新能源汽车动力蓄电池

初识动力蓄电池组

（一）蓄电池的基本组成

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。电动汽车的主要动力源为电能，通过电动机等动力装置转化为机械能，从而驱动车轮行驶，而电能来自纯电动汽车的动力蓄电池系统，如下图所示。

蓄电池通常由电极（正极和负极）、电解质、隔膜和外壳（容器）四部分组成，如下图所示。电极是蓄电池的核心部分，通常由活性物质和导电骨架组成。电解质在蓄电池内部阴、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。

为了避免蓄电池内阴、阳极之间因距离较近而发生内部短路，产生严重的自放电现象，需要在其阴、阳极之间放置绝缘的隔膜，隔膜的材料一般为薄膜、板材或胶状物等。蓄电池的外壳是盛放并保护电池电极、电解质和隔膜的容器。

（二）动力蓄电池系统的作用

动力蓄电池是纯电动汽车的核心部件，也是新能源汽车上价格最高的部件之一。动力蓄电池的性能好坏直接决定了这辆车的实际价值。动力蓄电池具有接收和储存由车载充电机、发电机、制动能量回收装置或外置充电装置提供的高压直流电的功能，并且为电动汽车提供高压直流电，如下图所示。

动力蓄电池系统作为电动汽车的能量源，除了储存驱动所用电能和为整车提供持续稳定的能量外，还承担以下功能：

（1）控制最佳行驶电池特性。

（2）确保蓄电池的安全性、可靠性。

（三）蓄电池的种类

蓄电池的种类繁多，划分的方法也有很多种。蓄电池按其原理划分，主要可分为生物电池、物理电池和化学电池三大类。

化学电池是生活中使用最多的电池。它是将化学反应产生的能量直接转换为电能的装置，也称化学电源。化学电池分类方式见下表。

（三）蓄电池的种类

一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池。

二次电池，习惯上称为蓄电池，即可重复进行充电、放电使用的电池。

目前电动汽车使用最多的动力蓄电池。如铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。燃料电池，又称连续电池。只要活性物质连续地注入电池，就能长期不断地进行放电的一类电池。储备电池，又称激活电池。正、负极活性物质和电解液不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的电池。

（四）各类车用动力蓄电池的性能比较

电动汽车动力蓄电池的主要要求包括比功率高（在大电流工况下能平稳放电，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。

比功率，描述动力蓄电池在瞬间放出能量的能力，单位为W/kg。比功率高的动力蓄电池可以提供很高的瞬间电流，以保证汽车的加速性能。

比能量，指动力蓄电池单位质量所能输出的电能，单位为W·h/kg。比能量高的动力蓄电池可以长时间工作，续驶里程长。

能量效率，指电流恒定情况下，在相等的充电和放电时间内，蓄电池放出电量和充入电量的百分比。

循环寿命，指动力蓄电池容量降低（衰减）到某一规定值之前，动力蓄电池能经受充电与放电的次数（充电一次放电一次称为一个周期或一次循环）。

电动汽车的发展很大程度上取决于动力蓄电池的各项性能。下表是各类常见车用动力蓄电池的性能比较。

1.铅酸蓄电池

铅酸蓄电池已经有多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动电源，技术较为成熟，具有一定的价格优势。与其他动力蓄电池相比，铅酸蓄电池只被广泛应用于内燃机汽车和一些低速纯电动汽车上，如图1-4所示。

铅酸蓄电池的优点：

（1）性能可靠、技术成熟、价格便宜；

（2）大功率性能优异、电压平稳、安全性好；

（3）维护简便或者免维护；

（4）适用范围广、原材料丰富；

（5）自放电低，回收技术成熟。

铅酸蓄电池的缺点：

（1）能量密度低；

（2）循环寿命短；

（3）质量大、体积大；

（4）过充过放性能差，充电时间长。

2.镍氢蓄电池

镍氢蓄电池属于碱性电池，是一种集能源、材料、化学、环保于一身的绿色环保电池。循环使用寿命较长，能量密度高，但价格较高，能量密度低，主要应用于混动车型。目前商业化的混合动力电动汽车，如丰田的Prius（如下图）、本田的Insight使用的均为镍氢蓄电池。

丰田普锐斯混合动力汽车的动力蓄电池(全封闭的镍氢蓄电池)安装在车辆的后部，布置在行李舱内，如下图所示。

镍氢蓄电池的优点：

（1）功率性能好。镍氢蓄电池内部使用了大量的金属材料，导电性能良好，可以适应大功率放电，目前比功率达0W/kg；

（2）低温性能好。采用的为无机电解液体系，低温性能相对比锂系列蓄电池要好。

（3）循环寿命高。无污染。

（4）管理系统相对简单。电池耐过充电和过放电能力比较强，没必要监测到每只单体蓄电池的电压。

镍氢蓄电池的缺点：

（1）蓄电池的发热问题。镍氢蓄电池在电动汽车应用中遇到的主要问题为热问题。主要原因有两个，一是镍氢蓄电池本身的充电反应是一个放热反应；二是充电效率低，充电量超过80%后，副反应速度很快增加，产热速度迅速上升，会带来热失控问题。充电电流越大，充电效率越低，产生的热量会越多。

（2）电池比能量较低。虽然电池比能量是铅酸蓄电池的2~3倍，但与锂系列蓄电池相比较，相差较大。

（3）标称电压低。1.2V的标称电压，组合成数百伏的车用动力电源系统，就需要更多的电池串联，对电池的一致性、可靠性要求更高。

（4）高温充电性能差。高温下充电效率降低。

（5）自放电大。在常用的铅酸、镍氢、锂系列动力蓄电池当中，镍氢蓄电池的自放电是比较大的。一般充满电常温搁置28天自放电达到10%~30%。

（6）材料成本高。镍氢蓄电池中使用了大量较贵重的金属，如镍、钴等，电池原材料成本比较高。

3.三元锂蓄电池

三元锂蓄电池在容量与安全性方面比较均衡，是一款综合性能优异的蓄电池，如图1-7所示。能量密度高是三元锂蓄电池的最大优势。单体三元锂蓄电池放电电压平台高达3.7V，磷酸铁锂为3.2V，而钛酸锂仅为2.3V，因此从能量密度角度来说，三元锂蓄电池比磷酸铁锂、锰酸锂或者钛酸锂具有绝对优势。

安全性较差和循环寿命较短是三元锂蓄电池的主要短板，尤其是安全性能，是一直限制其大规模配组和大规模集成应用的一个主要因素。大量实验测试表明，容量较大的三元锂蓄电池很难通过针刺和过充等安全性测试，这也是大容量电池中一般都要多引入锰元素，甚至混合锰酸锂一起使用的原因。次的循环寿命在锂蓄电池中属于中等偏下，因此三元锂蓄电池目前最主要的应用领域是3C数码等消费类电子产品。下代表车型有特斯拉MODELS，其蓄电池安装位置如图所示。

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