電動汽車動力電池組成剖析

電動汽車電池簡介

電動汽車電池分兩大類，蓄電池和燃料電池。蓄電池適用于純電動汽車，包括鉛酸蓄電池、鎳基電池、鈉硫電池、二次鋰電池、空氣電池。

燃料電池專用于燃料電池電動汽車，包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC ）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC ）、直接甲醇燃料電池（DMFC ）。

電動汽車電池功能

隨著電動汽車的種類不同而略有差異。在僅裝備蓄電池的純電動汽車中，蓄電池的作用是汽車驅(qū)動系統(tǒng)的惟一動力源。而在裝備傳統(tǒng)發(fā)動機（或燃料電池）與蓄電池的混合動力汽車中，蓄電池既可扮演汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源的角色，也可充當(dāng)輔助動力源的角色?？梢娫诘退俸蛦訒r，蓄電池扮演的是汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源的角色;在全負荷加速時，充當(dāng)?shù)氖禽o助動力源的角色;在正常行駛或減速、制動時充當(dāng)?shù)氖莾Υ婺芰康慕巧?/p>

電動汽車電池組成

燃料電池由陽極、陰極、電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成。燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極（即外電路的負極，也可稱燃料極）上連續(xù)供給氣態(tài)燃料（氫氣），而在陰極（即外電路的正極，也可稱空氣極）上連續(xù)供給氧氣（或空氣），就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。由此可見，燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外部的儲罐中。當(dāng)它工作（輸出電流并做功）時，需要不間斷地向電池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時排出反應(yīng)產(chǎn)物。因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機。由于燃料電池工作時要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體（氣體或液體）。最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體（如重整氣）和某些液體（如甲醇水溶液），常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體（如過氧化氫和硝酸的水溶液等）。

燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對燃料的氧化產(chǎn)生催化作用，同時把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤傧蛲怆娐穫鬏?。陰極（氧電極）的作用是為氧和電解液提供公共界面，對氧的還原產(chǎn)生催化作用，從外電路向氧電極的反應(yīng)部位傳輸電子。由于電極上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，為提高反應(yīng)速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。

電解質(zhì)的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應(yīng)中所產(chǎn)生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。隔膜的作用是傳導(dǎo)離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此隔膜必須是抗電解質(zhì)腐蝕和絕緣的物質(zhì)，并具有良好耐潤濕性。

電池組

電動汽車電池組由多個電池串聯(lián)疊置組成。一個典型的電池組大約有96個電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個高壓電池，每次都對整個電池組進行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨立考慮每個電池的情況。如果電池組中的一個電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項包括串行外設(shè)接口（SPI）總線、I2C總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個選項是控制器局域網(wǎng)（CAN）總線，這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常魯棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。

私人購買新能源汽車補貼標(biāo)準(zhǔn)出臺后，部分試點城市的“再補貼”政策也隨即出臺，新能源汽車消費正逐步啟動。面對廣闊的市場前景，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、中海油、中石化等巨頭紛紛跑馬圈地，各地掀起一股興建充電站的風(fēng)潮。

截至目前，上海漕溪、深圳龍崗、成都石羊、唐山南湖、延安、鄭州、南寧等地已經(jīng)建成、在建或近期將開建大量的充電站，其中上海計劃在三年內(nèi)達到5000個充電樁的規(guī)模；長春計劃三年內(nèi)建成15個充電站和5000個充電樁……電池尺寸、充電接口是否統(tǒng)一？電池質(zhì)量能否過關(guān)？快速充電對電池的損害究竟有多大？等一系列問題開始暴露出來。

電動汽車電池基本分類

電動汽車用電池為化學(xué)電源，它的分類方法很多。按電解液分為：

a. 堿性電池。即電解液為堿性水溶液的電池；

b. 酸性電池。即電解液為酸性水溶液的電池；

c. 中性電池。即電解液為中性水溶液的電池；

d. 有機電解質(zhì)溶液電池。即電解液為有機電解質(zhì)溶液的電池。

按活性物質(zhì)的存在方式分為：

a. 活性物質(zhì)保存在電極上?？煞譃橐淮坞姵兀ǚ窃偕?，原電池）和二次電池（再生式，蓄電池）；

b. 活性物質(zhì)連續(xù)供給電極。可分為非再生燃料電池和再生燃料電池。

按電池的某些特點分為：

a. 高容量電池；

b. 免維護電池；

c. 密封電池；

d. 燃結(jié)式電池；

e. 防爆電池；

f. 扣式電池、矩形電池、圓柱形電池等。

盡管由于化學(xué)電源品種繁多，用途廣泛，外形差別大，使上述分類方法難以統(tǒng)一，但習(xí)慣上按其工作性質(zhì)及存貯方式不同，一般分為四類：

一次電池

一次電池，又稱“原電池”，即放電后不能用充電的方法使它復(fù)原的電池。換言之，這種電池只能使用一次，放電后電池只能被遺棄了。這類電池不能再充電的原因，或是電池反應(yīng)本身不可逆，或是條件限制使可逆反應(yīng)很難進行。如：

鋅錳干電池 Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2（C）

鋅汞電池 Zn│KOH│HgO

銀鋅電池 Zn│KOH│Ag2O

二次電池

二次電池，又稱“蓄電池”， 即放電后又可用充電的方法使活性物質(zhì)復(fù)原而能再次放電，且可反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池。這類電池實際上是一個化學(xué)能量貯存裝置，用直流電將電池充足，這時電能以化學(xué)能的形式貯存在電池中，放電時，化學(xué)能再轉(zhuǎn)換為電能。如：

鉛酸電池 Pb│H2SO4│PbO2

鎳鎘電池 Cd│KOH│NiOOH

鎳氫電池 H2│KOH│NiOOH

鋰離子電池 LiCoO2│有機溶劑│6C

鋅空氣電池 Zn│KOH│O2（空氣）

貯備電池

貯備電池，又稱“激活電池”，是正、負極活性物質(zhì)和電解液不直接接觸，使用前臨時注入電解液或用其他方法使電池激活的一類電池。這類電池的正、負極活性物質(zhì)的化學(xué)變質(zhì)或自放電，因與電解液的隔離而基本上被排除，從而使電池能長時間貯存。如：

鎂銀電池 Mg│MgCl2│AgCl

鈣熱電池 Ca│LiCl-KCl│CaCrO4（Ni）

鉛高氯酸電池 Pb│HclO4│PbO2

燃料電池

燃料電池，又稱“連續(xù)電池”，即只要活性物質(zhì)連續(xù)地注入電池，就能長期不斷地進行放電的一類電池。它的特點是電池自身只是一個載體，可以把燃料電池看成一種需要電能時將反應(yīng)物從外部送入電池的一種電池。如：

氫燃料電池 H2│KOH│O2

肼空燃料電池 N2H4│KOH│O2（空氣）

必須指出，上述分類方法并不意味著某一種電池體系只能分屬一次電池、二次電池、貯備電池或燃料電池。恰相反，某一種電池體系可以根據(jù)需要設(shè)計成不同類型的電池。如鋅銀電池，可以設(shè)計成一次電池，也可以設(shè)計成二次電池，或貯備電池。