2.3　混合动力汽车的蓄电池

在内燃机汽车上，蓄电池通常作为发动机启动、点火系统、照明系统、信号系统、刮水器和喷淋器以及车载视听和通信设备等的电源。它们所需要的电能容量较小，工作时间较短。蓄电池和发动机、发电机组共同组成内燃机汽车的电气系统。在混合动力汽车上，动力电池组必须是具有强大能量的动力电源，除了作为驱动动力能源外，还应向空调系统、动力转向系统等提供电力能源，另一方面还应为点火系统、照明系统、信号系统、刮水器和喷淋器以及车载视听和通信设备等提供低压电源，在混合动力汽车上蓄电池是辅助电力能源，用来作为发动机的辅助动力能源，提高整车的动力性能，或作为电动机驱动车辆时的电力能源。

各种电池通常是供给直流电，然后经过变频器或逆变器转变成频率和电压幅值可调的交流电，供给驱动电动机来驱动车辆行驶，通常电动汽车所采用的电力电池组，要求有较大的比能量，而混合动力汽车所采用的动力电池组，则需要有较大的比功率，两种电池在性能方面各有侧重，混合动力汽车对蓄电池有以下基本要求。

①比能量。这是确保混合动力汽车能够达到基本合理的续驶里程的重要性能，连续2h放电率的比能量最少不低于44W·h/kg。

②充电时间短。蓄电池对充电技术没有特殊要求，可以实现感应充电。蓄电池的正常充电时间应小于6h，蓄电池可以适应快速充电的要求，蓄电池快速充电达到额定容量的50%所需时间为20min左右。

③连续放电率高，自放电率低。蓄电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率能够达到额定容量的70%左右，自放电率要低，蓄电池能够长期存放。

④不需要复杂的运行环境。蓄电池能够在常温条件下正常、稳定、可靠地工作，不受环境温度的影响，可以适应混合动力汽车行驶时振动的要求。

⑤安全可靠。蓄电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱和外壳，不会发生自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员带来伤害，废蓄电池能够进行回收处理和再生处理，蓄电池中有害重金属可以进行集中回收处理，电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。

⑥寿命长、免维修、制造成本低。蓄电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，无需进行维护。

2.3.1　蓄电池的性能要求

蓄电池的作用是储蓄电能，蓄电池在充电过程中，充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，将电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。各种蓄电池的基本工作原理为电能-化学能-电能-化学能的可逆变换过程，能够反复使用，通常将能够把化学能转换为电能的电池称为蓄电池。

自20世纪70年代以来，各种高能蓄电池问世，它们在比能量和比功率方面有很大提高，在第二代混合动力汽车上，大多数采用了高能蓄电池，各种高能蓄电池的作用仍然是储存电能，也仍然是按照电能-化学能-电能-化学能的可逆变换过程来工作的，能量转换受到“活性物质”的局限。高能蓄电池的不断发展，使混合动力汽车的动力性能不断提高，一次充电后的续驶里程也不断延长，蓄电池主要性能指标如下。

（1）电压（V）

①电动势：外电路断开，即没有电流通过电池时在正、负极间量得的电位差。

②开路电压：电池在开路时的端电压，通常开路电压与电动势近似相等。

③额定电压：电池在标准规定条件下工作时需达到的电压。

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，电池的电压将慢慢降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压。

（2）电池容量（A·h）

①理论容量：根据蓄电池活性物质的特性，按照法拉第定律计算出的最高理论值，通常用质量容量（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，等于放电电流和放电时间的乘积。

③标称容量（公称容量）：用来鉴别电池适当的近似容量值，因为没有指定放电条件，所以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，电池应放出的最低限度的容量。

⑤荷电状态（SOC）：指参加反应电池容量的变化。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，这时，可以用SOC的百分数来表示蓄电池中电荷的变化状态，通常蓄电池放电高效率区SOC为50%～80%。对SOC精确的实时辨识，是电池管理系统的一个关键技术。

（3）能量（W·h、kW·h）　电池的能量决定电动汽车的行驶距离。

①标称能量：按照一定标准所规定的条件下，电池所输出的能量，是电池的额定容量和额定电压的乘积。

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

③比能量（W·h/kg）：参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，通俗讲是指动力电池组单位质量中所能输出的能量。表2-6为各种电池的比能量。

④能量密度（W·h/L）：是指动力电池组单位体积中所能输出的能量。

（4）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，电池的功率决定混合动力汽车的加速性能。

①比功率（W/kg）：是指电池单位质量中所具有的电能的功率。

②功率密度（W/L）：是指电池单位体积中所具有的电能的功率。

（5）电池的内阻　电流通过电池内受到的阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。因为电池的内阻作用，使电池在放电时端电压低于电动势和开路电压；在充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。电池的内阻越小越好。

（6）循环次数（次）　蓄电池的工作是一个不断充电-放电-再充电的循环过程，按照一定标准的规定放电，当电池的容量降到某一个规定值以前，就要停止继续放电，然后就需要充电方可继续使用，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。随着充电与放电次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，化学功能逐渐降低，使电池的充电和放电的效率逐渐降低，最后电池损失全部功能而报废。蓄电池充电与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相关，放电深度“浅”时，有利于延长电池的寿命。尤其是电池在混合动力汽车上的使用环境，包括电池组中各个电池的均衡性、安装、固定方式、所受的振动及线路的安装等，都会影响电池的工作循环次数，直至最后完全丧失其充电与放电的功能而报废。

（7）使用年限（年）　电池除了以循环次数表示使用时间外，一般还要用电池的使用年限来表示电池的寿命。

（8）放电速率（放电率）　通常用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。

①时率：电池以某种电流强度放电直至电池的电压降低到终止电压时所经过的放电时间。

②倍率：电池以某种电流强度放电的数值是额定容量数值的倍数。

（9）自放电率　因为电池的局部作用造成的电池容量的消耗，容量损失和搁置之前的容量之比称为蓄电池的自由放电率，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，使混合动力汽车的造价也居高不下，开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。

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

2.3.2　铅酸蓄电池

（1）铅酸蓄电池的种类　铅酸蓄电池是电极主要由铅及其氧化物制成，电解液为硫酸溶液的一种蓄电池，铅酸蓄电池广泛应用于燃油汽车的启动。铅酸蓄电池按其工作环境可分为移动式与固定式两大类，固定式铅酸蓄电池按照电池槽结构分为半密封式与密封式，半密封式又分为防酸式与消氢式，依据排气方式，密封式铅酸蓄电池可分为排气式和非排气式两种。

铅酸蓄电池的特点是高容量，开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，可在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。所以，近10年来，国内外开发的第一代电动汽车广泛使用了铅酸蓄电池。表2-7为在混合动力汽车上使用的铅酸蓄电池的种类及特点。

混合动力汽车的牵引用动力铅酸蓄电池（简称动力铅酸蓄电池）性能和启动用铅酸蓄电池的要求是不同的，动力铅酸蓄电池要求有高的比能量及比功率、高的循环次数和使用寿命，以及快速充电性能等。目前，很多专业公司研发了各种新型铅酸蓄电池，使铅酸蓄电池的性能有了较大的提高。

（2）铅酸蓄电池的工作原理　铅酸蓄电池放电和充电的反应过程，是铅酸蓄电池中活性物质进行的可逆化学变化过程，它们可用如下化学反应方程式表示。

铅酸蓄电池在放电过程中，化学反应由左向右进行，其相反的过程是充电过程的化学反应。充电是将外部直流电源连在蓄电池上进行充电，使电能转化为化学能储存起来。放电是电能从蓄电池中释放出来去驱动外部设备。因为在放电过程中铅酸蓄电池中H2SO4的浓度会慢慢减小，所以可用密度计来测定H2SO4的密度，再由铅酸蓄电池密度确定铅酸蓄电池放电程度。单体铅酸蓄电池的电压是2V，在使用或存放一段时间后，电池的电压可能减小到1.8V以下，或H2SO4溶液的密度下降到1.2g/cm3时，铅酸蓄电池就必须充电，若电压继续下降，铅酸蓄电池将会损坏。

（3）铅酸蓄电池的构造　铅酸蓄电池最明显的特征是其顶部有6个可拧开的塑料密封盖，上面还有通气孔。这些密封盖作为加注、检查电解液和排放气体之用。按照理论上讲，铅酸蓄电池需要在每次保养时检查电解液的高度，若有缺少需添加蒸馏水。但随着蓄电池制造技术的升级，铅酸蓄电池的维护也不再麻烦。正常使用，2～3年间铅酸蓄电池均无需添加电解液或蒸馏水。

图2-23所示为普通铅酸蓄电池的构造。铅酸蓄电池的基本单元是单体电池，每个单体电池均由正极板、负极板和装在正极板与负极板之间的隔板组成，其基本电压为2V，将不同容量的单体电池按照使用要求进行组合，装置在不同的塑料外壳中，获得不同电压及不同容量的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池总成经过灌装电解液以及充电后，就可从铅酸蓄电池的接线柱上引出电流。铅酸蓄电池一般采用密封、无锑网隔板等技术措施，并在普通铅酸蓄电池的电解液中加入硅酸胶（Na2SiO3）一类的凝聚剂，使电解质成为胶状物，形成一种“胶体”电解质，采用“胶体”电解质的铅酸蓄电池，应用起来更加方便，硅酸胶（Na2SiO3）与硫酸的反应如下。

H2SO4+Na2SiO3 H2SO3+Na2SiO4

图2-24所示为安装了排气阀的铅酸蓄电池的构造，该电池的特点是带有催化剂，能够使充电时产生的氢气和氧气反应生成水流回蓄电池，因此可以防止充电时产生的氢气和氧气逸散，控制水的消耗。

2.3.3　镍-镉电池

镍-镉（Ni-Cd）电池是最早应用于手机等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性，耐过充放电能力强，维护简单。镍-镉电池属于一种碱性电池，是混合动力汽车的首选电池之一。镍-镉电池极板强度高，工作电压平稳，能够带电充电，并可快速充电。镍-镉电池过充电与过放电性能好，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。其循环使用寿命长，是铅酸蓄电池的2倍，采用全封闭外壳，能够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，位于负极的镉（Cd）与氢氧化钾（KOH）中的氢氧根离子（OH-）化合成氢氧化镉，并附着在阳极上，同时释放出电子。电子沿着电线至阴极，和阴极的二氧化镍与氢氧化钾溶液中的水反应形成氢氧化镍及氢氧根离子，氢氧化镍会附着在阴极上，氢氧根离子则又回到氢氧化钾溶液中，因此氢氧化钾溶液浓度不会随着时间而下降。为了提高寿命和改善高温性能，一般在电解液中加入氧化锂。镍-镉电池的化学反应如下。

（2）镍-镉电池的构造　图2-25所示为镍-镉电池的构造。镍-镉电池的每个单体电池均由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。将单体电池按照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，市场上有多种不同型号规格的镍-镉电池总成可供选择。在灌装电解液并经充电后，就可以从电池的接线柱上引出电流。

（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，循环使用寿命达2000次以上。充电15min能恢复50%的容量，充电1h可恢复100%的容量，但通常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，具有快速充电能力，充电18min容量即可从40%达到80%。

镍-镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中若处理不当，会出现严重的记忆效应，使用寿命会明显缩短。镍-镉电池的成本约为铅酸蓄电池的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均大大地高于铅酸蓄电池，所以在电动汽车实际使用时，总的费用不会超过铅酸蓄电池的费用。因为镍-镉电池使用性能比铅酸蓄电池好，在混合动力汽车上得到广泛使用。克莱斯勒公司的面包车，标致106型混合动力汽车、雪铁龙TX-EV和日本本田汽车公司、日产汽车公司等生产的混合动力汽车上均采用了镍-镉电池。但是，因为镍-镉电池中采用的镉（Cd）是一种有害的重金属，所以镍-镉电池不利于生态环境的保护，在电池报废后必须进行有效回收，众多的缺点使镍-镉电池已经基本被淘汰。

2.3.4　镍-氢电池

镍-氢（Ni-MH）电池是20世纪90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由储氢合金制成，也是一种碱性蓄电池。

镍-氢电池具有高比能量、高功率，适于大电流放电，可循环充放电，无污染，被誉为“绿色电源”。镍-氢电池的比功率是铅酸蓄电池的2倍，可提高车辆的启动性能和加速性能。其有高倍率的放电特性，短时间可以3C（C是按额定电流放电时的实际放电容量）放电，瞬时脉冲放电率很大。镍-氢电池的过充电与过放电性能好，能够带电充电，并可快速充电，在15min内可充60%的容量，1h内可完全充满，应急补充充电的时间短。其在80%的放电深度下，循环寿命可达1000次以上，采用全封闭外壳，可在真空环境中正常工作，低温性能良好，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。镍-氢电池可随充随放，不会发生镍-镉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　镍-氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末和添加剂钴等金属、塑料和胶黏剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，再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显著的改善作用。采用高分子材料作为胶黏剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并使用镍粉、石墨等作为导电剂，可提高大电流时的放电性能。

镍-氢电池负极的关键技术为储氢合金，要求储氢合金可以稳定地经受反复的储气和放气的循环。对于理想的金属储氢材料应具有以下条件：在不太高的温度下，储氢量大，释放氢量也大；原料来源广，价格便宜，易于制备；经多次吸、放氢，其性能不会衰减；有较平坦及较宽的平衡压力平台区，即大部分氢都可在一持续压力范围内放出；易活化，反应动力学性能好。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，使用钛、钒、锆、镍、铬五种基本元素，与钴、锰等金属元素烧结的合金，通过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类及性能对镍-氢电池的性能有直接影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会出现结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还确保本身的机械坚固性，储氢合金通常需要进行热处理和表面处理，以增加储氢合金的防腐性能，这有助于提高镍-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与氢氧化锂的混合物，在电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子与氢氧根离子，氢离子被负极吸收，负极由金属转化成金属氢化物，在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧根离子离开了正极，氢离子与氢氧根离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍-氢电池的化学反应如下。

图2-26所示为镍-氢电池在碱性电解液中进行反应的模型。

（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，电解质为氢氧化钾，在正、负极之间存在隔膜，共同组成镍-氢单体电池，在金属铂的催化作用下，完成充电与放电的可逆反应。镍-氢电池的特性和镍-镉电池基本相同，但氢气是无毒性的物质，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与烧结体两种，发泡体极板的镍-氢电池放电电压不得低于0.9V，工作电压也不太稳定，尤其是存放一段时间后，老化现象比较严重，会有近20%的电荷流失，电池在出厂前必须进行预充电，以免发泡体极板的镍-氢电池老化所造成的内阻增高，经过改良的镍-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，也无需进行预充电，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。

图2-27所示为圆形镍-氢电池的构造。镍-氢电池的基本单元为单体电池，每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板与负极板之间的隔膜组成。每节电池的额定电压为13.2V（充电时最大电压16V），然后将电池按照使用要求组合成不同电压和不同容量的镍-氢电池总成。这种镍-氢电池比能量达70W·h/kg，能量密度达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，能够大幅提高混合动力汽车的动力性能。镍-氢电池的外形一般有方形和圆形两种。

（3）镍-氢电池的充、放电特性　D型镍-氢电池（6个单体电池组件）放电时，3C的功率输出时的质量比功率可达500W/kg以上，2C的功率输出时的质量比功率可达600W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对混合动力汽车动力性能的控制非常有利，电池的寿命可达100000km以上。

D型镍-氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到100%，可以有效地接受混合动力汽车在制动时反馈的电能。此外，因为能量损耗较小，镍-氢电池的发热量被抑制在最小范围内，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。

混合动力汽车动力电池组常常处于充电和放电状态，而且充电和放电是不规则进行的，这对电池的寿命而言是一个严峻的考验。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改变，镍-氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。

（4）镍-氢电池的特点　镍-氢电池单体电池的电压是1.2V，能量密度达200W·h/L，3h比能量为75～80W·h/kg，比功率为160～230W/kg，功率密度为400～600W/kg，充电18min可恢复40%～80%的容量，应急补充充电性能好，一次充电后续驶里程长，而且启动加速性能良好，在环境温度为-28～80℃的条件下都可正常工作，但在高温条件下使用时电荷量急剧降低，自放电损耗较大，价格较贵。镍-氢电池的比功率和放电能力不如镍-镉电池，镍-氢电池在使用时还应充分注意各个单体电池之间的一致性（均匀性），尤其是在高速率、深放电情况下，各个单体电池之间的容量和电压差较显著，应注意对电池组在充、放电过程中的导热管理和电池安全装置的设计。

镍-氢电池的成本很高，不同的储氢合金具有不同的储氢能力，价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金，已经达到世界水平，为我国镍-氢电池的推广提供了有利条件。

镍-氢电池用于电动汽车上的主要优点为启动加速性能好，一次充电后的续驶里程较长，而且过充过放没有记忆效应，不会对周围环境造成污染，易于维护，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，并加快正极板的氧化，使电池的寿命缩短，镍-氢电池在充电后期，会生成大量的氧气，在高温的条件下，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，会发生降解及氧化，尼龙无纺布隔膜发生降解时，产生铵离子与硝酸根离子，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，电池温度快速升高，会使充电效率降低，并产生大量氧气，若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，应用抗氧化能力强的聚丙烯做隔膜等，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，增大散热间隙，采取有效的散热措施和建立自动热管理系统，可以确保镍-氢电池正常工作并延长使用寿命。

2.3.5　锂离子电池

锂离子电池是目前世界上最新一代的充电电池。与其他蓄电池相比，锂离子电池具有电压高、内阻小、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、充电快速、自放电率低、工作温度范围宽以及安全可靠等优点，它已成为未来电动汽车较为理想的动力电源，相较于镍-氢电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可使电池组的质量下降40%～50%，体积减小20%～30%，能源效率也存在一定程度的提高。

2.3.5.1　锂离子电池的分类

根据锂离子电池的外形可分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。根据锂离子电池正极材料不同，锂离子电池主要分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池和镍钴锰锂离子电池。

第一代车用锂离子电池是锰酸锂离子电池，具有成本低，安全性良好的优点，但循环寿命欠佳，在高温环境下循环寿命更短，高温时会发生锰离子溶出的现象。第二代车用锂离子电池是磷酸铁锂离子电池，美国德克萨斯州大学具有对其的专利权，是目前锂离子电池的发展方向，因为原材料价格低且磷、铁、锂的资源丰富，工作电压适中，充放电特性好，放电功率高，可迅速充电且循环寿命长，高温和高热稳定性好，储能特性强，完全无毒。

为了防止磷酸铁锂离子电池的专利纠纷，一些国家开发镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池，其循环寿命优于锰酸锂离子电池；但因为钴价格昂贵，所以成本较高，安全性比磷酸铁锂离子电池稍差，阻碍了这些电池的发展。

锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液及安全阀等组成。圆柱形锂离子电池结构如图2-28所示。

正极物质是嵌锂过渡金属氧化物，在锰酸锂离子电池中以锰酸锂作为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钴锂离子电池中以镍钴锂作为主要材料，在镍钴锰锂离子电池中以镍钴锰锂作为主要材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂胶黏剂，并涂覆在铝基体上，呈细薄层分布。

负极活性物质为电位接近锂电位的可嵌入锂化合物，主要是由碳材料与胶黏剂的混合物再加入有机溶剂调制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。

隔板的功能是关闭或阻断通道，通常使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜，主要材料包括PE、PP或它们的复合膜，如PP/PE/PP三层隔膜等。其关闭或阻断功能可在电池出现温度异常升高时，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充放电反应。隔板可避免因外部短路等引起的过大电流使电池产生异常发热现象，这种现象即使出现一次，电池就不能正常使用。

电解液是以LIPF6的烷基碳酸酯搭配高分子材料混合溶剂为主体的有机电解液，为了使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具有和锂离子相容性好的溶剂，以不阻碍离子移动的低黏度的有机溶液为宜，而且在锂离子蓄电池的工作温度范围内，必须呈液态，凝固点低，沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性，必须能良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。因为使用单一溶剂很难满足上述严苛条件，所以电解液通常混合不同性质的几种溶剂使用。

为了确保锂离子电池的使用安全性，通常通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在应用过程中也有可能有其他原因引起蓄电池内压异常上升，此时，安全阀释放气体，以避免蓄电池破裂，安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，用以保护蓄电池使其停止工作，是蓄电池的最后保护手段。

2.3.5.2　锂离子电池的特点

离子电池有很多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。

①工作电压高：锂离子电池工作电压为3.6～3.8V，充满电时的电压（终止充电电压）通常为4.2V，终止放电电压不小于2.5V。

②比能量高：锂离子电池比能量高达150W·h/kg。

③循环寿命长：目前锂离子电池循环寿命通常均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂电池可以达到2000次以上，在低放电深度下可以达几万次。

④自放电率低：室温下满电存储1个月的自放电率为6%～8%，低于镍-镉电池（25%～30%）和镍-氢电池（15%～20%）。

⑤无记忆性：电池无论处于什么状态，可随充随用，无需先放完电再充电，不会降低电池性能。

⑥对环境无污染：没有任何有毒有害物质，不会对环境构成任何污染，被世界公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，都无污染，是名副其实的“绿色电池”。

⑦能够制造成任意形状。

锂离子电池也有一些不足，主要表现在下列几个方面。

①成本高：主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较少），电解质体系提纯困难，但按照单位能量（W·h）的价格来计算，已经低于镍-氢电池，和镍-镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。

②必须有特殊的保护电路。

过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能及寿命，同时过充使电解液分解，内部压力过高而造成漏液等问题，故必须在4.1～4.2V的恒压下充电。

过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，因此也需要有保护线路控制。

2.3.5.3　锂离子电池的工作原理

锂离子电池正极材料使用锂化合物LiCoO2、LiNiC2或LiNn2O4，负极采用锂-碳层间化合物Li x C6，电解液为有机溶液。

图2-29所示为锂离子电池的工作原理，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动至负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入至碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即应用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。在整个充放电过程中，锂离子往返在正极与负极之间。

以LiCoO2为正极材料、石墨为负极材料的锂离子电池，正、负极的电化学反应为

LiCoO2Li1-CoO2+xLi++xe-

6C+xLi++xe-Li x C6

总反应为

LiCoO2+6CLi1-CoO2+Li x C6

因为锂离子电池只涉及锂离子而不涉及金属锂的充放电过程，从根本上解决了因锂结晶的产生而带来的电池循环性和安全性问题。

2.3.5.4　锂离子电池的充放电特性

在电压方面，充满电时的终止充电电压和电池负极材料有关，焦炭为4.1V，而石墨为4.2V，通常称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。在充电时需注意4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电，否则会有过充危险（4.1V和4.2V的充电器所用的充电器IC不同）。锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以确保充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%（例如充4.2V的锂离子电池，其允差是±0.042V），过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。

充电电流方面，锂离子电池充电电流需根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流（过热）。通常用的充电率为0.25～1C，推荐的充电电流为0.5C（C是电池的容量，如标称容量1500mA·h的电池，充电电流为0.5×1500=750mA）。在大电流充电时通常要检测电池温度，以免因过热而损坏电池或产生爆炸。

锂离子电池的额定电压是3.6V（有的产品为3.7V），放电终止电压是2.5～2.75V（电池厂给出工作电压范围或给出放电终止电压，各个参数略有不同）。电池的放电终止电压不应小于2.5V，低于放电终止电压继续放电称为过放，过放会使电池寿命缩短，严重时会引起电池失效。电池不用时，应将电池充电至保有20%的电容量，再进行防潮包装保存，3～6个月检测电压1次，并进行充电，确保电池电压在安全电压值（3V以上）范围内。

锂离子电池不适合大电流放电，过大电流放电时内部会产生较高的温度而损耗能量，减少放电时间，如果电池中无保护元件还会产生过热而损坏电池。所以电池生产厂给出最大放电电流，在使用中不得超过产品特性表中给出的最大放电电流。

不同温度下的放电曲线是不同的。在不同温度下，锂离子电池的放电电压和放电时间也不同，电池应在-20～+60℃温度范围内进行放电（工作）。

对电池充电时，其环境温度不得超过产品特性表中所列的温度范围。电池应在0～45℃温度范围内进行充电，远离高温（高于60℃）与低温（-20℃）环境。

2.3.5.5　锂离子电池的充电方法

锂离子电池可以采取不同的充电方法，其中最简单的是恒压充电。采用恒压充电时，电池电压保持不变，而充电电流将逐渐降低。当充电电流低于0.8C时，可认为电池被充分充电了。为了避免有缺陷的电池无休止地进行充电，使用一个备用定时器来终止充电周期。恒压充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法需要很长的电池充电时间。因为在电池充电期间充电电压保持一定，充电电流下降很快，因而充电速率也降低很快。这样，电池就是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。

兼顾充电过程的安全性、快速性及电池使用的高效性，锂离子电池一般都采用恒流恒压充电方法，其充电过程可分为涓流充电（预充电）、恒流充电及恒压充电三个阶段，如图2-30所示。

（1）预充电阶段　首先检测单节锂离子电池电压是否较低于3V，若是则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电直到电池电压上升到一个安全值。否则可以省略该阶段，这也是最普遍的情况，由于预充电主要是完成对过放电的锂电池进行修复。

（2）恒流充电阶段　涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。该状态下，充电电流保持不变的较大的值，电池的最大充电电流取决于电池的容量。

在恒流充电及预充电状态下，通过连续监控电池的电压和温度，可以采用下列两种恒流充电终止法，终止恒流充电。

①电池最高电压终止法：当单节锂电池电压达到4.2V，恒流充电状态需立即终止。

②电池最高温度终止法：在恒流充电过程中，当电池的温度达到60℃时，恒流充电状态应立即终止。

（3）恒压充电阶段　恒流充电结束后，则转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压保持恒定。由于锂离子电池对充电电压精度的要求比较高，单节电池恒压充电电压需在规定值的±1%之间变化，因此要严格控制锂离子电池的充电电压，在恒压充电过程中，充电器连续监控电池的电压、温度、充电电流和充电时间。

常用的恒压充电终止方法有下列四种。

①电池最高电压：当单节锂离子电池的电压达到4.25V时，恒压充电状态自动终止。

②电池最高温度：当锂离子电池的最高温度达到60℃时，恒压充电状态自动终止。

③最长充电时间：为了保证锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和最高温度外，还需设置最长恒压充电时间，在温度和电压检测失败的情况下，可以确保锂离子电池安全充电。

④最小的充电电流：在恒压充电过程中，锂离子电池的充电电流逐渐减弱，当充电电流下降到一定数值（一般为恒流充电电流的1/10）时，恒压充电状态自动终止。

另外，电池充足电后，若电池仍插在充电器上，电池会因为自动放电而损失电量。充电器应以非常小的电流对电池充电或监测电池电位以备对电池再充电，这种状态称为维护充电状态。

2.3.6　蓄电池管理系统

2.3.6.1　混合动力汽车的动力电池组管理系统简介

混合动力汽车的整车性能很大程度上依赖于动力蓄电池，高性能、高可靠性的电池管理系统能使电池在各种工作条件下得到最佳的性能，通过蓄电池管理系统（BMS）来实时监测电池状态，如电池电压、充放电电流等，估计电池最大允许充放电电流，以提升电池性能和寿命，提高混合动力汽车的可靠性及安全性。

根据电动车辆所采用的蓄电池的类型及动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括热（温度）管理子系统、电池组管理子系统、线路管理子系统，如图2-31所示。

（1）热管理子系统　温度是直接影响电池性能和寿命的关键性因素，混合动力汽车上使用的动力电池组在工作时均会有发热现象，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用强制通风来进行冷却，才能确保电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。此外，在混合动力汽车上因为动力电池组的各个蓄电池或各个分电池组布置在车架不同的位置上，各处的散热条件和周围环境均不同，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。为了确保每个蓄电池都能有良好的散热条件和环境，将混合动力汽车的动力电池安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，以及使各个蓄电池的周边环境条件类似。

根据动力电池组在电动车辆上的设置，动力电池组的热管理子系统中，为方便动力电池组或其分组的安装，首先应合理安排动力电池组的支架，要求可以实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组的支架位置及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，混合动力汽车上水平布置的温度管理系统如图2-32所示，垂直布置的温度管理系统如图2-33所示。

在某些蓄电池工作时，会产生较高的温度，此时，可充分利用其产生的热量，如用于取暖和给挡风玻璃除霜等，使热量得到管理和应用。

（2）电池组管理子系统　其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、电池的热管理以及电池的维护等进行监管，使电池组能够提高工作效率，确保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，能够有效延长电池的寿命，以及对动力电池组的安全管理和保洁等。电池组管理子系统主要包括下列几个方面。

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均具有不同的性能，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，所以要对动力电池组建立技术档案，实际上即使是同一型号、同一批次的电池，由于制造原因、电解质的浓度差异和使用情况的不同，性能也不尽相同，若将性能差异较大的电池组合在一起，会给整个动力电池组的性能带来影响。因此，在安装电池组之前，需对每个电池进行认真检测，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由多个单节电池组成，其基本状态包括在充电与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的比例等应可以进行双向计算和显示。

因为多种原因在动力电池组中个别电池会出现性能的改变，使动力电池组在充电时无法充足，而在放电时很快将电能放尽，这就要求电池管理系统应能够随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，及时报警，以便将“坏”电池剔出、更换。

③动力电池组的安全管理。动力电池组的总电压能够达到90～400V，如此高的电压对人体会造成危害，应采取有效的隔离措施，通常是将动力电池组与车辆的乘坐区分离，将动力电池组安装在地板下面或车架的两侧，在正常情况下，车辆停止使用时，一般会自动切断电源，只有在混合动力汽车启动时才接通电源，当混合动力汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能迅速切断电源，防止高压电引起的人身事故及火灾，并防止电解液造成的伤害，以确保人身安全。

（3）线路管理子系统　动力电池组是很多节单节电池串联组成的，铅酸蓄电池需要8～32节12V的单节电池串联起来，其他电池需要使用更多单节电池串联而成，为了能够分别安装在混合动力汽车的不同位置处，一般动力电池组上分为多个小的电池组分散进行布置，这样有助于电池组的机械化安装、拆卸和检修。

线路管理子系统管理电池与电池、电池组与电池组之间的线路。当动力电池组的总电压较高时，导线的截面积较小，有助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，电流比较大，线路损耗也非常大，需要的导线截面积也比较大，安装较不方便。在各个电池组之间还需要安装连接导线将各个电池组串联起来，通常在电池组与电池组之间，装有手动或自动断电器，以利于在安装、拆卸和检修时切断电流。此外，在电池管理系统中还有各种传感器线路等，所以在混合动力汽车上有各种各样的电线束，要求电线之间存在可靠的绝缘，并能快速连接。

2.3.6.2　动力电池组管理系统功能及组成

动力电池组管理系统承担着动力电池组的全面管理，一方面要确保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，以便使驾驶员随时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，防止因电池引起的各种事故。

（1）动力电池组管理系统的基本功能　动力电池组管理系统使用先进的微处理器进行控制，通过标准通信接口和控制模块对动力电池组进行管理，通常有以下几个方面。

①动力电池组管理。监视动力电池组的双向总电压和电流、动力电池组的温升，并通过液晶屏幕动态地显示出总电压、电流及温升的变化，防止动力电池组过充电或过放电，使动力电池组不会受到人为的损坏。

②单节电池管理。对动力电池组中的单节电池的管理，可以监测单节电池的电状态，对单节电池动态电压及温度的变化进行实时监测，以便及时发现单节电池存在的问题，同时采取有效的预防措施。

③荷电状态的估计和故障诊断。动力电池组管理系统需具有对荷电状态的估计和故障诊断的功能，可以有效地反映和显示荷电状态（SOC）。目前对荷电状态的估计误差通常控制在10%左右，配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力电池组的故障及隐患。

（2）动力电池组管理系统组成　综合动力电池组管理系统的各种功能，动力电池组管理系统的基本组成如图2-34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2-35所示。带有温度测量装置的动力电池组管理系统，是凭借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与监控每一个电池在充电过程中的温度是否在允许的范围内。若发现某个电池的温度处于异常状态，荷电状态（SOC）显示也不正常时，立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。