3.1　动力电池简介

3.1.1　电动汽车对动力电池的要求

① 动力电池能量密度要高。目前电动汽车上使用动力电池的质量能量密度和体积能量密度都很低，其中铅酸电池质量能量密度为35～40W·h/kg，镍氢电池质量能量密度为60～80W·h/kg，锂离子电池质量能量密度为150～180W·h/kg，而汽油的质量能量密度为10000～12000W·h/kg，一辆轿车携带50kg汽油可行驶600km，而同样的轿车若携带400kg的动力电池只能行驶100～300km。

② 动力电池快速充电接受能力要高。以目前电池的充电接受能力及智能充电设备，很难做到在3～5min内快速地为蓄电池充足电。目前锂离子电池为了安全及保障电池的使用寿命，最多使用0.15C～0.2C的充电率进行充电，需要5～8h方可将全放电的蓄电池充满电。快速充电时要能接受数百安甚至上千安的脉冲充电电流，可在10～30min内充满动力电池80%的容量。

③ 动力电池在颠簸振动、深度放电时不影响寿命。电动汽车的使用环境复杂，在使用中受到颠簸振动、高温低温、深度放电是不可避免的，不能因此而影响电池的使用寿命。

④ 动力电池的价格要便宜。目前在电动汽车上使用的动力电池中最便宜的是铅酸动力电池，但该电池能量密度低，使电动汽车的续驶里程短。其他像锂离子电池、燃料电池、锌铝电池等价格均较高，再加上电池管理系统（BMS）价格就更高，几乎占整车成本的三分之一到一半左右。电动汽车要普及，除国家进行补贴外动力电池及管理系统成本降低是关键。

3.1.2　车用动力电池的分类

电动汽车用动力电池根据容量大小和输出功率，可分为能量型动力电池、功率型动力电池、能量和功率兼顾型动力电池三类。

（1）能量型动力电池　通常具有较大的容量，能够提供较持久的电力，常用于纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车。不仅能够提高纯电动汽车的续驶里程，降低污染物的排放，还能在车辆制动时回馈吸收部分制动能量。

（2）功率型动力电池　容量可以比较小，但需要在瞬间能提供大功率大电流输出。最典型的就是超级电容器，既能大电流对外放电又能大电流吸收制动回馈能量，便于电动汽车的启动、爬坡、加速和制动回馈能量。

（3）能量和功率兼顾型动力电池　能较长时间提供大功率输出，也能接受大功率输入，主要运用于插电式混合动力汽车上。

3.1.3　动力蓄电池

蓄电池是一种可逆的直流电源，既能将化学能转变成电能，又能将电能转变成化学能，用作电动汽车的电能储存装置。电动汽车就是依靠蓄电池来供应能源，由电动机进行驱动行驶的汽车。电动汽车的蓄电池有铅酸电池、硅酸盐电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、锌镍电池、铝空气电池等。就现有电动汽车市场对动力蓄电池的使用情况来看，主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池三种。密封阀控式铅酸电池在动力电池中技术最成熟、历史最悠久、性价比最高，但比能量低（参与电极反应的单位质量电极材料放出电能的大小称为该电池的比能量）。随着国家对新能源电动汽车的扶持，在新型蓄电池中镍氢电池和锂离子电池分别以其各自的性能和技术优势快速发展。

（1）铅酸电池　自1859年发明以来，其使用和发展有一百五十多年的历史，早期就是运用于电动汽车的。由于铅酸电池技术成熟、可靠性好，原材料容易获得，价格便宜，比功率也基本上能够满足电动汽车的动力要求，因此在早期的电动汽车和现代微型电动汽车上广泛使用。

（2）镍氢电池　是20世纪90年代发展起来的一种绿色无污染碱性蓄电池。镍氢动力电容电池由不锈钢壳体、正极板、负极板、隔膜、电解液等组成。正、负极板分别由镍类活性物质、稀土合金粉与活性炭制备而成。隔膜以纤维形式构成。电解液由碱性材料按一定配比构成。镍氢电池的电能储备和使用寿命远优于阀控铅酸电池，且不含铅、镉等重金属。目前主要是用在电动公交车、电动旅游观光车、电动工具车和铁路等系统，还使用在坦克、潜艇等军事装备中。在丰田普锐斯Prius等部分混合动力车中也广泛使用这种电池。

（3）锂离子电池　是指以嵌入锂化合物为正极材料的蓄电池的总称。由日本索尼公司在1990年向市场推出，属于世界上最新一代充电电池。与其他电池相比，锂离子电池能量密度更高，循环寿命更长，且无污染、无记忆效应，被视为未来理想的动力源之一。但锂离子电池正极嵌入锂化物使电池价格过高，不便于普及使用。大规模用于电动汽车，使锂离子电池低价格化成为最大的问题和最重要的发展目标。

（4）燃料电池　电能来源于氢气和空气中的氧气，在催化作用下经电化学反应生成。燃料电池的能量转换效率高出内燃机的2～3倍，且排放物只有水，没有污染。从能源利用和环保的角度考虑，燃料电池是车用电池中最有效的解决方案，但价格高。目前燃料电池最适合在汽车上使用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell）。由于质子交换膜只传导质子，氢质子通过质子交换膜直接到达阴极，而电子通过外电路才能到达阴极。当闭合外电路电子通过外电路流动时，直流电便产生了。上海燃料电池动力系统有限公司已成功研制了3代超越系列燃料电池纯电动汽车，并参加了6界世界新能源汽车挑战赛，取得了好成绩。燃料电池汽车具有噪声小、运行平稳、显著提高燃料的利用率等优点，受到各国研发机构的高度重视。但氢的存储和质子交换膜的成本过高，是普及发展燃料电池汽车的瓶颈。

除了上述的蓄电池、燃料电池外，还有与蓄电池和燃料电池搭配混合使用的超级电容器（Supercapacitors）和飞轮电池（Flywheel Battery）。超级电容器又称黄金电容、双层电容，由电极、电解质、隔膜连接柱和排气阀等组成，是借助电极表面快速的氧化还原反应来储存电能的一种储能装置。由于在储能过程中不发生化学反应，而且储能过程可逆，所以它是一种物理性的储能电源。超级电容器的主要特点是，功率密度比蓄电池高、充电快、循环使用寿命长、绿色无污染，但自放电快、储存电能的时间短。目前在汽车上使用的是碳电极超级电容。另外一种物理方式的储能装置就是飞轮电池，其组成部分主要有飞轮、电动机、超导磁悬浮轴承、电力电子转换器等，其中飞轮是核心部件，通过电动机将外部系统能量转换为飞轮的动能储存起来。1992年美国飞轮系统公司（AFS）开发了一种用在汽车上的机-电电池（EMB），电池内部的飞轮及转子等旋转部分如图3-1所示。电池内部的飞轮及转子等旋转部分全部安装在密闭的真空金属池内，每个“电池”长18cm，直径为23cm，质量为23kg。电池的核心是一个以2×105r/min旋转的碳纤飞轮，每个电池储能为1kW·h，将12个“电池”放在IMPACT轿车上，能使该车以100km/h的速度行驶480km。机-电电池总质量为273kg，若采用铅酸电池，则总质量为396kg。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍，使用寿命是铅酸电池的8倍，且它的“比功率”（即爆发力）极高，是铅酸电池的25倍，是汽油发动机的10倍，它可将该车在8s内由静止加速至100km/h。

图3-1　飞轮电池内部旋转件