汽车最新能源储存方式

一、混合动力汽车电能储存装置的种类

混合动力汽车的电能储存装置可以分为二次电池、超级电容和飞轮电池三类。

1.二次电池二次电池也称为可充电电池。现代混合动力汽车上的最常见的二次电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、镍一金属氢电池四类。

2.超级电容超级电容又称为电化学容器，是一种新型的、双层面电容器，与常见的物理电容器不同。其特点是电容量大，比物理电容器的极限容量高3到4个数量级，达到F/g以上。

3.飞轮电池飞轮电池又称为飞轮储能器、高速或超高速飞轮储能器等，是利用飞轮高速旋转储能和释放电能的一种装置。这种电能储存装置目前应用较少。

二、蓄电池主要性能指标

在混合动力汽车上，动力蓄电池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，还要向空词系统、动力转向系统等提供电力能源。另外有的还要为点火系统、照明、信号系统、刮水器和喷淋器以及车载娱乐和通信设备等装备提供低压电源。各种蓄电池一般是供给直流电，然后经过变频器或逆变器转换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。在混合动力汽车上蓄电池是辅助电力能源，用于作为发动机的辅助动力源，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。

电压（V）（1）电动势电池正极和负极之间的电位差E。（2）开路电压电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。（3）额定电压电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。（4）工作电压（负载电压、放电电压）在电池两端接上负载R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，电池的电压将逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。2.电池容量（A.H）

（1）理论容量

根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值，一般用质量容量（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，等于放电电流与放电时间的乘积。（3）标称容量（公称容量）用来鉴别电池适当的近似容量值，由于没有指定放电条件，因此，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，电池应该放出的最低限度的容量。

（5）荷电状态（SOC）荷电状态是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，此时，可以用SOC的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效率区为50%-80%SOC。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）标称能量按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量，电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。

（2）实际能量在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。电池的质量包括电池本身结构件质量和电解质质量的总和。

（3）比能量（W.h/kg）指动力蓄电池组单位质量中所能输出的能量。表2-3-1所示为各种电池的比能量。—般混合动力汽车所采用的动力蓄电池，要求有较大的比能量。比能量是保证混合动力汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，连续2h放电率的比能量至少不低于44W.h/kg。

（4）能量密度（W.h/L）动力蓄电池组的能量密度是指动力蓄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）电池的比功率是电池单位质量中所具有的电能的功率。（2）功率密度（W/L）电池的功率密度是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部时受到的阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池的内阻作用，使得电池在放电时端电压低于电动势和开路电压；在充电时的端电压高于电动势和开路电压。

6.循环次数（次）蓄电池的工作是一个不断“充电→放电→充电→放电”的循环过程，按一定标准的规定放电，当电池的容量降到某个规定值前，就要停止继续放电，然后就需要充电才能继续使用。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。随着充电和放电次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，逐渐削弱其化学功能，使得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。蓄电池充电和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有关，放电深度“浅”时，有利于延长电池的寿命。特别是电池在电动汽车上的使用环境，包括电池组中各个电池的均衡性、安装、固定方式、所受的振动和线路的安装等，都会影响电池的工作循环次数，最后完全丧失其充电和放电的功能而报废。蓄电池的循环寿命要求不低于1，次。

7.使用年限（年）电池除了以循环次数表示使用时间外，通常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）一般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到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为额定容量数值的倍数。

9.自放电率自放电率指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度，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，使得电动汽车的造价也较高，开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。

三、铅酸蓄电池

以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于电池电极是以铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池广泛用于燃油汽车的启动。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）性能与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和比功率，高的循环次数和使用寿命，以及快速充电性能等。

目前，已经有很多专业公司研制和开发了多种新型铅酸蓄电池，使得铅酸蓄电池的性能有了较大的提高。铅酸蓄电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类。固定式铅酸蓄电池按电池槽结构分为半密封式与密封式，半密封式又有防酸式与消氢式。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开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。因此，近10年来，国内外开发的称为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸蓄电池。

四、镍镉（Ni-Cd）电池

镍镉电池是一种碱性电池，它采用全封闭外壳，低温性能较好，能够长时间存放；极板强度高，工作电压平稳，能够带电充电，并可以快速充电，可以在真空环境中正常工作。镍镉电池过充电和过放电性能好，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，循环使用寿命长，可达到2次或7年以上，是铅酸蓄电池的2倍。

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，水溶性氧化钾溶液为电解质，在镍镉电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。为了提高寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。2.镍镉电池的构造镍镉电池的每个单体电池都是由正极板、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。在灌装电解液并经过充电后，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1.2V，比能量为55W．h/kg，比功率可以超过W/kg，循环使用寿命2次以上；可以进行快速充电，充电15min可恢复50%的容量，充电1h可恢复%的容量，但一般情况下完全充电需要6h；深放电达%，自放电率每天低于0.5%，可以在-40—80℃的环境温度条件下正常工作。镍镉电池有记忆效应，其采用的镉（Cd）是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效回收。镍镉电池的成本约为铅酸电池的4-5倍，初始购置费用较高，其比能量和循环使用寿命都大大地高于铅酸电池，因此，在电动汽车实际使用时，总的费用不会超过铅酸电池的费用。由于镍镉电池使用性能比铅酸电池好，在混合动力汽车上得到广泛使用。

五、镍氢（Ni-MH）电池

镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，它也是一种碱性电池。有高倍率的放电特性，短时间可以3C（C为按额定电流放电时的实际放电容量）放电。

1.镍氢（Ni-MH）电池的工作原理镍氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末与添加剂钻等金属、塑料和黏台剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后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明显的改进。采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂，可以提高大电流时的放电性能。镍氢电池的负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极由金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。

2.镍氢电池的结构镍氢电池由氢氧化镍Ni（OH）2正极、储氢合金负极、隔膜纸、氢氧化钾电解质、外壳、顶盖、密封圈等组成。在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。圆柱形和方形镍氢电池的结构如图2-3-2所示。

3.镍氢电池的特点镍氢电池的单体电池的电压为1.2V，3h比能量75-80W．h/kg，能量密度达到W.h/L，比功率-W/kg，功率密度-W/L，充电18min可恢复40%-80%的容量，应急补充充电性能好，一次充电后行驶里程长，而且启动加速性能较好：可以在环境温度为-28-80℃的条件下正常工作，循环寿命可达到6次或7年。但在高温条件下使用时电荷量急剧下降，自放电损耗较大，价格较贵。低温性能较好，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，镍氢电池可以随充随放，不会出现镍镉在没有放完电后即充电而产生的“记忆效应”。

六、蓄电池管理系统

混合动力汽车的电池组管理系统简介混合动力汽车除动力蓄电池组提供主要电源外，还有发动机、发电机组向动力蓄电池组通过转换器不断地补充电能。根据电动车辆所采用的电池的类型和动力蓄电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括热（温度）管理子系统、电池组管理子系统和线路管理子系统等。（1）热管理子系统混合动力汽车上使用的动力蓄电池组在工作时都会有发热现象，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取强制通风来进行冷却，才能保证电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。另外，在混合动力汽车上由于动力蓄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都不同，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。为了保证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蓄电池组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相似。在某些蓄电池工作时，会产生较高的温度，可以充分利用其产生的热量取暖和给挡风玻璃除霜等，使热量得到管理与应用。（2）电池组管理子系统电池组管理子系统的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、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理，使电池组能够提高工作效率，保证正常运转，避免发生电池的过充电和过放电，有效延长电池的寿命，以及动力蓄电池组的安全管理和保洁等。

（3）线路管理子系统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。当动力蓄电池组的总电压较高时，导线的截面积比较小，有利于电线束的连接和固定，但高电压要求有更可靠的防护。当动力蓄电池组的总电压较低时，则电流比较大，导线的截面积则比较大，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，一般在电池组与电池组之间，装有手动或自动断电器，以便在安装、拆卸和检修时切断电流。另外，在电池组管理系统中还有各种传感器线路等，因此在混合动力汽车上有尺寸很长的各种各样的电线束，要求电线之间有可靠的绝缘，并能快速连接。

2.动力蓄电池组管理系统功能与组成

动力蓄电池组管理系统要承担动力蓄电池组的全面管理，一方面保证动力蓄电池组的正常运作，显示动力蓄电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握动力蓄电池组的情况；另一方面耍对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。

（1）动力蓄电池组管理系统的基本功能动力蓄电池组管理系统一般采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蓄电池组进行管理，一般有以下几方面。

1）动为蓄电池组管理。监视动力蓄电池组的双向总电压和电流、动力蓄电池组的温升，并通过液晶显示或其他显示装置，动态显示总电压、电流，温升的变化，避免动力蓄电池组过充电或过放电，使动力蓄电池组不会受到人为的损坏。

2）单节电池管理。对动力蓄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和温度的变化进行实时测量，以便及时发现单节电池存在的问题，并采取有效的预防措施。

3）荷电状态的估计和故障诊断。动力蓄电池组管理系统应具有对荷电状态的估计和故障诊断的功能，能够有效地反映和显示荷电状态。目前对荷电状态的估计误差一般在1O%左右。配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力蓄电池组的故障和隐患

七、电动汽车蓄电池充电器

1.电动汽车蓄电池充电器的基本功能

电动汽车蓄电池充电器的基本功能有3个，即对市电（即工频交流电，交流电常用电压、电流、频率三个量来表征。世界各国的常用交流电频率有50Hz与60Hz两种，民用交流电压分布由lOOV至V不等）进行电力变换并提供直流电；供给与蓄电池额定条件相对应的电力；当蓄电池充满后自动停止充电。

2.电动汽车蓄电池充电器的分类

（1）根据充电器是装在车内还是车外分根据充电器是装在车内还是车外，充电器可分为车载和非车载两种。车载充电器一般设计为小充电率，充电时间较长（一般是5-8h）。由于电动汽车质量和体积的限制，车载充电器要求尽可能体积小、质量小（一般小于5kg）。因为充电器和电池管理系统（负责监控蓄电池的电压、温度和荷电状态等）都装在车上，所以它们相互之间容易利用电动汽车的内部线路网络进行通信。非车载充电器和电池管理系统在物理位置上是分开的，因而非车载充电器一般设计为大充电率，质量和体积也较大。根据电池管理系统提供的关于电池的类型、电压、温度和荷电状态的信息，非车载充电器选择一种合适的充电方式为蓄电池充电，以避免蓄电池的过充和过热。

（2）根据给电动汽车蓄电池充电时的能量转换方式分根据给电动汽车蓄电池充电时的能量转换方式不同，充电器可以分为两种系统。

1）接触式。接触式是将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电池充电；感应式是通过电磁感应耦合的方式进行能量转换而给电池充电的。接触式充电器简单、效率高，而感应式充电器使用方便，而且即使在恶劣的气候环境下进行充电也无触电的危险。车载／非车载充电器和接触式／感应式充电器这两种分类方法并不矛盾，车载和非车载充电器都可以是接触式或感应式的。接触式充电器简单采用插头与插座的金属接触来导电．充分利用了成熟技术，具有工艺简单和成本低廉的优点。接触式充电器的不足主要是充电电流小，充电时间长。感应式充电器将电能从充电器感应到电动汽车上，以达到给蓄电池充电的目的。

2）感应式。感应式充电器利用高频变压器原理，高频变压器的一边绕组装在充电器上，另一边绕组装在电动汽车上。充电器将50-60Hz的普通电转换成80-Hz的高频电，然后将高频交流电感应到电动汽车上。在整流电路的作用下，将高频交流电变换为能够为蓄电池充电的直流电。由于在充电过程中充电器与电动汽车之间无任何金属接触，使得电动汽车的充电更为安全可靠。感应充电方式相对于接触式充电而言有着明显的优点，它也可以在暴风雨雪等恶劣天气条件下进行安全的充电，充电时间大大缩短。感应式充电器的主要缺点是投资成本高，而且充电时不可避免地有感应损耗。