第2章　电动汽车的电源系统

2.1　电池概述

电动汽车动力储能装置包括所有动力蓄电池、超级电容、飞轮电池和燃料电池等储能元件及其以上各类电池的组合。

2.1.1　电池的基本组成

电池通常由电极（正极和负极）、电解质、隔膜和外壳（容器）四部分组成。

电极是电池的核心部分，通常由活性物质和导电骨架组成。活性物质是指可以通过化学反应释放出电能的物质，要求其电化学活性高、在电解液中的化学稳定性高以及电子导电性好。活性物质是决定化学电源基本特性的重要部分。导电骨架主要起传导电子及支撑活性物质的作用。当电池通过外部电路（负载）放电时，电池的正极从外电路得到电子，而负极则向外电路输出电子；对于电池内部而言恰好相反。

电解质在电池内部阴、阳极之间担负传递电荷（带电离子）的作用。电解质一般为液体或固体。液体电解质常称为电解液，通常是酸、碱、盐的水溶液；固体电解质通常为盐类，由固体电解质组成的电池即称为干电池。对电解液的要求是电导率高、溶液欧姆电压较小。对于固体电解质，要求具有离子导电性，而不具有电子导电性。电解质的化学性质必须稳定，使其在储存期间与活性物质界面间的电化学反应速率小，这样电池自放电时容量损失减小。

为了避免电池内阴、阳极之间的距离较近而产生内部短路，产生严重的自放电现象，需要在其阴、阳极之间加放绝缘的隔膜，隔膜的形状一般为薄膜、板材或胶状物等。对隔膜的要求是化学性质稳定，有一定的机械强度，对电解质离子运动的阻力小，是电的良好绝缘体，并可以阻挡从电极上脱落的活性物质微粒和枝晶的生长。

电池的外壳是盛放和保护电池电极、电解质、隔膜的容器。通常要求外壳具有足够的机械强度和化学稳定性，耐振动、耐冲击、耐腐蚀。

2.1.2　电池的基础知识

（1）电池的组合　蓄电池作为动力源，通常要求有较高的电压和电流，因此需要将若干个单体电池通过串联、并联与复联的方式组合成电池组使用。电池组合中对单体电池性能具有严格的要求，在同一组电池中必须选择同一系列、同一规格、性能尽量一致的单体电池。

（2）电池的放电　电池的放电是将电池内储存的化学能以电能方式释放出来的过程，即电池向外电路释放电流。蓄电池的放电参数主要包括放电深度、放电率和连续放电时间。放电深度是指电池当前的放电状态，用实际放电容量和额定容量的百分比来表示。放电率是指放电时的速率，常用时率或是倍率表示。时率是指一定的放电电流放完额定容量所需的时间（h），倍率是指规定时间内放出其额定容量时所输出电流的数值和额定值的比。连续放电时间是指蓄电池开始不间断地放电至终止电压时所能进行的时间。放电的方式又分为工况放电、倍率放电、深度放电、恒流放电、恒功率放电。

（3）电池的充电　电池的充电是将外部电源输入蓄电池的直流电能转换为化学能储存起来的过程。蓄电池的充电参数主要包括充电特性、完全充电和充电率。充电特性是指充电时蓄电池的电流、电压与时间之间的关系。完全充电是蓄电池内所有可利用的活性物质均已转变成完全荷电的状态。充电率是指充电时的速率，也用时率或是倍率来表示。蓄电池的荷电状态是指蓄电池当前容量与全荷电容量的比例。充电方式又分为恒压充电、恒流充电、涓流充电及浮充电。

（4）电池的极化　极化是电池由静止状态（电流I=0）转入工作状态（I>0）产生的电池电压、电极电位的变化现象。电压和电流的乘积等于功率，再乘以电池运行时间即为输出电能，因此极化现象反映了由静止状态转入工作状态能量损失的大小，极化损失越小越好。极化现象也可理解为对平衡现象的偏离。热力学平衡过程和可逆现象紧密相连。可逆过程或平衡过程的变化率是非常小的，但实际过程必须有一定的速率，有时还要求有很高的速率，如电动汽车驱动时要求有大电流放电，即要求反应速率很快，这样必然发生偏离平衡值的现象，即极化现象。常见的极化现象包括阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、浓差和电化学极化等。阳、阴极极化是指电池进入工作状态后阳、阴极电位出现偏离平衡值的现象。电池的电阻包括电解质的电阻、电极材料的电阻，甚至还有因为反应产物的附着（如氢氧化物沉淀在电极上）形成的电阻等。浓差极化是电化学反应进行时，作用物浓度的变化造成电极电位对平衡值的偏差。任何极化过程都包括一个或几个反应质点接收电子或失去电子的过程，由这一过程引起的极化叫作电化学极化。

（5）记忆效应　记忆效应是指电池在没有完全放电之前就重新充电，电池会储存这一放电平台并且在下次循环中将其作为放电的终点，虽然电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上，但在以后的放电过程中，电池将仅记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电均会加深这一效应，使电池容量逐渐变低，这主要表现在镍镉电池中。对于其他蓄电池，该效应较小或是不存在，其原因是电池内生长晶枝，通过深度充放电虽然可缓解，但如此会损坏电池，比较好的方法是采用脉冲充电法，不但可抑制晶枝的生长，还有可能使一些生长的晶枝得到溶解。

2.1.3　电池的种类

电池的种类繁多，划分的方法也有多种。车用动力电池，按其原理划分，主要可分为生物电池、物理电池及化学电池三大类。生物电池是利用生物（如生物酶、微生物或叶绿素等）分解反应过程中表现出来的带电现象所进行的能量转换，包括酶电池、微生物电池和生物太阳能电池等。它主要具有体积小、无污染、寿命长、可在常温常压下使用等优点。随着全球能源危机的提出，目前对生物电池的研究逐渐深入。物理电池是指利用物理原理制成的电池，其特点是可以在一定条件下实现直接的能量转换，主要包括太阳能电池、飞轮电池、核能电池和温差电池。太阳能电池是利用光电效应，将光能转化为电能，然后将输出的直流电存储在蓄电池中。飞轮电池是将电能转换为飞轮的旋转动能，飞轮以高速旋转来储存动能，然后利用电动机将动能转变成电能输出。核能电池是依靠核子发生裂变或聚变工作的。温差电池是一种直接将热能转换成电能的电池。化学电池是将化学反应产生的能量直接转换为电能的装置，也称为化学电源。另外还有超级电容器，它是一种介于传统电解质电容器及电化学电池之间的新型储能元件。

化学电池是生活中使用最多的电池。化学电池一般按电解液种类、正负极材料和其功能有如下三种分类方式。

（1）按电池的电解液种类分类　按电池的电解液种类可以分为碱性电池、酸性电池、中性电池及有机电解液电池四类。碱性电池的电解质主要是以氢氧化钾水溶液为主，如碱性锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池等；酸性电池主要以硫酸溶液为介质，如铅酸电池；中性电池是以盐溶液为介质，如锌锰干电池；有机电解液电池是以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。

（2）按电池的正负极材料分类　按电池的正负极材料可分为锌系列电池、镍系列电池、铅系列电池、锂系列电池、二氧化锰系列电池及空气系列电池等。锌系列电池包括锌锰电池、锌银电池等；镍系列电池包括镍镉电池、镍氢电池等；铅系列电池包括铅酸电池等；锂系列电池包括锂离子电池、锂锰电池、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池等；二氧化锰系列电池包括锌锰电池、碱锰电池等；空气电池系列包括锌空气电池、铝空气电池等。

（3）按电池功能分类　按电池功能分类是指根据工作性质或储存方式不同进行分类的分类法，主要分为一次电池、二次电池、燃料电池及储备电池四类。一次电池又称为原电池，即不能再充电的电池。若原电池中的电解质不流动则称为干电池，如锌锰干电池、锌汞干电池、锌银干电池等。二次电池即可充电的电池，习惯上称为蓄电池。它是目前电动汽车上用得最多的动力电池，主要包括铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池及磷酸铁锂电池等。燃料电池又叫作“连续电池”，即将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。储备电池又叫作“激活电池”，这类电池的正负极活性物质在储存期不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活，如锌银电池、镁银电池。

2.1.4　电池的性能指标

（1）电池的容量　电池的容量是指完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总电量，通常用字母C来表示，其单位为安时（A·h）。与其相关的还有蓄电池储存性能，即表示蓄电池长期搁置后容量变化的特性。电池容量一般有理论容量、额定容量、可用容量、剩余容量。

（2）电池的能量　电池的能量是指在一定标准所规定的放电条件下，电池对外做功所能输出的电能，其单位是瓦时（W·h）或千瓦时（kW·h）。电池的能量一般有总能量、充电能量、放电能量。

在此需格外强调容量与能量的区别，前者表示电池输出的电量，而后者表示其做功能力。能量可以用容量乘以放电平均电压求出。电气设备用电流控制时，则用容量衡量；当电压显得重要时，则多用能量衡量。分析比较电动汽车能量利用效率时即用能量。

（3）能量密度与功率密度　能量密度与功率密度分别指从蓄电池的单位质量（或体积）所获取的电能与输出功率，也分别被称为比能量与比功率。有以下四种具体表示法。

①质量能量密度　也称质量比能量，单位为W·h/kg。

②体积能量密度　也称体积比能量，单位为W·h/L。

③质量功率密度　也称质量比功率，单位为W/kg。

④体积功率密度　也称体积比功率，单位为W/L。

能量密度和功率密度的区别在于，蓄电池的功率密度一定程度地解决了汽车的加速性、爬坡性及最高车速，而蓄电池的能量密度决定了汽车一次充电后的续驶里程。蓄电池的重量也一定程度地影响了汽车的驱动力，而电池的体积决定了汽车各部件在汽车底盘的布局空间。因此电动汽车希望比功率和比能量都能较大。但通常来说，蓄电池的功率密度增加时，能量密度要下降。其原因为蓄电池内产生高电流的化学反应限制了能量密度，为了形成高电流，需要大量的集电器；为了让出空间，就得缩小储存电能量的电极材料的体积。

（4）电池的开路电压　蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差称为开路电压，通常用高内阻的电压表或万用表测量。电池的开路电压主要取决于构成电池的材料特性，如正、负极材料和电解液的性质。对于同一系列的电池，若材料来源不同，晶型结构不同，制成电池的开路电压也会有差异，这一点在电池组合时需格外注意，即要选择性能尽量一致的单体电池为同一组。开路电压是电池体系的一种特征数据，随着电池存放时间的延长，其开路电压会有所降低，这是由电池自放电引起的，但下降幅度不大。若电池的开路电压下降很快，则表示电池内部可能存在慢性短路或电池性能衰退。

（5）电池的内阻　电池放电时的内阻包括欧姆内阻与极化电阻。欧姆内阻是电池中各组成部分的电子导电阻力、离子导电阻力及接触阻力之和，与电极结构和装配工艺有关。极化电阻是由电极反应形成的，和电极反应的本质及材料有关。电池内阻越小，电池工作输出电流时其内部的压降就越小，电池就可以输出较高的工作电压和较大的电流，输出能量及容量也就越大。

（6）电池的工作电压、放电终止电压和放电曲线　电池工作电压是指电池放电时，电池两极之间的电位差，也称为放电电压或端电压。工作电压应等于其开路电压减去电池内阻的压降，和放电制度有关。放电制度是指电池放电时所规定的各种条件，主要有放电方式（指连续或间断）、放电电阻、放电电流、放电时间、放电终止电压和放电环境温度等。

放电终止电压是指电池放电时，电压下降至不宜再继续放电的最低工作电压。根据不同的电池类型和放电条件，对电池容量和寿命的要求也不同，所以所规定的电池放电终止电压也不同。通常在低温或大电流放电时，终止电压要求低，由于此时电极极化大，活性物质不能得到充分利用，电池电压下降较快。而在小电流放电时，终止电压就规定较高，因为小电流放电电极极化小，且活性物质可以得到充分利用。

放电曲线表示在一定放电条件下，连续放电时电池的工作电压随着时间变化的关系曲线。图2-1所示为某电池在不同放电率下的放电曲线。

从图2-1中可知放电时其工作电压随时间的变化过程，通过放电曲线也可以计算出放电时间和放电量。放电时率小，其电压下降速度快，终止电压低，放电时间也短；反之放电时率大，其工作电压下降慢，通常也能输出较多的能量。工作电压的变化速度也被称作放电曲线的平稳度。

（7）电池的寿命　电池的寿命是指电池使用时间或充电循环次数所表示的电池耐用性。循环充电电池经历一次充电与放电的过程，称为一个循环或一个周期。在一定的充放电制度下，电池容量降低到某一规定值时，电池所能经受的循环次数，称为蓄电池的循环寿命。影响蓄电池循环寿命的主要因素：在充放电过程中，电极活性表面积减小；电极上活性物质脱落或转移；电极材料发生腐蚀；电池内部短路；隔膜损坏和活性物质晶型改变，活性降低。在每个充放电循环中，电池中的化学活性物质会慢慢老化变质，活性衰减，化学功能减弱，使得电池的充放电效率逐渐下降，最后电池丧失功能而报废。蓄电池的循环周期与其充电和放电的形式、使用环境温度和放电深度有关，放电深度“浅”时，有助于延长电池的寿命。蓄电池在电动汽车上的使用环境、电池组中各个电池的均衡性以及安装方式等均会影响电池的使用寿命。

（8）电池的温度特性　环境温度是影响电池性能的重要因素。电池对环境温度及温度升高的情况均比较敏感。大部分电池都要求在较狭窄的温度范围内工作，方可保持较高的性能，否则就会损坏。所以，电池在电动汽车上安装使用时，必须注意其环境温度及温度变化的调节控制。

2.1.5　各类车用电池的性能比较

电动汽车动力电源的主要要求包括比功率高（在大电流工况下能够平稳放电，提高加速、爬坡性能）、比能量大（延长续驶里程）、循环寿命长、安全可靠、成本低、对使用环境温度要求低、能量转换效率高、对环境污染小等。

电动汽车的未来发展很大程度上决定于动力电池的各项性能。各类车用动力电池的性能比较见表2-1。