电动汽车动力电池组成剖析

电动汽车电池分两大类，蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车，包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池。燃料电池专用于燃料电池电动汽车，包括碱性燃料电池(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)。

电动汽车电池功能

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。

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

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。

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。

电动汽车电池基本分类

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。

电动汽车电池的性能参数

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。

(1)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。电池的电动势可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算而得。

(2)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。例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸蓄电池为2V，锂离子电池为3.6V。

(3)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。

(4)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。例如，铅酸蓄电池的工作电压在2V～1.8V;镍氢电池的工作电压在1.5V～1.1V;锂离子电池的工作电压在3.6V～2.75V。

(5)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。以铅酸蓄电池为例：电动势为2.1V，额定电压为2V，开路电压接近2.15V，工作电压为2V～1.8V，放电终止电压为1.8V～1.5V(放电终止电压根据放电率的不同，其终止电压也不同)。

(6)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。例如，镍镉电池的充电压在1.45V～1.5V;锂离子电池的充电压在4.1V～4.2V;铅酸蓄电池的充电压在2.25V～2.5V。