外壳内，提高了安全性。聚合物锂蓄电池也称塑料锂蓄电池，代表锂蓄电池开发中的重大突破。4.磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其他正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。(1)可靠的安全特性。因为磷酸铁锂电池具有较高的能量密度和可靠的安全性，因而成为电动汽车汽车动力电池的首选。(2)寿命长、成本低。作为动力电池，使用寿命（循环性能）与总体使用成本密切相关。和普通锂电池500次左右的循环使用寿命相比，磷酸铁锂电池循环寿命达到2000次以上，标准充电（5h率）使用可达到2000次，容量保持率95%以上，而50%容量的循环寿命更是达到了2000次以上。(3)快速充电特性优异，可大电流2C快速充放电：在专用充电器下，1.5C充电40min内即可使电池充满，启动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。(4)大容量。磷酸铁锂动力电池的续行里程是同等质量铅酸电池的3～4倍，其优点可使电动汽车在适中质量的前提下，充一次电的续行里程远远大于装有同等质量铅酸电池的电动汽车数倍。(5)镍氢、镍镉电池存在较强的记忆效应，普通锂电池也有一定的记忆效应问题，需要尽量“满充满放”，会给电动汽车日常使用带来不便，而磷酸铁锂电池无此现象，自放电小；无记忆效应，电池无论处于什么状态，都可随充随用，无须先放完再充电。(6)体积小、质量轻。同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，质量是铅酸电池的1／3。5.石墨烯电池2015年1月中国石墨烯产业技术创新战略联盟军工应用委员会在哈尔滨成立，以“军工企业+石墨烯应用单位”的合作模式搭建石墨烯军用推广的重要平台。中航工业、航天科技、航天科工、中船重工等集团均有出席。而中航工业集团在2015年11月宣布进军石墨烯产业，前期投资9亿元，未来将投入百亿规模。上年石墨烯的行情中，也带动了军工行情，这是因为部分军工涉及到了石墨烯产业。（五）燃料电池氢燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的汽车，是解决当今交通能源和环境问题的最佳方案之一，代表着汽车未来的发展方向。燃料电池也不需要像其他电池那样进行长时间的充电，它只需要像给汽车加油一样补充燃料即可达到与燃油车一样的行驶里程。燃料电池电动汽车的行驶里程仅与燃料箱中的燃料有关，而与燃料电池的尺寸无关。1.燃料电池的基本工作原理燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锰干电池、铅蓄电池等是类似的。但是，它工作时需要连续地向其供给活物质（能起反应的物质