第二节　电动汽车的电能源

动力电池为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过驱动传动装置或直接驱动车轮工作。电能源的储能方式有电池储能、超导储能、超级电容储能、飞轮储能等，目前应用较多的是电池储能和超级电容储能两种。

目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢（相对而言），寿命较短，已逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠-硫电池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。

一、铅酸蓄电池

1.电池的性能指标

电动汽车所需要的理想能源应该满足以下要求。

①持续稳定的大电流放电，能够保证汽车保持一定的行驶速度。

②有短暂大电流放电的能力，保证汽车在加速、上坡时有足够的动力。

③能一次性提供足够的能源，保证汽车有一定的行驶里程。

通过几十年的努力，符合上述条件的新型电池不断地被研制出来，并且涵盖物理电池、生物电池和化学电池三大类。

物理电池是指利用物理原理制成的电池，其特点是能在常温常压条件下进行能量转换，如太阳能电池、核能电池和温差电池；生物电池是利用生物酶、微生物或叶绿素做成的电池，如微生物电池、生物太阳能电池；化学电池是一种直接把化学能转化为电能的电池。目前世界上研发的电动汽车电池最成功的就是化学电池。化学电池因选用材料、电池的工作性质和储能方式的不同可分为三大类，而这三大类又可具体细分为很多小类，如图1-25所示。

化学电池一般由电极（正极、负极）、电解质、隔膜和容器（外壳）四部分组成，如图1-26所示。电极是电池的核心部分，一般由活性物质和导电骨架组成。所谓活性物质，是能够通过化学变化释放出电能的物质，如铅酸蓄电池负极板上的铅为活性物质，燃料电池质子交换膜上的氢为活性物质。导电骨架主要起传导电子和支撑活性物质的作用。单个电池或电池组上常标有“+”“-”，这是指示电池的正极端和负极端，便于使用者分辨和外电路接线，以免接错。

电解质通常为固体或液体，液体电解质常称为电解液，一般是酸、碱、盐的水溶液；固体电解质一般为盐类，由固体电解质组成的电池称为“干电池”。

电池主要性能指标如下。

（1）电压（V）

①电动势。电池正极和负极之间的电位差，通常用符号E表示。

②开路电压。电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。

③额定电压。电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。

④工作电压（负载电压、放电电压）。在电池两端接上负载R后，在放电过程中显示出的电压。

⑤终止电压。电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。

放电曲线是指在一定的放电条件下连续放电时，电池的工作电压随时间的变化曲线，如图1-27所示。在曲线图上可以表征出电池放电过程的变化情况，同时也可通过放电曲线计算出放电时间和放电容量。放电时率小者，其工作电压下降速度快，终止电压低，放电时间短，影响电池的实际使用效果。工作电压下降速度慢，往往能输出较多的能量。工作电压的变化速度有时也称作“放电曲线的平稳度”。

（2）电池容量（A·h）

①理论容量。根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值，一般用质量容量A·h/kg或体积容量A·h/L来表示。

②实际容量。在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。

③标称容量（公称容量）。用来鉴别电池适当的近似安时值，由于没有指定放电条件，因此，只标明电池的容量范围而没有确切值。

④额定容量（保证容量）。按一定标准所规定的放电条件，电池应该放出的最低限度的容量。

⑤充电状态（SOC）。充电状态（SOC）指电池容量的变化。SOC=1即表示电池为充满状态。随着蓄电池放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时可以用SOC的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效率区为（50％～80％）SOC。对SOC精确的实时辨识，是电池管理系统的一个关键技术。

（3）功率（W、kW）

在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定电动汽车的加速性能。

①比功率（W/kg）。指电池单位质量中所具有的电功率。

②功率密度（W/L）。指电池单位体积中所具有的电功率。

（4）能量（W·h、kW·h）

电池的能量决定电动汽车的行驶距离。蓄电池能量具体有以下指标。

①标称能量。按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量。电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。

②实际能量。在一定条件下电池所能输出的能量。电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。

③比能量（W·h/kg）。指电池单位质量中所能输出的能量。电池的质量包括电池本身结构件质量和电解质质量的总和。

④能量密度（W·h/L）。指电池单位体积中所能输出的能量。

（5）电池的内阻

电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池的内阻作用，使得电池在放电时端电压低于电动势和开路电压。在充电时的端电压高于电动势和开路电压。

（6）循环次数

蓄电池的工作是一个不断充电→放电→充电→放电的循环过程，按一定的标准规定放电，当电池的容量降低到某一个规定值以前，就要停止继续放电，然后就需要充电才能继续使用。在每一个循环中，电池中的化学活性物质，要发生一次可逆性的化学反应。随着充电和放电次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，逐渐削弱其化学功能，使得电池的充电和放电的效率逐渐降低，最后电池丧失全部功能而报废。从蓄电池开始第一次充电到报废时所经历的充/放电次数称为循环次数。蓄电池充电和放电的循环次数与电池的充电和放电的形式、电池的温度和放电深度有关，放电深度浅时，有利于延长电池的寿命。特别是电池在电动汽车上的使用环境，包括电池组中各个电池的均衡性、安装、固定方式、所受的振动和线路的安装等，都会影响电池的工作循环次数。

（7）使用年限

电池除了以循环次数表示使用时间外，通常还要用电池的使用年限来表示电池的寿命。蓄电池的使用年限就是从蓄电池开始使用到报废所经历的年数。

（8）放电速率（也称为放电率）

放电速率有时率和倍率两种表示方法。

①时率（也称为小时率）。电池以某种电流强度放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的放电时间。

②倍率。电池以某种强度放电的电流数值与额定容量电流值的比值（倍数）。

当放电电流大于或等于额定容量的数值时，该放电电流值用“倍率”表示；如若放电电流小于额定容量数值时，该放电电流值用“小时率”表示。蓄电池的额定容量常用“C”来表示，则“倍率”或“放电率”在C前加系数表示。例如：2倍率，即2C，其放电电流值为额定容量电流值的两倍，而额定容量约半小时放完；2小时率，即0.5C，其放电电流值为额定容量电流值的1/2，而额定容量约2小时放完电。

（9）自放电率

自放电率指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度。自放电率用单位时间（月/年）内电池容量下降的百分数来表示。

（10）成本

电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量的电池成本较高，使得电动汽车的造价也较高，开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。图1-28所示为电动汽车生产成本构成。

除上述主要性能指标外，还要求电池无毒性，对周围环境不会造成污染或腐蚀，使用安全，有良好的充电性能和充电操作方便，耐振动，无记忆性，对环境温度变化不敏感，易于调整和维护等。

目前电池技术的瓶颈则在于如何造出容量大（满电可以连续行驶400km以上）、体积小、重量轻、价格低的电池，以及如何实现快速充电。

2.铅酸蓄电池的种类

以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于铅酸蓄电池电极是以铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。

铅酸蓄电池按其工作环境可分为移动式和固定式两大类。汽车上应用的铅酸蓄电池均为移动式。

铅酸蓄电池根据结构及原理不同又分为多种，常见的有干荷电式蓄电池、湿荷电式蓄电池、阀控式蓄电池、免维护蓄电池、胶体型蓄电池及水平板式蓄电池等。

动力铅酸蓄电池性能与启动铅酸蓄电池的要求是不同的。它既要求有瞬时大电流放电的特点，又要求有持续大电流放电的能力。动力铅酸蓄电池有以下几个特点：

①单格电压高。电动汽车用铅酸蓄电池的单格额定电压可达2.0V，开路电压为2.1V，工作电压为1.8～2.0V。

②比功率和功率密度大，内阻小，长时间可输出大电流。

③性能可靠，充放电可逆性好。

④循环次数多，寿命长。

⑤结构简单，价格低廉。

3.铅酸蓄电池的构造

铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电池盖、电解液、加液孔盖和电池外壳组成，如图1-29所示。正、负极板浸入稀硫酸电解液中成为单格电池。每个单格电池的标称电压为2V，因此，6格串联起来成为12V蓄电池。

4.铅酸蓄电池的型号

电动车使用的蓄电池一般为牵引铅酸蓄电池，型号为××V-××A·h。例如12V-120A·h，前面部分表示铅酸蓄电池的标称直流电压，后面部分表示铅酸蓄电池的标称容量。

5.铅酸蓄电池的工作原理

蓄电池中发生的化学反应是可逆的。铅酸蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅PbO2，负极板上是海绵状的纯铅Pb，电解液是硫酸水溶液H2SO4。当蓄电池和负载接通放电时，正极板上的二氧化铅和负极板上的铅都将转变成硫酸铅（PbSO4），电解液中的硫酸浓度减少，相对密度下降。当蓄电池接通直流电源充电时，正、负极板上的硫酸铅又将恢复成原来的二氧化铅和纯铅，电解液中的硫酸浓度增加，相对密度增大。

（1）蓄电池的放电过程

将蓄电池的化学能转换成电能的过程称为放电过程。放电前，正极板上二氧化铅电离为正四价铅离子（Pb4+）和负二价氧离子（O2-），铅离子附着在正极板上，氧离子进入电解液中，使正极板具有2.0V的正电位。负极板上的纯铅电离为正二价铅离子（Pb2+）和两个电子（2e-），铅离子进入电解液中，电子留在负极板上，使负极板具有-0.1V的负电位。这样正负极板之间就有了电位差，这个电位差为2.1V。

放电时，在2.1V的电位差作用下，电流从正极流出，经过负载［如图1-30（a）所示中的灯泡］流回负极。

理论上，放电过程将进行到负极板上的活性物质全部转变为硫酸铅为止。但实际上，由于电解液不能渗透到活性物质最内层，因此所谓完全放电的蓄电池事实上只有20％～30％的活性物质转变为硫酸铅。要提高活性物质的利用率，就必须增大活性物质与电解液之间的反应面积。目前常用采用薄型极板和增大活性物质的孔率的措施来达到目的。

（2）蓄电池的充电过程

将电能转换成蓄电池化学能的过程称为充电过程。充电时，蓄电池接直流电源，如图1-30（c）所示，在电场力作用下，电流从蓄电池正极流入，负极流出。

在负极板处有少量的PbSO4进入电解液中，离解为Pb2+和。Pb2+在电源的作用下获得两个电子变为金属Pb，沉附在极板上。而则与电解液中的H+结合，生成硫酸。

在正极板处也有少量PbSO4进入电解液中，离解为Pb2+和，Pb2+在电源作用下失去两个电子变为Pb4+，它又和电解液中水离解出来的OH-结合，生成Pb（OH）4，Pb（OH）4又分解为PbO2和H2O，而又与电解液中的H+结合生成硫酸。

由此可见，在充电过程中，正、负极板上的PbSO4将逐渐恢复为PbO2和Pb，电解液中硫酸成分逐渐增多，水逐渐减少。

6.其他类型的铅酸蓄电池

（1）干荷电式蓄电池

干荷电式蓄电池是指极板组在干燥状态下仍能长期保存自身电荷的蓄电池。这种蓄电池的负极板的活性物质是在铅中配有一定比例的抗氧化剂，如松香、羊毛脂、油酸、有机聚合物和脂肪酸等。经深化处理后，使活性物质形成较深层的海绵状结构，再经防氧化浸渍处理，极板表面附着了一层极薄的保护膜，提高了抗氧化性能，最后经惰性气体或真空干燥处理。经过这样的处理后，负极板上的海绵状纯铅在空气中长期以干态存在而不氧化，在反应中获得的大量负电荷不至于消失。

（2）湿荷电式蓄电池

湿荷电式蓄电池与普通蓄电池所不同的是它采用极板群组化成工艺，化成后将极板浸入相对密度为1.35（15℃）、内含0.5％（质量比）硫酸钠的稀硫酸溶液中浸渍。硫酸钠在负极板活性物质表面起抗氧化作用，经离心沥酸后，不经干燥即进行组装密封。

湿荷电式电池极板和隔板仍带有部分电解液，蓄电池内是湿润的，所以叫“湿荷电式蓄电池”。

（3）免维护型蓄电池

免维护型蓄电池是指在使用寿命期限内，除要保持表面清洁外，不需其他维护的蓄电池。这与它自身的结构特点密切相关。

①免维护型蓄电池采用低锑合金或铅钙合金做极板栅架。因为栅架含锑少或不含锑，提高了氢在蓄电池负极、氧在正极析出的低电位，从而有效地保存了蓄电池中的水分，也有效地减少了蓄电池的自放电，这使得蓄电池在使用过程中不需要补加蒸馏水。

②采用密封式隔板。这样就可以有效地避免正极板上活性物质的脱落，延长蓄电池的使用寿命。

③采用内装式密度计。从密度计指示器指示的不同颜色，可以判断蓄电池的存电状态及液面高度。

④采用安全通气装置（阀控装置）。这使得蓄电池可避免其内部硫酸气与外部的火花直接接触，防止爆炸。另外，通气塞处还装有催化剂钯，可把氢气和氧气催化化合成水，重新流回到蓄电池中，从而保持了水分。

⑤采用穿壁式连接条。这种连接方式可以减小蓄电池的内阻，提高蓄电池的容量。

车用阀控铅酸蓄电池的外形如图1-31所示。

（4）胶体型蓄电池

胶体型蓄电池是指其电解液是由稀的硫酸钠溶液和硅酸溶液混合成胶状物质的蓄电池。这种蓄电池因为其电解液的流动性不强，所以在储存、保管、运输及使用过程中都比较安全，但其容量与普通蓄电池相比有所降低。

（5）水平式蓄电池与双极式蓄电池

所谓“水平式蓄电池”就是极板为水平安置的电池，其结构如图1-32（a）、（b）所示。

所谓“双极式”，是将原蓄电池的隔板去掉，正、负极板合一，一面涂正极板活性物质，另一面涂负极板活性物质，如图1-32（c）所示。据报道，英国一家公司用钛化合物作电极制成的铅酸蓄电池比能量达到60W·h/kg，几乎接近镍-氢、锂电池的比能量。如果在技术上突破的话，价格低廉的铅酸蓄电池会大力推动电动汽车的推广和普及。

二、碱性电池

1.镍-镉（Ni-Cd）电池

镍-镉电池是混合动力汽车首选电池之一。镍-镉电池的比能量可达到55W·h/kg，比功率可超过225W/kg。极板强度高，工作电压平稳，能够带电充电，并可以快速充电。镍-镉电池过充电和过放电性能好，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大，深度放电性能也好。循环使用寿命长，可达到循环次数2000次或使用年限7年以上，是铅酸电池的2倍。采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。

（1）镍-镉电池的工作原理

镍-镉电池是以羟基氢氧化镍为正极，金属镉为负极，水溶性氧化钾溶液为电解质，在镍-镉电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。为了提高寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。镍-镉电池的化学反应方程如下：

（2）镍-镉电池的构造

镍-镉电池的每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成，如图1-33所示。将单体电池按不同的组合装置在不同塑料外壳中，可得到所需要的不同电压和不同容量的镍-镉电池总成（电池组），市场上有多种不同型号规格的镍-镉电池总成可供选择。在灌装电解液并经过充电后，就可以从电池的接线柱上引出电流。图1-34所示为镍-镉电池外形。

（3）镍-镉电池的特点

镍-镉电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为12V，比能量为55W·h/kg，比功率可以超过225W/kg，循环使用寿命2000次以上。可以进行快速充电，充电15min可恢复50％的容量，充电1h可恢复100％的容量，但一般情况下完全充电需要6h。深放电达100％，自放电率低于0.5％/天。可以在-40～80℃的环境温度条件下正常工作。快速充电能力强，充电18min即可从40％达到80％容量。

镍-镉电池有记忆效应，镍-镉电池中采用的镉（Cd）是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效回收，这在国外已能实现。镍-镉电池的成本约为铅酸电池的4～5倍，初始购置费用较高，但镍-镉电池的比能量和循环使用寿命，都大大地高于铅酸电池，因此，在电动汽车实际使用时，总的费用不会超过铅酸电池的费用。由于镍-镉电池使用性能比铅酸电池好，在混合动力汽车上得到广泛使用。克莱斯勒公司的TE面包车、标致106型混合动力汽车、雪铁龙AX—EV以及日本本田汽车公司、日产汽车公司等生产的混合动力汽车上都采用了镍-镉电池。

2.镍-氢（Ni-MH）电池

镍-氢电池是一种碱性电池，镍-氢电池的标称电压为1.2V，比能量可达到70～80W·h/kg，有利于延长电动汽车的行驶里程。比功率可达到200W/kg，是铅酸电池的2倍，能够提高车辆的启动性能和加速性能。有高倍率的放电特性，短时间可以以3C放电，瞬时脉冲放电率很大。镍-氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电，并可以快速充电，在15min内可充60％的容量，1h内可以完全充满，应急补充充电的时间短。在80％的放电深度下，循环寿命可达到1000次以上，是铅酸电池的3倍。采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。镍-氢电池中没有Pb和Cd等重金属元素，不会对环境造成污染，可以随充随放，不会出现其他电池在没有放完电后即充电而产生的“记忆效应”。

（1）镍-氢电池的工作原理

如图1-35所示，镍-氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属、树脂和黏合剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni（OH）2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的改进。采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂时，可以提高大电流时的放电性能。

镍-氢电池的负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金的晶格基块，用钛-钒-锆-镍-铬（Ti-V-Co-Cr-Ni）五种基本元素，并与钴、锰等金属元素烧结的合金，经过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能，对镍-氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加储氢合金的防腐性能，这有利于提高镍-氢电池的比能量、比功率和使用寿命。

电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。当电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极从金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。

（2）镍-氢电池的构造

镍-氢电池正极是活性物质氢氧化镍Ni（OH）2，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍-氢单体电池，在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍-氢电池的特性与镍-镉电池基本相同，但氢气是没有毒性的物质，无污染，安全可靠，使用寿命长，而且不需要补充水分。

镍-氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍-氢电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，特别是在存放一段时间后，会有近20％的电荷流失，老化现象比较严重，为避免发泡镍-氢电池老化所造成的内阻增高，镍-氢电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的镍-氢电池的烧结体极板本身就是活性物质，不需要进行活性处理也不需要进行预充电，电压平衡、稳定，具有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。

镍-氢电池的基本单元是单体电池，每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成，其外形有圆形和方形两种，如图1-36所示。每节电池的额定电压为13.2V（充电时最大电压16.0V），然后将电池按使用要求组合成不同电压和不同容量镍-氢电池总成（电池组），如图1-37所示。该种镍-氢电池比能量达到70W·h/kg，能量密度达到165W·h/L，比功率在50％的放电深度下为220W/kg，在80％的放电深度下为200W/kg。可以大幅提高电动车的动力性能。

（3）镍-氢电池的充、放电特性

①放电特性。D型（电动车用）镍-氢电池（6个单体电池组件）放电时，2C的功率输出时的质量比功率可达到600W/kg以上，3C的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对电动车的动力性能的控制十分有利，电池的寿命可以达到100000km以上。

②充电特性。D型镍-氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到100％，能够有效地接受电动车在制动时反馈的电能。另外，由于能量损耗较小，镍-氢电池的发热量被抑制在最小的极限范围内，可以有效地控制剩余电量，并用电流来显示电池的剩余电量。

③寿命。电动汽车动力电池组经常处于充电、放电状态，而且充电、放电是不规则地进行的，这对电池的寿命带来严重的影响。松下电池公司，用模拟混合动力汽车行驶工况对镍-氢电池进行仿真试验，证实镍-氢电池的特性几乎不发生变化，镍-氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。

镍-氢电池的成本很高，达600～800美元/（kW·h）。不同的储氢合金具有不同的储存氢的能力，价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金，已达到世界水平，为我国生产镍-氢电池推广提供了有利条件。目前高档电动汽车多采用镍-氢电池或锂电池。

本田Insight镍-氢电池组如图1-38所示。本田新Insight的电池系统是原电动汽车电池改良而成的，电池组置于行李舱底板，由120颗松下1.2V镍-氢电池组成，串联合计电压为144V，支持电流输入50A，输出100A，系统限制可用4A·h，以延长电池寿命。新Insight搭载1.3L发动机。本田研发的经济油耗驾驶辅助系统能够有效提高燃油经济性，起步和加速时电动系统自动调节功率输出，从而实现混合动力模式百公里理想油耗为4.34L，二氧化碳排放量低于100g/km。纯电动模式下，该车能达到50km/h，适合城市路况。

图1-39所示为普锐斯汽车的电池组，重53.3kg，由28组松下棱柱镍-氢电池模块构成，每个模块又分别载有6个1.2V电池，总计168个电池，串联标称电压合计201.6V，比上一代的38组228电池有所减少。

镍-氢电池用于电动汽车上主要优点是：启动加速性能好，一次充电后的行驶里程较长，不会对周围环境造成污染，易维护，快速补充充电时间短。

镍-氢电池在充电过程中容易发热，发热产生的高温会对镍-氢电池产生负面影响。高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短。镍-氢电池在充电后期，会产生大量的氧气，在高温的环境条件下，将加速负极储氢合金氧化，并使储氢合金平衡压力增加，使储氢合金的储氢量减少而降低镍-氢电池的性能。尼龙无纺布隔膜在高温的作用下，会发生降解和氧化。尼龙无纺布隔膜发生降解时，产生铵离子和硝酸根离子，加速了镍-氢电池的自放电。尼龙无纺布隔膜发生氧化时，氧化成碳酸根，使镍-氢电池的内阻增加。在镍-氢电池充电的过程中，电池温度迅速地升高，会使充电效率降低，并产生大量氧气，如果安全阀不能及时开启，会有发生爆炸的危险。

在镍-氢电池的制造技术上进行一些改进，例如：正极板采用多极板技术，负极板采用端面焊接技术，在电解液中适当加入LiOH和NaOH，采用抗氧化能力强的聚丙烯毡做隔膜等，可以有效地提高镍-氢电池耐高温能力。在镍-氢电池动力电池组的单体镍-氢电池之间，加大散热间隙，采取有效的散热措施和建立自动热管理系统，以保证镍-氢电池正常工作并延长使用寿命。

3.锂电池

锂电池具有极高性能优势，是未来动力蓄电池发展的必然方向。相对传统的铅酸以及镍-氢和镉-镍电池而言，锂电池的历史很短。

（1）普通锂电池的特点

单体电池工作电压高达3.7V，是镍-镉电池、镍-氢电池的3倍，是铅酸电池的近2倍；质量轻，比能量大，高达150W·h/kg，是镍-氢电池的2倍，是铅酸电池的4倍，因此质量是相同能量的铅酸电池的1/4～1/3；体积小，达到400W·h/L，体积是铅酸电池的1/3～1/2。提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件、设计空间和可能性；循环寿命长，循环次数可达1000次。以容量保持60％计，电池组100％充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达3～5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍；自放电率低，每月不到5％；允许工作温度范围宽，低温性能好，锂电池可在-20～55℃工作；无记忆效应，所以每次充电前不必像镍-镉电池、镍-氢电池一样需要放电，可以随时随地地进行充电。电池充放电深度对电池的寿命影响不大，可以全充全放；无污染，锂电池中不存在有毒物质，因此被称为“绿色电池”，而铅酸电池和镍-镉电池由于存在有害物质铅和镉，环境污染问题严重。

（2）锂电池的结构原理

磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池虽在2002年出现，但从目前各种锂电池的性能对比可以看出，磷酸铁锂电池是目前最适合用于电动汽车产业化运用的锂电池。磷酸铁锂电池有以下特点。

①高效率输出。标准放电为（2～5）、连续高电流放电可达10，瞬间脉冲放电（10s）可达20。

②高温时性能良好。外部温度65℃时内部温度则高达95℃，电池放电结束时温度可达160℃。

③电池的安全性好。即使电池内部或外部受到伤害，电池不燃烧、不爆炸。

④经500次循环，其放电容量仍大于95％。

LiFePO4电池的结构与工作原理如图1-40所示。LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子（Li+）可以通过而电子（e-）不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子通过隔膜向正极迁移。锂电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

锂电池内部主要由正极、负极、电解质及隔离膜组成，正负极、电解质材料上不同及工艺上的差异使电池有不同的性能，尤其是正极材料对电池的性能影响最大。

锂电池有方形和圆柱形两种，如图1-41和图1-42所示。

锂电池根据所采用的电解质材料可分为液态电池和聚合物电池两种。

液态锂电池的负极材料采用碳材料，主要有石墨、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等；正极材料主要有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等，其中LiCoO2应用较为广泛，其可逆性、放电容量、充放电率、电压稳定性等性能均很好。电解质为液态，其溶剂为无水有机物。隔膜采用聚烯烃多微孔膜，如PE、PP或复合膜。外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防焊断电的功能。

聚合物锂电池又称为高分子锂电池，属第二代锂电池。聚合物锂电池由多层薄膜组成，第一层为金属箔集电极，第二层为负极，第三层为固体电解质，第四层为正极，第五层为绝缘层。负极采用高分子导电材料、聚乙炔、人造石墨、聚苯胺或聚对苯酚等。正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4和Li（CFSO2）2等，电解质为胶体电解质，如LiPF6、有机碳酸酯混合物等。

图1-43所示为MercedesBenzS400 Hybrid混合动力车型应用的锂离子蓄电池。

4.钠-硫电池

钠-硫电池（Sodium-Sulfur Battery）是美国福特（Ford）公司于1967年首先发明公布的，其比能量高、可大电流、高功率放电。钠-硫电池是以Na-β-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。

钠-硫电池的工作原理如图1-44所示，以固体电解质Na-β-氧化铝为电解质，熔融硫和钠分别作阴阳极。正是因为钠-硫电池采用的材料特殊，所以能连续充电近两万次，也就是说相当于近60年的使用寿命，且终生不用维修，不排放任何有害物质，也无二次污染公害，这是别的电池无法达到的。钠-硫电池是靠电子转移而再生能量，所以它充电时间相当短暂，一次充电可运行10～11h，它经热反应后所产生的理论能量密度为786W·h/kg，实际能量密度为300W·h/kg，这约是铅酸电池的10倍，是镍-氢电池的4倍，是锂电池的3倍。

钠-硫电池最大的特点是：比能量高，是铅酸电池的3～4倍；可大电流、高功率放电；充放电效率几乎高达100％。但钠-硫电池的不足之处是其工作温度在300～350℃，需要一定的加热保温。另外过充电时很危险。

5.空气电池

所谓“空气电池”，是指用氧气作正极的活性物质、常用金属作负极的活性物质的一种电池。它的电解质为碱性（KOH）。因为作负极的金属材料可选性很多，所以空气电池的种类也很多，一般以选作负极材料的金属名为电池名的第一个字，后面加空气电池即为电池名，如用锌作负极的空气电池即叫“锌空气电池”，用铝作负极材料的称为“铝空气电池”。因为锌材料易得，价格不高，故锌空气电池产品较多。

（1）锌空气电池的结构

锌空气电池的结构如图1-45所示。其中图1-45（b）为空气极板的放大图，由该图可知，空气极板由四层组成：一为隔离层；二为催化剂层，是表面改性的活性炭或炭黑材料；三为集电层，用导电良好的金属网和塑料制成；四层为空气扩散层，用纤维素做扩散纸。催化剂层和空气扩散层之间有用聚四氟乙烯树脂做的含水层，成品的锌空气电池由一组单体电池串联而成。车载锌空气动力电池组还包括空气流通保障系统和电池组热管理系统，确保动力电池组能够长期稳定运转。空气流通保障系统调节进入锌空气电池阴极的空气量，当不使用电池时可以自动切断空气。热管理系统主要是用来保证锌空气电池组能够可靠工作。

锌空气电池的“充电”和其他电池的概念不一样，这里的“充电”，就是把已经发生过化学反应生成氧化锌的锌粒清除出来，重新填入锌粒而已，方法简单，时间不长。车载锌空气动力电池组通常采用机械式充电模式，即用变换锌板或锌粒电解质的办法。更换下来的氧化锌在专门的工厂进行回收和处理，实现锌的再循环。这种特殊的“充电”一般换一次仅需数分钟时间，如更换一块20kg的电池组仅需1分40秒。因此，只要在公路沿线设置锌板或锌粒箱以及电解质容器匣的机械式整体更换站，其效果如同现在内燃机汽车的加油站，可为车主提供很大的便利。

（2）锌空气电池的工作原理

锌空气电池以锌（Zn）为负极，以氧气为正极，以氢氧化钾（KOH）溶液为电解质。锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似，在特殊催化剂的作用下，当电池放电时，锌摄取输送炭块内从空气中吸附到的氧气，锌和氧气发生化学反应生成氧化锌（ZnO）。

锌空气电池的特点是：正、负极之间发生的化学反应是不可逆的，不像其他形式的碱性电池，没有充电过程，反应过的物质要清除掉，所以锌金属的消耗量较大。锌空气电池的工作电压为1.1～1.4V。

（3）锌空气电池的特点

①比能量大，锌空气电池的理论比能量为1350W·h/kg，现在电池的比能量为180～230W·h/kg；能量密度为230W·h/L。

②采用机械充电模式，充电时间只需几分钟。

③性能稳定，单电池有良好的一致性，可以深度放电，电池容量不受放电强度和温度的影响，可以在-20～80℃的环境条件下工作。放电时不产生压力，没有气体生成，可以实现密封免维护，便于电池组能量管理。

④安全性好，锌可以再生使用，制造成本低。

同时，锌空气电池也存在不足。锌空气电池对水分、二氧化碳非常敏感，如果湿度相对发生变化，电池的特性也会发生相应变化。锌空气电池的临界相对湿度约为60％，如果偏离过高就会严重影响电池的使用效果。经研究，如果湿度小于60％，电池会失去水分，大于60％时水分又会过多，电池可能出现泄漏。随空气进入的二氧化碳将会与电解质KOH发生化学反应，使电解液酸化，生成碳酸（或亚碳酸）盐在电极上结晶，阴极会受到损坏，并会有堵塞空气通路的危险。

三、物理电池

物理电池在储存能量、释放能量时不发生化学变化。目前，电动汽车常用的物理电池主要有超级电容和飞轮电池两种。

1.超级电容

（1）超级电容的结构原理

电容器是一种电荷的储存装置，当电源的电压作用在电容器的两端时，电源的电荷就储存在电容器中。利用电容器的这一特性在电动汽车上进行储能，可以提供车辆行驶时所需的电能。

超级电容也称为“电化学电容器”“双电层电容器”，是一种新型储能装置，可以在大电流下快速充放电，提供很大的瞬时充放电功率，循环寿命长，工作电压和温度范围宽。

超级电容的储能方式与传统电容器不同，传统电容器由电极和电介质构成，电极间的电介质在电场作用下产生极化效应而存储能量；而电化学电容器则不存在介质，它依靠电解质与电极接触界面上形成的特有双电层结构储存能量。电化学电容的容量远大于传统电容器，达到103～104F。

德国物理学家亥姆霍兹（Helmholtz）在进行固体与液体界面现象的研究中发现，当导体电极插入电解液中时，导体电极即与电解液接触，由于库仑力、分子间作用力（范德华力）或原子间作用力（共价力）的作用，其表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子，使它们在电极/电解质溶液界面的溶液一侧，距电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层，从而形成一层在电极上，另一层在溶液中的两个电荷层，称为“双电层”，如图1-46所示。由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和。双电层结构将形成一个平板电容器。

超级电容器的结构如图1-47所示。多孔化电极采用活性炭粉、活性炭或活性炭纤维，电解液采用有机电解质。多孔性的活性炭有极大的表面积，在电解液中吸附着电荷，因而具有极大的电容量，并可以存储很大的静电能量。双电层超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

目前主要的双层结构超级电容主要有碳电极双层电容器、金属氧化物电极双层电容器和有机聚合物电极双层电容器。但是由于金属氧化物（氧化钌）电极电容价格高昂，有二次污染等因素，目前主要用于军事领域，而有机聚合物技术尚未成熟，因此在电动汽车上广泛使用的主要是碳电极超级电容。碳电极超级电容器的面积是基于多孔碳材料，该材料的多孔结构允许其表面积达到2000m2/g，通过一些措施还可以实现更大的表面积。碳电极超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的，该距离比传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有巨大的静电容量。超级电容器中，多孔化电极采用的是活性炭粉或活性炭或活性碳纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸酯或高氯酸四乙氨等。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集电容量，其多孔化电极在电解液中吸附电荷，因而可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一储电特性介于传统的电容器与电池之间。尽管能量密度比电池低，但是这种能量储存方式，有快充快放的特点，可以应用在传统电池难以解决的短时高峰值电流应用之中。图1-48所示为MAXWELL公司生产的超级电容。

双电层电容本质上是一种静电型能量储存方式，目前已经研制出活性炭材料表面积可以达到2000m2/g，单位质量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平，而且炭材料还具有成本低、技术成熟等优点，使得该类超级电容在汽车上应用最为广泛。

除了用于动力驱动系统外，超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如，未来汽车设计使用的42V电系统（转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等），如果使用长寿命的超级电容，可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高，另外还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线，同时减少汽车子系统对电池的功率消耗，延长电池使用时间。

因为传统的蓄电池（如铅酸电池）功率密度偏低，不能满足车辆的频繁地起步、加速和制动工况的要求，而且加速时浪费了过多的能量，致使车辆的续行里程不能满足要求。加装超级电容的车辆就可以有效地解决这一问题，既可以提供较大的驱动电流，满足车辆行驶工况；又可以节省电池的能量，延长车辆的续行里程，同时减少了蓄电池的频繁充放电的工作状态，提高了蓄电池的使用寿命。

（2）超级电容的使用方式

超级电容和DC/DC变换器系统搭配是常用的使用方式。超级电容和蓄电池采用并联的连接方式。电容在正常行驶的时候，不参与工作；但当车辆进行加速或上坡时，电容通过DC/DC变换器的控制提供短期的大电流，并与电池共同供电，两者再经过电动机控制器的调控，驱动电动机驱动车辆。当电容的电压低于蓄电池的端电压时，DC/DC变换器通过工作电路降压，使得超级电容达到能量饱和状态。在蓄电池急需能量时通过控制电路对电容能量进行升压输出到蓄电池两正负端。

超级电容的快充快放特点使其十分适合为公交车提供主动力。由于超级电容具有很高功率密度，放电电流可以达到数百安培，在大电流应用场合，特别是高能脉冲环境，可更好地满足功率要求。同时超级电容充放电时间短、效率高，可在很短的时间内完成一个充放电循环，远远低于可充电电池，特别适合短距离行驶车辆。

2.飞轮电池

飞轮装置发展已经比较成熟，由于其远大于化学电池的比功率和比能量，成为目前许多科研工作者的研究重点。美国飞轮系统公司（AFS）已经生产出了以克莱斯勒LHS轿车为原形的飞轮电池轿车AFS20，这是一种完全由飞轮电池供电的电动汽车，它由20节飞轮电池驱动，每节电池直径230mm，质量为13.64kg，电池用市电充电需要6h，而快速充电只需要15min，一次充电行驶路程可达560km，而其原形LHS汽油车为520km，其加速性能也很好，0～96km/h加速时间只需要6.5s，其寿命超过3210000km。

（1）飞轮电池的工作原理

飞轮电池的基本工作原理如图1-49所示，将外界输送过来的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载，而空闲运转时的损耗非常小。事实上，为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承技术，而且将电动机和飞轮都密封在一个真空容器内以减少风阻。

发电机和电动机通常使用一台电动机来实现，通过轴承和飞轮连接在一起，这样，在实际常用的飞轮储能装置中，主要包括飞轮、轴、轴承、电动机、真空容器和电力电子装置，飞轮储能装置组成的示意图如图1-50所示。

当外部设备通过电力电子装置给电动机供电时，电动机就作为电动机使用，它的作用是给飞轮加速，储存能量；当负载需要电能时，飞轮给电动机施加转矩，电动机又作为发电机使用，通过电力电子装置给外部设备供电。在整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其中的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量由下式决定

式中　E——飞轮储存的能量；

j——飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和质量有关；

ω——飞轮转动的角速度。

由上式可知，飞轮储能装置储存的能量多少由飞轮的形状、质量和它的转速决定，电力电子装置通常是由FET或IGBT组成的双相逆变器和控制电路，它们决定了飞轮储能装置能量输入输出量的大小。

飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行驶和制动制动时给飞轮电池充电。飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优状态下，减少燃料消耗、空气和噪声污染。飞轮电池比能量比镍-氢电池大2～3倍；飞轮电池比功率高于一般化学蓄电池和内燃机，其快速充电可在18min完成且能量储存时间长。另外飞轮电池能进行超快速充电，且无化学电池的缩短使用寿命问题，整个电池的使用寿命远长于各种化学蓄电池。飞轮为纯机械结构，不会像内燃机产生排气污染，同时也没有化学蓄电池的化学反应过程，不会引起腐蚀，也无废料的处理回收问题。

（2）飞轮电池技术的应用

就目前的技术来看，飞轮电池电动汽车还不能广泛应用，由于飞轮储能装置本身的特点，它更加适用于复合动力汽车和混合电动汽车技术中。复合动力汽车是靠内燃机和电动机两种方式共同提供推动力的，在汽车正常行驶和制动的时候给电池充电，汽车爬坡和加速，需要功率大的时候让电池放电。

普通汽车在正常行驶的时候，功率仅为最大功率的1/4，复合动力汽车中蓄电池和电动机的加入恰好可以解决这个问题。这样复合动力汽车在设计的时候就可以不用按照汽车的最大功率来进行设计，可以避免出现在正常行驶的过程中出现大马拉小车的现象，大幅度提高汽车的性能。复合动力汽车技术早就得到了科学家们的重视，美国和许多欧洲国家都已经开始应用，许多大型公共汽车中都开始用两种发动机提供动力，而且在许多军用汽车装备中，也大量地使用了混合能量技术，但是在这种汽车中，对电池的要求很高，因此限制了复合动力汽车的发展和广泛应用。首先，在汽车的使用过程中，电池的充放电次数很多，而一般的化学电池的充放电次数很难提高；其次，在电池的使用当中，电池的放电深度很不规则，对于化学电池的寿命就会有很大的影响；最后，要求电池的充放电速度快，这样才能满足汽车电动机和电池的需要。这些要求对于目前应用最广泛的铅酸电池来说，都是比较难以实现的技术。但是对于飞轮储能装置来说却不难。随着磁悬浮技术的发展，飞轮的充放电次数远远大于汽车电池使用的需要，而且飞轮的充放电是化学能和机械能的相互转化，它的放电深度可大可小，绝不会影响电池寿命，同时，由多台驱动电动机共同驱动的飞轮系统可以在很短的时间内达到几万转的转速。此外，在飞轮储能装置中，决定输入输出的器件是它外接的电力电子器件，而与外部的负载没有关系，还可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。

混合电动汽车的原理和复合动力汽车差不多，它是将飞轮电池加到化学电池或者其他电池上，做成一块电池，称为飞轮混合电池，共同驱动汽车电动机，典型代表为911 GT3R Hybrid油电混合动力车，如图1-51所示。采用飞轮电池设计，这套针对赛车开发的油电混合动力系统，采用前轮电力驱动搭配后轮引擎驱动的油电混合四驱模式，左右前轮传动轴的两台电动机，分别拥有60kW的输出功率，搭配输出350kW的后置后驱六缸水平对置发动机，采用体积小、高效能的电控飞轮电池设计，利用飞轮物理储能取代现行主流的镍-氢与锂电池组设计。飞轮电池组最高转速可达40000r/min，搭配前轮轴两个电动机组成充放电架构。在制动时，前轮电动机将成为发电机，将前轮制动动能转换为电能并回充至飞轮电池，当要踏踩油门输出动力时，飞轮电池又可供电驱动两个电动电动机，一次全力放电时，高达120kW的前轮总输出动力可维持6～8s。

3.太阳能电池

太阳发射到地球大气层的阳光，被反射回太空约30％，被大气所吸收约24％，被地面所吸收约46％。经研究计算，每天、每平方米地面约接收到157W的太阳辐射。太阳能每天提供给地球的能量是地球上任何能源所不能达到的，太阳能将是取之不尽、用之不竭的能源。从20世纪70年代开始，太阳能被应用到汽车上，迄今为止，世界上举办了多次太阳能电动汽车竞赛。

图1-52所示为太阳能电池的基本构造，在n型半导体的表面形成p型半导体，构成p-n结即形成太阳能电池，形成的p型层仅仅有1～3μm，太阳光照射到它的表面，透过p型层达到n型层p-n结处，就能够产生电动势，产生的电压约0.5V。太阳能电池的电流大小与太阳光照射强度的大小和太阳能电池面积的大小成正比。

太阳能电池的形状有圆形和方形，将很多个太阳能电池排列组合成太阳能电池板，就能产生所需要的高电压和大电流。太阳能电池的转换效率约为10％左右。由于太阳能电池对能量的转换效率较低，需要进一步采用新材料和新技术来提高。在美国加利福尼亚的海滩，阳光充足，设有太阳能充电站，能够同时为7辆EV同时充电，太阳能充电站已经得到广泛推广。太阳能电动汽车除太阳能电池外，需要配置电池组、电动机、控制器和自动阳光跟踪系统等。

太阳能电池有非晶硅、单晶硅和多晶硅，一般在太阳能电动汽车的顶棚上装置转换能力较强的单晶硅电池板组，电池板组光电转换率可达到14.9％～15.2％，可产生166～175V的电压、2.3～2.5A左右的电流和360～380W的功率。每天按8h的日照，太阳能电动汽车可获得2.5～3kW·h的电能。可供太阳能电动汽车行驶40～60km，最高车速可达到60～80km/h。

瑞士联邦工学院米凯尔-格雷策尔研究的二氧化钛太阳能电池，在二氧化钛薄膜上涂一层感光层，当感光层受到光子撞击时，释放出自由电子并形成电流，用无定型有机材料代替电解液将电流输出。

太阳能电动汽车的关键技术装备是太阳能电池板，目前，由于硅晶体的太阳能电池的转换率比较低，所能够提供的电能比较少，因此，太阳能电池板占据了很大面积，并且必须装置在太阳能电动汽车的顶部，如图1-53所示。而且大多数太阳能电动汽车只能承载一个驾驶人。由于太阳能电池的能量较小，而且受天气的影响，在阴天、下雨时，太阳能电池的转换效率降低或停止，有些太阳能电动汽车要与蓄电池共同组成太阳能混合动力电动汽车。

太阳能混合动力电动汽车由太阳能电池板将太阳能转换为电能后，通过充电器向动力电池组充电，也可以由太阳能电池板直接提供电能，这种方式的效率最高，然后通过电流变换器将电流输送到驱动电动机，带动驱动系统驱动太阳能混合动力电动汽车行驶，其驱动模式相当于串联式混合动力电动汽车（SHEV）。一般采用智能控制系统来控制其运行。

太阳能电动汽车的太阳能电池板，只要能够受到太阳的照射，就能够不断地将太阳能转换为电能，并连续地向蓄电池充电，可以无偿地获得电能，是一种价格低廉、零污染、取之不尽的理想能源。但太阳能电池板造价高，能量转换效率低，太阳能电池板占据了很大面积，整车布置较困难是目前太阳能电动汽车的缺点。

四、燃料电池

简单地说，燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。

单元燃料电池由阳极、阴极、电解质、隔膜和附件构成，其发电原理如图1-54所示。燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原。如果在阳极上连续供应气态燃料，而在阴极上连续供给氧气（或空气），就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电动势，如果接入负载，就会有电流产生。燃料电池与其他电池的发电机理不尽相同，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内。它工作时需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂，并同时排出反应生成物。

燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化反应产生催化作用，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。燃料电池阴极的作用是为氧气和电解液提供公共界面，对氧气的还原反应产生催化作用，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为多相界面反应，电极一般采用多孔材料并涂有贵重金属铂作催化剂。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，组织电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂。隔膜必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质，并且有良好的湿润性。

燃料电池的输出电压是阴阳电极的电势差。当外电路I=0时，称为开路电压；当I≠0时，称为端电压。端电压低于开路电压的现象称为极化。电池输出电流时阳极电位的损失称为阳极极化，同理，阴极电位的损失称为阴极极化。一个电池的极化包括阴极极化、阳极极化和欧姆极化三部分。

燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总地来说，燃料电池具有以下特点。

①能量转化效率高。它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程。目前燃料电池系统的燃料-电能的转换效率为45％～60％，而火力发电和核电的效率为30％～40％。

②对环境污染小。有害气体SOx、NOx及噪声排放都很低，CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。

③燃料适用范围广。

④使用方便。安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。

⑤负荷响应快，运行质量高。燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，非常适合作汽车动力。

燃料电池种类繁多，常见的分类方法有三种：一是直接式，其燃料（如氢和甲醇）直接与氧化剂作用；二是间接式，其燃料不是直接用氢或甲醇，而是通过某种方法把某种富氢化合物转变成氢后再供给电池；三是再生式，把燃料电池反应生成的水通过某种方法分解为氢和氧，再使其重新进行反应。

直接式燃料电池按工作温度的高低可分为高、中、低三类。工作温度在750℃以上的为高温燃料电池；在200～750℃的为中温燃料电池；低于200℃的为低温燃料电池。也有按温度分为四类的，即25～100℃、100～300℃、500～1000℃、1000℃以上。

按照电解质类型的不同可分为：碱性燃料电池（AFC）、固态聚合物燃料电池（ESPFC，又称“质子交换膜燃料电池”，PEMFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等。

质子交换膜燃料电池由于具有工作温度低、功率密度大、启动快、使用寿命长、结构简单等特点，因此得到迅速发展。据预测，质子交换膜燃料电池可能是继磷酸盐燃料电池之后最早实现商业化的燃料电池。

1.质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池是指以质子交换膜作电解质和隔离材料的燃料电池。质子交换膜燃料电池的工作温度低于100℃，是电动汽车的理想动力电源。

质子交换膜燃料电池是最早被用于空间飞行试验的燃料电池。早期的质子交换膜燃料电池的发展一直受到昂贵的、必需的结构材料和含量高的铂催化剂的困扰，研究困难。后来在加拿大巴拉德（Ballard）公司的带动下，克莱斯勒、福特、通用、本田、丰田、尼桑、大众和富豪等汽车公司都投入了巨资进行此类燃料电池的研究。

（1）质子交换膜燃料电池的组成

质子交换膜燃料电池由燃料极（阳极）、空气极（阴极）、电解质膜（质子交换膜）及隔板等组成，如图1-55所示。燃料是氢，氧化剂为氧。质子交换膜的作用是双重的，作为电解质，为氢离子提供通道；作为隔离膜，隔离两极反应气体。质子膜脱水将会使氢离子形成水合物比较困难，燃料电池的电阻增加；水分过多则会淹没电极。这两种情况都将导致电池性能下降，因此优化膜的质子传输性能及适当的水管理是保证电池性能的关键。

（2）质子交换膜燃料电池的工作原理

如图1-56所示，氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的催化作用下，氢分子解离为带正电的氢离子并释放出带负电的电子。氢离子以水合物H3O+的形式穿过电解质到达阴极，电子则通过外电路到达阳极，电子在外电路形成电流。

氧气通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的催化作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。

在质子交换膜燃料电池里，固态酸电解质被水饱和，其中含有游离H+，因此能完成氢离子从阳极转移至阴极的任务，但电子是不能穿越电解质膜的。H+也叫质子，因而有“聚合物质子交换膜（PEM）”这个名称。从图1-57可以看到，氢燃料流入靠近阳极侧的双极板流道内，氧则流入靠近阴极侧的双极板流道内。

在阳极，氢分子首先会与电极表面的催化剂Pt接触，被分裂并键合在Pt表面，形成弱的H-Pt键。氢分子分裂后，使得氧化反应发生，每一个氢原子释放其电子，此电子沿外电路运动，到达阴极，在外电路形成电流。而剩下的氢离子黏附在膜表面的水分子上，形成水合氢离子H3O+，这些水合氢离子离开Pt催化剂，穿越膜材料到达阴极，Pt催化剂又获得自由，可以接待下一批氢分子。

在阴极，进入燃料电池的氧分子也是首先与电极表面的催化剂Pt接触，氧分子被分裂并键合在Pt表面，形成弱的O—Pt键，使得还原反应能够发生。然后每一个氧原子离开Pt催化剂，与来自外电路的两个电子和从膜穿过来的两个质子化合成一个水分子。至此，氧化还原反应完成，阴极上的催化剂再一次获得自由，等待下一批氧分子的到来。

氢和氧在燃料电池里同时发生两个“半反应”：一个是在阳极发生的氧化反应（失去电子）；另一个是在阴极发生的还原反应（得到电子）。这两个半反应构成了一个总的氧化还原反应，反应生成物为水。

阳极发生的反应过程放出电子并产生氢离子H+，同时释放出能量；而在阴极反应的过程中，氧气与来自阳极的电子以及来自电解质的H+形成水。要使这两个过程连续不断地发生，就必须使阳极产生的电子通过一条外电路到达阴极，同时，H+也必须穿过电解质膜到达阴极才能实现。图1-58是质子交换膜燃料电池单体的原理示意图。电池单体电压只有0.7V左右，为了获得足够高的工作电压，需将多个燃料电池单体串联在一起，形成燃料电池堆。

2.燃料电池组

燃料电池组系统主要由电池堆、氢气、氧气供给装置，增湿器及去离子水供给装置，冷却装置，尾气及生成物排放装置组成。图1-59是一个燃料电池组试验系统装置示意图。其中，氢气由高压气瓶提供，氧气（空气）由鼓风机提供，氢气和氧气经减压再通过增湿器增湿之后，分别进入电池组的阴极和阳极进行反应发电。反应物随着尾气排出，水收集后排放，电池温度通过循环水量来调节。

电池组的性能取决于单个电池的性能，电池组的输出电压为组成电池组的各单体电压之和，电池组的寿命取决于先损坏的单体电池的寿命。因此，单个电池性能的均匀性对电池组影响很大，应设置检测装置在线检测各单体电池的输出电压，保证电池性能完好。

低温质子交换膜燃料电池根据输入空气的压力分为常压型和增压型两种类型。类似内燃机系统通过采用排气涡轮增压来提高发动机的功率密度一样，燃料电池系统也可通过提高反应气体压力的方法来增加它的功率密度。这种燃料电池系统称为“增压式燃料电池系统”。而反应气体的压力大约为1个大气压的燃料电池系统称为“常压式燃料电池系统”。

（1）增压式燃料电池系统

图1-60是一种增压式燃料电池系统结构示意图。图中质子交换膜燃料电池堆有两个进口和两个出口，分别与氢回路（阳极）、空气回路（阴极）相连接。来自储氢罐的氢经调压阀、射流泵进入阳极入口In1，图示系统对氢采取过量供应，从阳极出口Out1排出的氢又重回到射流泵，实现氢的循环回收。射流泵的结构如图1-61所示。

图1-60中的压缩机与膨胀机安装在同一根传动轴上，燃料电池启动时，压缩机由电动机1驱动（由启动电池供电），将空气经稳压罐压入阴极入口In2。燃料电池启动后，压缩机转换为由燃料电池供电的电动机2驱动，电动机2比电动机1功率大、电压高。通过控制电动机2的转速调节空气流量，以满足过量空气系数和功率需求。

过量空气系数取得越大，压缩机消耗功率越大，燃料电池输出的净功率越小，效率越低。为了提高燃料电池系统的效率，除了根据燃料电池工作条件来合理优选空气过量系数值外，还使阴极出口Out2排出的气体进入膨胀机进口，利用排出气体中的剩余能量借膨胀机来驱动压缩机，实现能量回收。膨胀机排出的气体经气水分离器排入大气。

在增压式燃料电池系统里，压缩机是十分关键的部件，它可以选用的类型很多，有双螺杆式、罗茨转子式、叶片式等。

为了提高系统效率，将压缩机和膨胀机组合使用，在完成压缩空气的同时实现回收排气中的能量，降低功率消耗。“压缩-膨胀机”系统动态响应时间快、尺寸紧凑、重量轻、成本低。

空气加压是需要消耗功率的（这个功率叫作“寄生功率”），尽管人们在空气出口这一侧装一台膨胀器来回收膨胀功率，但是，即使技术优秀的巴拉德公司开发的系统，在0.3MPa的压力下工作时仍然有大约20％的总功率消耗在辅助系统里，其中主要是消耗在空气压缩机上。压缩-膨胀机系统不仅体积大而复杂，且价格高。为了尽量减少寄生功率，压缩机的使用也限制了可以进入阴极的过量空气总量。

（2）常压式燃料电池系统

通过增压虽然提高了功率密度，但系统的总效率却降低了。针对此缺点，美国UTC公司开发了常压式燃料电池系统。该系统的寄生功率仅为燃料电池发出功率的5％左右。图1-62为这两种燃料电池的系统结构比较。

常压式燃料电池系统有以下特点。

①阳极处直接用液态水对膜加湿，保证电解膜充分含水。

②阴极处供应近似常压式的空气，寄生功率损失小、系统效率高。

③对阴极供应的是不加湿的空气流，系统不需要加湿模块，流道中液态水量很少，所以压力降很低。

④为了去除阴极处生成的水，供应给阴极的空气流量很大，所以不会积累大量的水。

⑤通过直接利用进入反应气体里的水使燃料电池堆冷却，使冷却系统大大简化。

⑥由于是低压系统，堆与系统的密封、管接头、管道等容易处理。

常压式燃料电池系统的基本结构如图1-63所示。

系统中膜片式水泵将水送到阳极的水道里，以便对电解质膜直接用液态水加湿，从理论上讲，供应水流量只需等于蒸发所需流量，但为了保持连续流动并除去气泡，可使水微微地循环。为了维持阳极处双极板上水通道内的压力略高于氢通道内的压力，防止水被氢替代，在出水管路上设有一只背压阀，使电堆内水压力大于氢管路中的压力。从图1-63中可以看到有一条氢循环通道，氢从电堆出来后首先要经过水箱，然后经装在通道上的膜片式泵回到阳极进口。膜片式泵用来冲刷氢流道里的水冷凝物，否则堆内某些地方可能会缺乏要参与反应的氢。如果系统较大，也可采用巴拉德公司提出的办法利用喷射泵来使氢循环，这种方法可利用压缩氢本身所含的能量。

五、复合式储能装置

采用不同类型的储能装置，如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容器和高速飞轮等，构成六种典型的电动汽车能量源结构。

图1-64所示的是现在电动汽车所独有的仅以蓄电池作动力源的一种结构。蓄电池可以布置在车的四周，也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面。所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率，并且在车辆制动时能回收再生制动能量。同时具有高比能量和高比功率的蓄电池对电动汽车而言是最理想的动力能源，比能量影响汽车的行驶里程，而比功率影响汽车的加速性和爬坡能力。

1.双电池复合结构

（1）高能量蓄电池+高功率蓄电池

为了解决一种蓄电池不能同时满足对比能量和比功率的要求这个问题，可以在电动汽车上同时采用两种不同的蓄电池，其中一种能提供高比能量，另外一种提供高比功率。图1-65所示的是这种双电池混合动力能源的基本结构，这种结构不仅分离了对比能量和比功率的要求，而且在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回收能量。

（2）氢燃料电池+蓄电池

除了蓄电池以外，还可以用燃料电池作储能装置。燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生制动能量，因此最好与一种能提供高比功率且能高效回收制动能量的蓄电池结合在一起使用。图1-66所示的就是用燃料电池和蓄电池作混合动力的结构框图。

燃料电池所需的氢气不仅可以以压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存，还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生。图1-67是一个带小型重整器的电动汽车的结构简图，燃料电池所需的氢气由重整器随车产生。

2.蓄电池与其他能量装置复合结构

（1）蓄电池与超级电容复合结构

当用蓄电池与超级电容进行混合时，所选的蓄电池必须能提供高比能量，因为超级电容本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力。由于用在电动汽车上的超级电容相对而言电压较低，所以需要在蓄电池和超级电容之间加一个DC/DC功率转换器。图1-68显示了蓄电池和超级电容复合的结构框图。

（2）蓄电池与飞轮电池复合结构

与超级电容类似，飞轮电池是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同的，这种飞轮质量轻，且在真空下高速运转。超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发电机）的电动机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。图1-69显示了这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构，所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用，因为这种电动机的效率比直流电动机高，因而应在蓄电池和飞轮之间加一个AC/DC转换器。

六、蓄电池管理系统

1.电动汽车使用蓄电池管理系统的必需性

电动汽车的蓄电池具有以下缺点：

（1）大容量单体电池容易产生过热

汽车动力电池采用大容量单体锂电池容易产生过热。单体电池有一定的温度耐受范围，在实际应用中如果体积过大，会产生局部的过热，从而影响电池的安全和性能。因此，单体电池的大小受到限制，动力和储能电池不可能采用超大的单体锂电池。在苛刻的使用环境下，110mm×110mm×25mm的20A·h锂电池，局部最高温度为135℃；而110mm×220mm×25mm的50A·h锂电池，局部温度高达188℃，更容易发生安全问题。所以有必要监测和控制温度。

（2）电池的性能不完全一致

基于现有的正极材料和电池制造水平，单体电池之间尚不能达到性能的完全一致，在通过串并联方式组成大功率大容量动力电池组后，苛刻的使用条件也易诱发局部偏差，从而引发安全问题。电池性能在生产和使用过程中的不一致情况，见表1-1。

（3）电池成组后的主要问题

①过充/过放。串联的电池组充放电时，部分电池可能先于其他电池充满或放完。继续充放电就会造成过充或过放，锂电池的内部副反应将导致电池容量下降、热失控或者内部短路等问题。

②过大电流。并联、老化、低温等情况，均会导致部分电池的电流超过其承受能力，降低电池的寿命。

③温度过高。局部温度过高，会使电池的各项性能下降，最终导致内部短路和热失控，产生安全问题。

④短路或者漏电。因为震动、湿热、灰尘等因素造成电池短路或漏电，威胁驾乘人员的人身安全。

电池管理系统（Battey Management System，简称BMS）的功能之一就在于避免电池组出现上述问题，需要动态监测动力电池组的工作状态，实时采集每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压，估算出各电池的荷电状态（State of Charge，SOC）、安全状态（State of Health，SOH）和电化学状态（State of Electroformation，SOE）。然后通过控制其他器件，防止电池发生过充电或过放电现象，同时能够及时给出电池状况，找出有故障电池所在箱号和箱内位号，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性。

此外，BMS还需要设定面向用户端的显示，将估算的剩余电量换算成可行驶里程，同时，还需要有自动报警和故障诊断功能，方便驾驶人员操作和处理。因此，BMS任务可归纳为：数据采集电路首先采集电池状态信息数据，再由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。BMS包含多个处理模块：数据采集模块，SOC估算模块，电气控制模块，安全管控模块，热管理模块，数据通信和显示模块等。BMS的主要任务、输入信号和执行元件，见表1-2。

充电站对储能性能的要求是大容量、长寿命、快速响应、可涓流充电，因此对BMS的要求方面有所不同，但总体功能仍与动力电池BMS类似，起到监控电池SOC和SOH状态、动态充放电、智能管理和输出控制等功能。

2.电池管理系统结构

电池管理系统最基本的作用是进行电池组管理，还包括电线线路管理、热（温度）管理和电压平衡控制。图1-70所示为BMS系统结构框图。

①电池组管理系统。管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充电、过热，对出现的故障应能及时报警，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。包括电池组电压测试、电池组电流测试、电池组和单节电池的温度测试、SOC计算及显示、电池组剩余电量显示、车辆在线可行驶里程显示、自动诊断系统和报警系统、安全防护系统。

②电线线路管理系统。动力电池组分组及连接、动力电线束、手动或自动断电器、传感器的类型、传感器电线束。

③热（温度）管理系统。电池组组合方式、电池组分组和支架布置、通风管理系统和风扇、温度管理ECU及温度传感器、热能的管理与应用。

④电压平衡控制系统。平衡各电池的充电量，能延长电池寿命，并对更换后的新电池进行容量平衡。

3.电池管理系统的功能

蓄电池管理系统主要执行以下工作：电压、电流与温度测量；计算电池SOC；计算电池放电深度DOD；计算最大允许放电电流；计算最大允许充电电流；预测蓄电池寿命指数和SOH；故障诊断。

（1）蓄电池测量和监控

蓄电池管理系统的作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电池组中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理，使电池组能够提高工作效率，保证正常运转并达到最佳状态，避免发生电池的过充电和过放电，有效延长电池的寿命，以及动力电池组的安全管理和保洁等。

电池管理系统主要包括以下方面，其中SOC是最重要的一个指标。

①电池的技术性能。不同类型和不同型号、不同使用程度的电池都具有不同的性能，包括电池的容量、工作电压、终止电压、质量、外形尺寸和电池特性（包括记忆特性）等。因此，要对动力电池组建立技术档案。实际上即使是同一型号、同一批量的电池，彼此之间由于制造原因、电解质的浓度差异和使用情况的不同，都会对整个动力电池组的性能带来影响，因此，在安装电池组之前，应对各个电池进行认真的检测，将性能差异不大的电池组成动力电池组。

②电池状态的管理。混合动力汽车的动力电池组（PACK）由多个单节电池组成，其基本状态包括在充电和放电时双向作业时的电压、电流、温度、SOC的比例等。在正常情况下动力电池组的电压、电流、温度、SOC的比例等应能够进行双向计量和显示。

由于多种原因在动力电池组中个别电池会出现性能的改变，使得动力电池组在充电时不能充足，而在放电时很快地将电能放尽。这就要求电池管理系统应能够及时自动检测各个单节电池的状态，当检测出某节电池出现损坏状态时，及时进行报警，以便将“坏”电池剔出、更换。

③动力电池组的组合管理。动力电池组需要8～32节12V的单节电池串联起来（指铅酸电池）或更多单节（指其他电池）串联而成，为了能够分别安装在混合动力汽车的不同位置处，通常动力电池组上分为多个小的电池组分散地进行布置，这样有利于电池组的机械化安装、拆卸和检修。

如果发现某个电池的温度处于不正常状态，剩余电量（SOC）显示也不正常时，即刻向动力电池组管理系统反馈某个电池在线的响应信息，并由故障诊断系统预报动力电池组的故障。

（2）动力电池组的安全管理

动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶人随时都能掌握动力电池组的情况；另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。

电池与电池、电池组与电池组之间需要用高压电缆连接。当动力电池组的总电压较高或采用高压直流输出时，高压电缆的截面积比较小，有利于电线束的连接和固定，但高电压要求有更可靠的防护。

当动力电池组的总电压较低时，则电流比较大，高压电缆的截面积则比较粗，高压电缆很硬，不能随意变形，安装较不方便。各个电池箱之间还需要用高压电缆将各个电池箱串联起来，一般在最后输出一箱中加装手动或自动断电器，以便在安装、拆卸和检修时切断电流。另外，在电池箱中还有各种传感器线束，因此在汽车上有尺寸很长的各种各样的电线束，要求电线之间有可靠的绝缘，并能快速进行连接。

动力电池组的总电压可以达到90～400V，高电压对人体会造成危害，应采取有效的隔离措施，一般是将动力电池组与车辆的乘坐区分离，将动力电池组布置在地板下面或车架的两侧。在正常的情况下，车辆停止使用时，通常会自动切断电源，只有在汽车启动时才接通电源。当汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能立即切断电源，防止高压电引起的人身事故和火灾，并防止电解液造成的伤害，以保证人身安全。可以利用安全气囊触发BMS管理系统控制自动开关断开。

电池自身的安全问题，尤其是锂电池在过充电时会着火甚至爆炸，因此电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构当前所面临和必须解决的难题，它直接影响电动汽车是否能够普及应用。BMS在安全方面主要侧重于对电池的保护，以及防止高电压和高电流的泄漏，其所必备的功能有：过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池。这些功能可以与电气控制、热管理系统相结合来完成。许多系统都专门增加电池保护电路和电池保护芯片，例如BMS的智能电池模块的电路设计还具有单体电池断接功能。安全管理系统最重要的是及时准确地掌握电池各项状态信息，在异常状态出现时及时发出报警信号或断开电路，防止意外事故的发生。

（3）电池箱热管理系统

汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象，不同的蓄电池的发热程度各不相同，有的蓄电池在夏季采用自然通风即可满足电池组的散热要求，但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却，才能保证电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。

至于蓄电池工作时，会产生较高的温度，理想可以充分利用其产生的热量用于取暖和挡风玻璃除霜等，使热量得到管理与应用，但实际汽车结构设计决定很难利用这部分热能或生产上不经济。

另外，北方冬季有的蓄电池需要加保温电池箱，并设计恒温控制系统。电池组装在一个系统中，各个蓄电池的温度应保持一致或相接近。

动力电池组的温度管理系统中，首先应合理安排动力电池组的支架，要求动力电池组或其分组能够便于安装，能够实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组的支架位置和形状确定后设计通风管道、风扇、动力电池组ECU和温度传感器等。

电池在不同的温度下会有不同的工作性能，如铅酸电池、锂电池和镍-氢电池的最佳工作温度为25～40℃。温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用能量发生变化，甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。美国可再生能源国家实验室的Ahmad A.Pesaran指出热管理系统的主要任务有：使电池工作在适当的温度范围内；降低各个电池模块之间的温度差异。使用车载空调器可以实现对电池温度的控制，这也是电动汽车常用的温度控制方法，例如利用空调制冷剂通入蓄电池的散热器内部。

有的蓄电池采用自然通风即可满足电池组的散热要求，但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却才能保证电池组正常工作并延长其使用寿命。另外，在电动汽车上，由于动力电池组各个蓄电池或各个分电池组布置在车辆不同的位置上，各处的散热周围环境都不同，这些差别也会对蓄电池充、放电性能和蓄电池的使用寿命造成影响。为了保证每个蓄电池都能有良好的散热条件和环境，将电动汽车的动力电池组装在一个强制冷却系统中，使各个蓄电池的温度保持一致或相接近，并且使各个蓄电池的周边环境条件相似。

电动汽车温度管理系统有水平布置和垂直布置两种，如图1-71和图1-72所示。

（4）动力电池组的均衡管理

电池组有别于单体电池，在目前的锂电池制造水平下，单体之间的性能差异在其整个生命周期里不可避免会存在，组合成多节串联电池组后如不采取技术措施，单体电池在充放电过程中的不一致会导致单体电池由于过充、过放而提前失效，要想避免单体电池由于过充、过放导致提前失效，使电池组的性能指标达到或者接近单体电池的水平，必须对电池组中单体电池进行均衡控制，电池组均衡的使命是：将多节串联后的电池组内部各电池单体充放电性能恶化减到最小或使其消失。

避免电池组内部各电池单体放电时产生性能恶化，采用简单的控制电路就可做到，但充电时避免电池组内部各电池单体产生性能恶化，却有较大难度，这使充电均衡成为电池组均衡的一个主要问题。

多节动力电池组的均衡控制有两种：单独充电均衡和充放电联合均衡。一个容量及放电功率平衡设计良好的系统中，只要充电均衡控制到位，最差单体电池的性能达到出厂指标，事实上无需放电均衡。此时的充电均衡控制到位指：每次充电均衡控制，都可使最差单体电池的电压回复到充满就可，这一均衡方式下的电池组各项性能由最差单体电池的性能决定，最差单体电池的性能如果达到出厂指标，电池组各项性能就能达到设计指标。但是，如果充电均衡控制不能到位，充放电联合均衡就变得非常重要，在这一情况下，总均衡量是充放电平衡量相加的和，但这种方式对电池非常不利，因为充电时，仍有可能出现过充。

放电均衡的使命是：使电池组放电时，其放出能量为所有电池能量的平均和。放电均衡绝不能解决单体锂电池组合成电池组后性能恶化的问题。

对于电池组均衡目前在业界存在如下三种均衡方式：单体充电均衡、充电均衡加放电均衡、动态均衡。

动态均衡即是在锂电池的使用和闲置全程中进行的充放电均衡。它可以通过延长均衡的时间来掩盖充放电均衡量不够所产生的问题。在动态均衡下，因为电池每时每刻都在细微均衡，故在充电和放电时所需要的均衡量大幅下降。

为了克服电池不一致带来的严重影响，在电池使用中，人们强烈地提出了对电池进行均衡的要求。为此，近十几年来，许多电池管理系统（BMS）的研发者，采用了各种各样的方法来进行电池的均衡。归纳起来有以下几种方法：分流法（旁路法）、切断法、并联法。

①分流法（旁路法）。在充电时，当某一电池的充电电压超过设定值时，通过并联在该电池的电阻分流该电池的一部分电流，从而达到降低该电池充电电压的目的。这种方案，结构复杂，体积大，分流时发热量大，通用性差。此种分流方法，未必非要在电池过压后才开始分流，可以在电压比平均电压高时就开始分流平衡。

②切断法。在充电时，当某一电池的充电电压超过设定值时，通过自动控制开关切断该电池的电路，同时闭合旁路开关，电流绕过这块电池，继续向下一块电池充电。切断法开关的个数是电池数目的2倍。切断法需要充电器配合，要求充电器能够动态适应1个电芯到全部电芯充电的能力，且在切换电池后要能够动态地调整充电电压、充电电流，实现恒流、恒压充电以及浮充等，对充电器的要求比较高。

③并联法。就是把电池按先并后串的连接方式使用。这也是一些电池生产厂家和电池的使用者，企图利用一些小容量电池组成大容量、高电压电池组所采用的方法。电池并联后，无法测量各单体电池的电压，因而就无法实施对电池组中各单体电池的监控。可见，用并联法是无法实现电池组电池的均衡效果的。

（5）电池状态故障诊断

故障诊断功能是BMS的重要组成部分，故障诊断可以在动力电池组工作过程中，实时掌握电池的各种状态，甚至在停机状态下也能将电池故障信息定位到动力电池系统的各个部分（包括电池模块）。故障级别分为：一般故障、警告故障和严重故障。BMS根据故障的级别将电池状态归纳成尽快维修、立即维修和电池寿命警告等三类信息传递到仪表板以警示驾驶者，从而保护电池不被过分使用。

①BMS的重要诊断内容

a.启动过程的BMS硬件故障诊断。传感器信号的合理性诊断、电池组电压信号合理性诊断、电池模块电压的合理性诊断、启动过程电流信号的合理性诊断、启动过程温度信号的合理性诊断。

b.行车过程的BMS诊断。电压波动诊断、无模块电压诊断、无电池组电压诊断、无温度信号诊断、电流故障诊断、流量传感器故障诊断、模块电压一致性故障诊断、过流故障诊断、通信系统故障诊断、通风机故障诊断、高压电控制故障诊断、模块电压的过充诊断、电池组电压的过充诊断、模块电压变化率的过充诊断、电池组电压变化率的过充诊断、SOC的过充诊断、传感器温度的过充诊断、平均温度的过充诊断、传感器温度变化率的过充诊断、平均温度变化率的过充诊断、模块电压的过放诊断、电池组电压的过放诊断、模块电压变化率的过放诊断、电池组电压变化率的过放诊断、SOC的过放诊断、传感器温度的过放诊断、平均温度的过放诊断、传感器温度变化率的过放诊断、平均温度变化率的过放诊断。

②诊断策略与失效处理。BMS的上述诊断内容分充电过程和放电过程进行，诊断策略与失效处理的基本策略如下。

a.根据各故障原因，对各种故障诊断分别设置了诊断程序的进入与退出条件。

b.采用分时诊断流程，节约CPU时间资源。

c.根据电池充电倍率，动态调节充电诊断过程参数。

d.根据电池放电倍率，动态调节放电诊断过程参数。

e.故障诊断分三种不同级别进行（报警、故障与危险）。

f.故障诊断结果通过CAN总线送至VMS。

g.故障诊断结果参与电池实际工作电流的控制。

h.故障诊断结果参与高压电控制。

监视软件有以下功能。

a.监测动力蓄电池的单体或模块电压。

b.监测动力蓄电池组总电压。

c.监测电流。

d.电池组SOC。

e.电池组工作平均温度。

f.模块电压极大值。

g.模块电压极小值。

h.温度传感器极大值。

i.温度传感器极小值。

j.监测最大允许充电电流和最大允许放电电流。

k.监测蓄电池组故障码状态。

l.显示工况运行时间。

m.存储数据，采用office软件进行后处理分析。

4.电池管理系统的组成

动力电池组管理系统的基本组成如图1-73所示。带有温度测量装置的动力电池组管理系统的基本组成如图1-74所示。这是利用损坏的电池在充电过程中电池的温度高于正常电池温度的原理，用温度传感器来测定和监控每一个电池在充电过程中的温度是否在允许的正常范围内。如果发现某个电池的温度变为不正常状态，剩余电量显示也不正常时，即刻向动力电池组管理系统反馈这个电池的相应信息，并由故障诊断系统预报动力电池组的故障。

5.典型电池管理系统简介

典型的客车BMS（哈尔滨冠拓）如图1-75所示。哈尔滨冠拓电源设备有限公司GT-BMS005A-MC11电池管理系统由彩色触摸屏、GTBMS005A-MC11管理主机、GTBMS005A-VT电压、温度采集模块和GTBMS005A-CH电流采集模块组成，检测电池组中所有单体电池电压、电池组总电流、环境温度。具体性能如下。

①系统主机由彩色触摸屏和管理计算机构成，触摸屏首页显示电池组总电压、电池组总电流、储备电量（SOC）、最高温度。通过触屏可以查看到所有采集数据包括每只单体电池电压，所有温度、容量、能量等。通过触屏可以对系统工作参数进行设置。系统运行参数包括：每块采集模块管理电池数量选择，电池电压上限、下限报警限制设置，温度上限报警设置，最大充电电流，电流上限报警设置，电压互差最大上限报警设置，充电次数，电池健康指数，SOC初始值设置，额定容量，储备电量校正系数，系统时钟等。

②系统电压和温度采集板采用模块化结构，每个模块管理10只电池和1路温度。采集板可适应电动车电池分布较广的特点，随电池箱分散安装，之间仅需电源线和少量数据通信线连接。

③电压和温度采集板管理电池数量可以从1～N（N≤10）只灵活设置，接线方式采用N+1根；温度可根据需要设置成有或无。

④电流采集模块提供一路电流采集量，电流传感器选用电流霍尔传感器。

⑤主机提供CAN总线接口，与ISO11898标准完全兼容。

⑥主机提供USB接口，主机提供数据存储功能，数据存储的时间间隔为20s，可保存连续7天的所有数据，通过USB接口连接主机与计算机，使用BMS应用软件即可收到所有数据。

⑦主机提供报警接口，电压上、下限报警，温度上限报警，过流报警等。

（1）主控制器接口连接图

主控制器接口连接图如图1-76所示。

（2）参数设置

GTBMS005A-MC11电池管理系统彩色触摸显示器操作界面分“中文”和“英文”两种语言。选择“中文”进入中文界面，选择“ENGLISH”进入英文界面。上电10s如果没按任何键将自动进入中文界面。中文首页界面如图1-77所示。

电池管理系统所有功能包括电池参数设置、系统参数设置、时钟参数设置等均可通过操作菜单完成。

选择“菜单”显示界面如图1-78所示。选择“×××”键在原界面上将弹出输入数字对话框。点击数字键即在输入密码栏内输入相应的数字，密码为五位数，输完密码按“ENT”键，数字对话框弹回，然后按“确认”键，如密码错误将弹出对话框告知密码错误，如密码正确将进入选择操作项目页面，如图1-79所示。点击“参数设置”按钮，进入图1-80所示的参数设置页面。

“电池参数”“系统参数-1”“系统参数-2”在第一次使用前应设定一次，设定后系统自动记忆。若某个参数有变化，则应再次设定。

电池参数包括设置采集模块管理电池数量，温度有无选择等参数。

①选择“电池参数”键，出现如图1-81的界面。“模块地址”栏内数字对应为采集模块相应地址，“电池数量”栏内数字为该行地址对应的采集模块管理电池的数量（0～10只），“温度有无”栏内数字为该行地址对应的采集模块是否采集温度（0不采集，1采集）。进行设置电池数量、温度有无时，选择框内数字，就会弹出数字对话框，输入相应的数值，按“ENT”确认。注意：如果输入的数字超过了应有的量程将不被确认，按“×”键返回参数设置界面，按右边空白处翻页。

②选择“系统参数-1”键，界面如图1-82所示。

“系统参数-1”包括电压报警上限、电压切断上限、电压报警下限，电压切断下限、电压互差报警、温度报警上限。重新设定后电池管理系统将按照设定的参数进行相应的报警和修改。

“系统参数-1”设置方法与电池参数设置方法相同。

a.电压报警上限。当电池电压高于该设置值时，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警并提供一组继电器的触点闭合进行报警同时蜂鸣。正常时继电器的公共端与常闭端接通，与常开端断开；报警时继电器的公共端与常开端接通，与常闭端断开。当报警时，若最高电池电压回落并低于该设置值5mV时，解除该报警。该数据为充电机调整电流的依据，在充电过程中，当任何一只电池的电压超出该设定值，充电机会调整输出电流，直至电池组中最高单体电压小于该设定值后并继续以调整后的电流进行恒流充电，当充电机调整输出电流小于0.025C时，充电机自动停止充电，充电过程结束。

b.电压切断上限。当电池电压高于该设置值时，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警同时蜂鸣。该报警只有断电才能解除。在充电过程中，该数据为充电机关断输出电流的依据，当任何一只电池的电压超出该设定值，电池管理系统控制充电机停止充电。

c.电压报警下限。当最低电池电压低于该设置值时，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警同时蜂鸣。当报警时，若最低电池电压回升并超过该设置值5mV时，解除该报警。该设定值为电动机控制器降低输出功率的依据。

d.电压切断下限。当最低单体电池电压低于该设置值时，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警并提供一组继电器触点进行报警同时蜂鸣器发出响声。正常状态时，继电器公共触点与常开触点接通，与常闭触点断开；报警状态时，继电器公共触点与常闭触点接通，与常开触点断开。该报警只有断电才能解除。

e.电压差报警。该值为电池组中最高电池电压与最低电池电压的差值。当差值满足于该设定值时系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警同时蜂鸣。当报警时，若差值低于该设置时，解除该报警。

f.温度报警上限。当最高环境温度高于该设置值时，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警并提供一组继电器触点进行报警同时蜂鸣。当报警时，若最高环境温度回落并低于该设置值4℃时解除该报警。该报警输出继电器与“电压切断下限”报警共用一组继电器触点。该设定值为电动机控制器降低输出功率的依据。

③选择“系统参数-2”键，界面如图1-83所示。

“系统参数-2”包括最大充电电流、最大放电电流、额定容量、容量校正、循环周次、SOH（电池健康指数）、SOC初始化、时间。重新设定后电池管理系统将按照设定的参数进行相应的报警和修改。

系统参数设置方法与电池参数设置方法相同。

a.最大充电电流。当配置配套的充电机时，该设置值为充电机输出最大电流。否则该设置值无效。

b.最大放电电流。放电时当总电流超过该设置值时，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警并提供一组继电器触点进行报警同时蜂鸣。正常时继电器的公共端与常闭端接通，与常开端断开；报警时继电器的公共端与常开端接通，与常闭端断开。当电流低于该设置值时，主控制器自动解除该报警。

c.额定容量。指单体电池的额定容量。对应SOC值为100％。

d.容量校正。该参数只关联充电容量，所以应当注意电流霍尔传感器的安装方向，切勿安错。例如：标定容量=95％，当充电容量计算值为200A·h时，经过容量修正，实际显示容量为200×95％=190A·h。设置时该参数应小于100％，以修正充放电时的容量损耗。

e.循环周次。显示值为电池组的充电次数，可以作为清零使用。

f.SOH（电池健康指数）。显示值为电池组的健康状态，可以作为清零使用。

g.SOC初始化。每次进入“系统参数-2”时，该值均为0％。当首次使用本系统时，需人为对当前电池组的剩余电量进行预估设置，设置值为0％～105％，设置完成后，必须选择“下传”键，当前设置值才能有效，否则设置值无效。

h.时间。系统存储所有数据所关联的时间。选择“下传”按键，即可把“时间”栏的数据发送至主控制器，主控制器将依据该时间进行数据存储。“下传”按键设置一次即可，主控制器断电自动记忆，若更换主控制器，则需再设置一次时间。

i.节点失效报警。当系统主控制器与系统内采集模块通信失败后，系统将通过彩屏以滚动文字的方式进行报警并提供一组继电器触点进行报警同时蜂鸣。该报警输出继电器与“电压切断下限”报警共用一组继电器触点。该报警为电动机控制器降低输出功率的依据。

设置完后选择“×”键保存退出回到参数设定界面。

（3）充电

在图1-79所示的选择操作项目页面，点击“充电”按钮，进入充电界面，如图1-84所示。

A：SOC状态指示条。充电时，该指示条滚动显示，表明充电过程正在进行中。非充电状态下，该指示条对应当前SOC值。

B：充电动机状态指示，包括充电机未连接、充电机已连接可以进行充电、充电机正在充电、充电机停止充电、充电周次、电池组健康指数、电池组剩余电量、电池组最高环境温度。

①选择“菜单”显示界面如图1-85所示。

当充电机状态指示处显示为“充电机已连接”时，选择充电键即可执行充电；按停止键即可停止充电机输出；按返回键即可返回主页面。充电的过程分为以下3个阶段。

a.预充电。在预充电阶段，电池管理系统控制充电机以0.05C进行充电，1min内，单体最低电压高于“电压切断下限”设置值时，转入恒流充电阶段，否则继续以该电流进行充电。10min内若单体最低电压高于“电压切断下限”设置值时，转入恒流充电阶段，否则停止充电。

b.恒流充电。在恒流充电阶段，电池管理系统控制充电机以“最大充电电流”设置值进行充电。若“最大充电电流”设置值高于充电机的最大输出电流，充电机以最大输出电流进行充电。若单体最高电压高于“电压报警上限”设置值时，进入涓流充电阶段。

c.涓流充电。在涓流充电阶段，电池管理系统控制充电机减小输出电流直至单体最高电压低于“电压报警上限”设置值5mV时停止，电池管理系统控制充电机以调整后的电流继续恒流充电。此过程一直循环，直至充电机输出电流减小至0.025C时电池管理系统控制充电机停止充电，充电过程结束。

②选择“温度”键后进入温度检测界面。监测点温度值默认为0℃，若有5个监测点，则显示5个温度值；选择“详细”键后界面如图1-86所示。

③选择“电压”键后进入电压检测界面，如图1-87所示。在本界面内可以查看任意一只电池电压，按键功能与温度页面按键功能相同。当采集模块设定的电池数量小于10个时，有电池的采集点显示电池电压，没有电池的采集点显示0.000V。

④选择“容量”键后出现如图1-88所示容量界面。