第二章新能源动力电池的认知

9.电池一致性
对于同一类型，统一规格型号的电池之间在电压、内阻、容量等参数方面存在的 差别称为电池的一致性。电池组的寿命在很大程度上取决于电池组的一致性，由 于电动汽车的动力电池都是成组使用的，因此电池的一致性是评价电池组性能的 关键指标之一。
10.电池的抗滥用能力
电池的抗滥用能力是指电池对短路、过充电、过放电、机械振 动、撞击、挤压及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程 度。
9.电池一致性
10.电池抗 滥用能力
1.端电压和电动势
动力电池的端电压是指动力电池正极和负极之间的电位差。 动力的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电位差。
2.放电电流
动力电池在放电时所输出的电流称为放电电流。
3.电池容量
电池容量是指充满电的电流在指定的条件下放电到终止电压时所输出 的电量，单位为A•h。电池容量又分为理论容量、额定容量和实际容量。
荷电状态（state of charege SOC)a描述了电池的剩余电量，一 般用百分比表示，其值为电池在一定放电倍率下，剩余电量与相 同条件下的额定容量的比值
7.放电深度
放电深度（depth of discharge DOD)是放电容量与额定容量之 比的百分数。
8.电池循环使用寿命
电池的循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一个循环，按一定的测试标准， 当电池容量降到某一规定值（一般规定为额定值得80%）以前，电池所经历的充放电 循环总次数。
3.新能源电池的种类和原理
1 铅酸电池
2 镍氢电池
3 锂离子电池
4 燃料电池
5 锌空气电池
6 超级电容
1 铅酸电池
1. 铅酸电池由法国物理学家Gaston Plane 于1859年发明，是最早出现并 投入使用的可充电动力电池。铅酸蓄 电池不仅具有化学能和电能转换效率 高、充放电循环次数多、端电压高及 容量大等特点，而且还具有放酸、防 爆、消氢及耐腐蚀等性能，但目前在 电动汽车已经淘汰使用。
2 电池成组特性的影响因素
1.不一致性
2.环境温度
3.充放电率
4.连接方式
5 新能源汽车的充电方式
不同类型的新能源汽车的充电需求和运行 特点决定各自不同的能量补充方式。下面我们 就来介绍一下电动汽车的充电方式。
根据电动汽车充电时动力电池是否与车体 分离，电动汽车的电能补充方式可以分为：
①整车充电方式 ②电池更换方式。
6 超级电容
超级电容又称电化学双层电容，是一种20世纪60年代发 展起来的通过极化电解液来储存电能的一种新型储能装置。
工作原理：超级电容中能量的储存主要是基于在高比表 面积炭电极/电解液界面形成的双电层或者是基于过渡金属 氧化物或导电聚合物的表面及体相所发生的氧化环氧反应来 实现。超级电容的构造和电池类似，主要包括正负电极、电 解液、隔膜和集流体。传统电容器由电极和电解质构成并通 过电极间的电解质在电场作用下产生的极化效应来储存能量， 而超级电容则是依靠电解质与电极接触面上形成的特有双电 层结构来储存能量。
磷酸铁锂电池全名是磷酸铁锂锂离子电池，由于其性能特别适于做动力方 面的应用，故多称为磷酸铁锂动力电池。磷酸铁锂动力电池是用磷酸铁锂 （LIFepo4)材料作电池的正极，石墨作为负极材料。目前作锂离子电池的正 极材料有钴酸、镍酸、锰酸、磷酸和钛酸等材料。 工作原理：如下图左边是橄榄石结构的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，但锂离子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。 磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li+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Li+通过隔膜向正极迁移。
感应式充电方式，通过电磁感应耦合的方式进行能量转换从而给电池充电。其特点是：使 用方便，在恶劣的气候环境下进行充电也无触电的危险。充电器将50～60Hz的普通电转换 成80～300Hz的高频电，然后将高频交流电感应到电动汽车上。充电时间大大缩短。
①电池更换方式：
在电池更换方式中，由于电池在充电时与车体分离，因而在充电时段的选择上相对自 由，即可利用电网低谷时段给电池充电，同时又能在很短的时间内完成电动汽车的电能 补给，整个电池更换过程可以在10min内完成，与现有传统汽车的加油时间大致相当。
5.电池功率密度
电池功率密度是评价能量源能否满足电动汽车加速和爬坡性能的重要指标。 与电池能量密度一样，功率密度又分为质量功率密度和体积功率密度。质量 功率密度是指电池单位质量所能输出的功率，单位为瓦？/千克（W/kg)。体 积功率密度是指电池单位体积所能输出的功率，单位为瓦/升（W/L)。
6.荷电状态
工作原理图
5 锌空气电池
1932年G.W.海泽与E.A.舒梅赫尔发明了采用碱 性电解液的锌空气电池。锌空气电池是利用金属锌 与空气中的氧气发生化学反应产生的电能的装置， 由空气极、锌板极及氢氧化钾电解液组成。当电池 放电时，空气极中的氧气发生还原反应，而锌电极 发生氧化反应并溶解，生成氧化锌，同时锌电级进 行电化学氧化反应，产生电流。
三元锂电池又称三元聚合物锂电池，指的是以镍钴锰三元材料作为正极材料，石 墨作为负极材料的电池，其把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的 调整，所以称为三元。三元锂电池最大的优势在于电池储能密度高，其储能密度通常 在200WH/kg，更适合乘用车市场对续航里程的需求，但是三元锂电池电池材料分解温 度在200℃左右，它会释放氧分子，在高温作用下电解液会迅速燃烧，引发电池自燃和 易爆风险，因此它对电池管理要求很高，需要做好过充保护（OVP)、过放保护（UVP)、 过温保护（OTP)和过流保护(OCP)。
2.直流快充
直流快充又成为应急充电，是指采用较大电流，在1h的时间内为电动汽车 充满电，由于直流快充的充电功率一般比较大，因此充电时间明显少于交 流慢充方式，便于电动汽车的运行，但是直流快充需要配备专门的非车载 充电机，安装成本和工作成本相应提高，并且快速充电对电池寿命的影响 也较大，大电流会显著降低电池的使用寿命，存在一定的安全隐患。
6 新能源电池的发展趋势
大力发展电动汽车是国际社会有效应的对能源危机和环境污染，实现汽车工业可持续发展的重 要战略举措。电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，而电动汽车技术关键是发展高性 能的动力电池。电池的比能量决定了汽车在一次充电后的续航里程，而续航里程又决定了电动汽 车驾驶的便利性，并最终影响到电动汽车的市场接受度。因此，在确保电池具有高安全性、长寿 命、低成本及良好的高低温性能和倍率性能等技术经济指标的前提下，大幅度提升动力电池的能 量密度对电动汽车的发展和普及十分重要。
电池性能直接影响整车的加速性能、续航 里程以及制动能量回收的效率等。电池的成本和 循环寿命直接影响车辆的成本和可靠性，所有影 响电池性能的参数必须得到优化。
2、新能源电池的主要性能指标
1.端电压 和电动势
2.放电电流
3.电池容量
4.电池能量 密度
5.电池功 率密度
6.荷电状态
7.放电深度
8.电池循环 使用寿命
接触式充电根据充电时间的长短又可 以分为交流慢充和直流快充两种。 1.交流慢充：
交流慢充是指采用小电流在较长时间内 对车载动力电池进行慢速充电，充电功率 一般不高于3.7KW，故又称为普通充电或 者常规充电，在常规充电中，动力电池均 采用小电流的恒压恒流三段式充电方式， 充电时间一般需要5～10h。
工作原理：燃料电池（以氢燃料电池为例）类似于燃油发 动机，燃料和氧化剂不储存在电池内部，而是储存在电池外的 储罐中。燃料电池通常由三部分组成，分正极、负极和电解质。 燃料电池的正极为燃料电极，在催化剂作用下发生氧化反应并 输出电子到外电路，负极（氧气电级）在催化剂作用下发生还 原反应，并从外电路接受电子。
（2）、铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与 电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb 2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多的两个 电子（2e）
2 镍氢电池
镍氢电池（NI-MH)是由氢离子和金属镍合 成的，是一种碱性电池。碱性电池是以氢氧 化钾等碱性水溶液作为电解液的二次电池的 总称，包括镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池 等，1984年，飞利浦公司成功研制出LaNi5 储氢合金并成功制备出镍氢电池。
4.电池能量密度
电池能量密度是衡量动力电池性能的一项重重要指标。能量密度又分为质量 能量密度和体积能量密度。质量能量密度是指电池单位质量所能输出的电能， 单位为瓦•时/千克（W•h/kg).体积能量密度是指电池单位体积所能输出的电 能，单位为瓦•时/升（W•h/L)。电池的质量能量密度影响电动汽车的整车质 量和续航里程，而体积能量密度影响电池的布置空间。
2.工作原理：铅酸电池是以二氧化铅（Pbo2）作为正极， 海棉状金属铅作为负极，浓度为27%~37%的硫酸水溶液 作为电解质的电池。铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极 (Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力， 这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，
（1）、铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅 （PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化 铅与水天生可离解的不稳定物质—氢氧化铅（Pb（OH） 4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb）留在正极板 上，故正极板上缺少电子。
工作原理：镍氢电池主要由氢氧化镍正极、储氢合金负极、隔膜纸、电解液、 铜壳、顶盖及密封等组成。镍氢电池的正极活性炭物质为氢氧化镍，负极活性 炭物质为金属氢化物，也称为储氢合金，电解液为30%的氢氧化钾水溶液。 充电时，负极析出的氢气储存在容器中，正极由氢氧化镍变成氢氧化镍和水； 放电时，氢气在负极被消耗掉，正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。氢氧电池的 开路电压为1.2~1.3V，因材料不同而异。
3 锂离子电池