電動(dòng)汽車電池的分類與性能參數(shù)

1、電動(dòng)汽車電池的分類及性能參數(shù)發(fā)布時(shí)間：2010年8月5日 來源：中國(guó)有色網(wǎng)一、概述電動(dòng)汽車并不是一個(gè)新概念。1873年戴維遜研制成功電動(dòng)汽車，開創(chuàng)了電動(dòng)汽車的先河。嚴(yán)格意義的電動(dòng)汽車是與燃油汽車相對(duì)應(yīng)的，包括電動(dòng)貨車、客車、轎車等，但不包括用于工廠、 貨站、碼頭傳送物件的電瓶車。能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今全球性兩大突出問題。世界石油儲(chǔ)量日益減少，而燃油汽車是石 油消耗的大戶。為了確保必須使用石油作原料的化工部門的石油供應(yīng)，尋找替代能源是汽車工業(yè) 發(fā)展的方向。與此同時(shí)，城市交通噪聲和汽車排放污染也日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球汽車保有量已 愈六億，其中，絕大部分是燃油汽車，汽車排放污染占人類向大氣排放污染

2、的42%因此，研制低（無）排放的新型交通工具勢(shì)在必行。進(jìn)入21世紀(jì)后，電動(dòng)汽車的研制已在全世界范圍興起。我國(guó)在80年代初就開始研制電動(dòng)汽車。進(jìn)入21世紀(jì)后，研制的步伐明顯加快。最近，國(guó)家發(fā)改委又投入大量資金組織研究開發(fā)。目前，具有代表性的電動(dòng)汽車有： 比亞迪開發(fā)的雙模混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)轎車； 東風(fēng)汽車公司開發(fā)的以盤式永磁無刷電機(jī)為動(dòng)力、以IGBT調(diào)速系統(tǒng)為控制、以動(dòng)力蓄電池為能源的電動(dòng)轎車； 北京重工研制的以 22kW異步交流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、以IGBT調(diào)速系統(tǒng)為控制、以 482廠動(dòng)力蓄電池為能源的電動(dòng)客車； 清華大學(xué)研制的以 22kW無刷電機(jī)為動(dòng)力、以動(dòng)力蓄電池為能源的16座電動(dòng)面包車； 鄭州

3、華聯(lián)電動(dòng)車輛研究所研制的以10kW同步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、以IGBT調(diào)速系統(tǒng)為控制、以蓄電池為能源的、過載能力4倍的電動(dòng)轎車； 華南理工大學(xué)研制的 EV6630 EV6600及EV6620電動(dòng)輕型客車，其中，EV6630電動(dòng)客車已在深圳投入試運(yùn)行 1萬公里。此外，一汽、上汽、廣汽、長(zhǎng)安等國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)也研制了自己的電動(dòng)汽車。二、電動(dòng)汽車電池的分類電池的分類電動(dòng)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(jī)電解質(zhì)溶液電池。即電解液為有機(jī)電解質(zhì)溶液的電池。按

4、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剑姵兀┖投坞姵兀ㄔ偕?，蓄電池）；b. 活性物質(zhì)連續(xù)供給電極?？煞譃榉窃偕剂想姵睾驮偕剂想姵?。按電池的某些特點(diǎn)分為：a. 高容量電池；b. 免維護(hù)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：a. 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

5、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(jìn)行。如：鋅錳干電池Zn丨NH4CIZnCI2 | MnO2（C）鋅汞電池Zn | KOH| HgO銀鋅電池Zn | KOH| Ag2Ob. 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(shí)際上是一個(gè)化學(xué)能量貯存裝置，用直流電將電池充 足，這時(shí)電能以化學(xué)能的形式貯存在電池中，放電時(shí)，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

6、機(jī)溶劑| 6C鋅空氣電池Zn | KOH| O2（空氣）c. 貯備電池貯備電池，又稱“激活電池”，是正、負(fù)極活性物質(zhì)和電解液不直接接觸，使用前臨時(shí)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(fù)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(zhǎng)時(shí)間貯存。如：鎂銀電池Mg | MgCI2 | AgCI鈣熱電池Ca | LiCl-KCl | CaCrO4（Ni）鉛高氯酸電池 Pb | HclO4 | PbO2d. 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(zhǎng)期不斷地進(jìn)行放電 的一類電池。它的特點(diǎn)是電池自身只是一個(gè)載體，可以把燃料

7、電池看成一種需要電能時(shí)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 02肼空燃料電池 N2H4| KOH 02（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(jì)成不同類型的電池。如鋅銀電池，可 以設(shè)計(jì)成一次電池，也可以設(shè)計(jì)成二次電池，或貯備電池。三、電動(dòng)汽車電池的性能參數(shù)化學(xué)電池品種繁多，性能各異。常用以表征其性能的指標(biāo)有：電性能、機(jī)械性能、貯存性能 等，有時(shí)還包括使用性能和經(jīng)濟(jì)成本。我們主要介紹其電性能和貯存性能。電性能包括：電動(dòng) 勢(shì)、額定電壓、開路電壓、工作電壓、終止電壓、充電電

8、壓、內(nèi)阻、容量、比能量和比功率、貯 存性能和自放電、壽命等。貯存性能主要取決于電池的自放電大小。電動(dòng)勢(shì)電池的電動(dòng)勢(shì)，又稱電池標(biāo)準(zhǔn)電壓或理論電壓，為電池?cái)嗦窌r(shí)正負(fù)兩極間的電位差。電池的 電動(dòng)勢(shì)可以從電池體系熱力學(xué)函數(shù)自由能的變化計(jì)算而得。額定電壓額定電壓（或公稱電壓），系指該電化學(xué)體系的電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。例如，鋅錳干電 池為1.5V，鎳鎘電池為1.2V，鉛酸蓄電池為 2V,鋰離子電池為 3.6V。開路電壓電池的開路電壓是無負(fù)荷情況下的電池電壓。開路電壓不等于電池的電動(dòng)勢(shì)。必須指出，電 池的電動(dòng)勢(shì)是從熱力學(xué)函數(shù)計(jì)算而得到的，而電池的開路電壓則是實(shí)際測(cè)量出來的。工作電壓系指電池在某負(fù)載下實(shí)際

9、的放電電壓，通常是指一個(gè)電壓范圍。例如，鉛酸蓄電池的工作電 壓在2V1.8V ;鎳氫電池的工作電壓在1.5V1.1V ;鋰離子電池的工作電壓在3.6V2.75V。終止電壓系指放電終止時(shí)的電壓值，視負(fù)載和使用要求不同而異。以鉛酸蓄電池為例：電動(dòng)勢(shì)為 2.1V，額定電壓為 2V,開路電壓接近 2.15V ,工作電壓為2V1.8V，放電終止電壓為 1.8V 1.5V（放電終止電壓根據(jù)放電率的不同，其終止電壓也不同）。充電電壓系指外電路直流電壓對(duì)電池充電的電壓。一般的充電電壓要大于電池的開路電壓，通常在一 定的范圍內(nèi)。例如，鎳鎘電池的充電壓在1.45V1.5V ;鋰離子電池的充電壓在 4.1V4.2V

10、 ;鉛酸蓄電池的充電壓在 2.25V2.5V。內(nèi)阻蓄電池的內(nèi)阻包括：正負(fù)極板的電阻，電解液的電阻，隔板的電阻和連接體的電阻等。a.正負(fù)極板電阻目前普遍使用的鉛酸蓄電池正、負(fù)極板為涂膏式，由鉛銻合金或鉛鈣合金板柵架和活性物質(zhì) 兩部分構(gòu)成。因此，極板電阻也由板柵電阻和活性物質(zhì)電阻組成。板柵在活性物質(zhì)內(nèi)層，充放電 時(shí)，不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，所以它的電阻是板柵的固有電阻?；钚晕镔|(zhì)的電阻是隨著電池充放電狀態(tài)的不同而變化的。當(dāng)電池放電時(shí)，極板的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U（PbS04），硫酸鉛含量越大，其電阻越大。而電池充電時(shí)將硫酸鉛還原為鉛 （Pb），硫酸鉛含量越小，其電阻越小。b. 電解液電阻電解液的電阻視其濃度

11、不同而異。在規(guī)定的濃度范圍內(nèi)一旦選定某一濃度后，電解液電阻將 隨充放電程度而變。電池充電時(shí)，在極板活性物質(zhì)還原的同時(shí)電解液濃度增加，其電阻下降；電 池放電時(shí)，在極板活性物質(zhì)硫酸化的同時(shí)電解液濃度下降，其電阻增加。c. 隔板電阻隔板的電阻視其孔率而異，新電池的隔板電阻是趨于一個(gè)固定值，但隨電池運(yùn)行時(shí)間的延 長(zhǎng)，其電阻有所增加。因?yàn)?，電池在運(yùn)行過程中有些鉛渣和其他沉積物在隔板上，使得隔板孔率 有所下降而增加了電阻。d. 連接體電阻連接體包括單體電池串聯(lián)時(shí)連接條等金屬的固有電阻，電池極板間的連接電阻，以及正、負(fù) 極板組成極群的連接體的金屬電阻，若焊接和連接接觸良好，連接體電阻可視為一固定電阻。每只電

12、池所呈現(xiàn)的內(nèi)阻就是上述物體電阻的總和，電池內(nèi)阻R與電動(dòng)勢(shì)、端電壓及放電電流的關(guān)系：Rs=（E-Uf）十If電池的內(nèi)阻在放電過程中會(huì)逐漸增加，而在充電過程中則逐漸減小。所以，電池在充放電過 程中，端電壓也會(huì)因其內(nèi)阻的變化而變動(dòng)。故端電壓在放電時(shí)低于電池的電動(dòng)勢(shì)，充電時(shí)又高于 電池的電動(dòng)勢(shì)。容量電池的容量單位為庫(kù)侖（C）或安時(shí)（Ah）。表征電池容量特性的專用術(shù)語有三個(gè)：a. 理論容量。系指根據(jù)參加電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)電化學(xué)當(dāng)量數(shù)計(jì)算得到的電量。通常，理論上1電化當(dāng)量物質(zhì)將放出 1法拉第電量，即96500C或26.8Ah（1電化當(dāng)量物質(zhì)的量，等于活性 物質(zhì)的原子量或分子量除以反應(yīng)的電子數(shù)）。b. 額

13、定容量。系指在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電池時(shí)，規(guī)定或保證在指定放電條件下電池應(yīng)該放出的最低 限度的電量。c. 實(shí)際容量。系指在一定的放電條件下，即在一定的放電電流和溫度下，電池在終止電壓前 所能放出的電量。電池的實(shí)際容量通常比額定容量大10%- 20%電池容量的大小，與正、負(fù)極上活性物質(zhì)的數(shù)量和活性有關(guān)，也與電池的結(jié)構(gòu)和制造工藝與 電池的放電條件（電流、溫度）有關(guān)。影響電池容量因素的綜合指標(biāo)是活性物質(zhì)的利用率。換言之，活性物質(zhì)利用得越充分，電池 給出的容量也就越高。活性物質(zhì)的利用率可以定義為：利用率=（電池實(shí)際容量/電池理論容量）X 100%或，利用率=（活性物質(zhì)理論用量/活性物質(zhì)實(shí)際用量）X 100%比能

14、量和比功率電池的輸出能量是指在一定的放電條件下，電池所能作出的電功，它等于電池的放電容量和電池平均工作電壓的乘積，其單位常用瓦時(shí)(Wh)表示。電池的比能量有兩種。一種叫重量比能量，用瓦時(shí)/千克(Wh/kg)表示；另一種叫體積比能量，用瓦時(shí)/升(Wh/L)表示。比能量的物理意義是電池為單位重量或單位體積時(shí)所具有的有效電能 量。它的比較電池性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。必須指出，單體電池和電池組的比能量是不一樣的。由于電池組合時(shí)總要有連接條、外部容 器和內(nèi)包裝層等，故電池組的比能量總是小于單體電池的比能量。電池的功率是指在一定的放電條件下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所能輸出的能量。單位是瓦(W)，或千瓦(kW)。電池

15、的單位重量或單位體積的功率稱為電池的比功率，它的單位是瓦/千克(W/kg)或瓦/升(W/L)。如果一個(gè)電池的比功率較大，則表明在單位時(shí)間內(nèi)，單位重量或單位體積中給出的能 量較多，即表示此電池能用較大的電流放電。因此，電池的比功率也是評(píng)價(jià)電池性能優(yōu)劣的重要 指標(biāo)之一。貯存性能和自放電電池經(jīng)過干貯存(不帶電解液)或濕貯存(帶電解液)一定時(shí)間后，其容量會(huì)自行降低，這個(gè)現(xiàn) 象稱自放電。所謂“貯存性能”是指電池開路時(shí)，在一定的條件下(如溫度、濕度)貯存一定時(shí)間后自放電的大小。電池在貯存期間，雖然沒有放出電能量，但是在電池內(nèi)部總是存在著自放電現(xiàn)象。即使是干 貯存，也會(huì)由于密封不嚴(yán)，進(jìn)入水份、空氣及二氧化碳

16、等物質(zhì)，使處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)的部分 正極和負(fù)極活性物質(zhì)構(gòu)成微電池腐蝕機(jī)理，自行發(fā)生氧化還原反應(yīng)而白白消耗掉。如果是濕貯 存，更是如此。長(zhǎng)期處在電解液中的活性物質(zhì)也是不穩(wěn)定的。負(fù)極活性物質(zhì)大多是活潑金屬，都 會(huì)發(fā)生陽極自溶。酸性溶液中，負(fù)極金屬是不穩(wěn)定的，在堿性溶液及中性溶液中也非十分穩(wěn)定。電池自放電的大小，一般用單位時(shí)間內(nèi)容量減少的百分比表示，即：自放電=(Co- Ct/Cot) x 100%式中：Co貯存前電池容量，Ah;Ct貯存后電池容量，Ah;t貯存時(shí)間，用天、周、月或年表示。自放電的大小，也能用電池貯存至某規(guī)定容量時(shí)的天數(shù)表示，稱為貯存壽命。貯存壽命有兩 種，即干貯存壽命和濕貯存壽命

17、。對(duì)于在使用時(shí)才加入電解液的電池貯存壽命，習(xí)慣上也稱為干 貯存壽命。干貯存壽命可以很長(zhǎng)。對(duì)于出廠前已加入電解液的電池貯存壽命，習(xí)慣上稱為濕貯存 壽命(或濕荷電壽命)。濕貯存時(shí)自放電嚴(yán)重，壽命較短。如銀鋅電池的干貯存壽命可達(dá)58年，但它的濕貯存壽命通常只有幾個(gè)月。降低電池中自放電的措施，一般是采用純度較高的原材料，或?qū)⒃牧项A(yù)先處理，除去有害 雜質(zhì)。也可在負(fù)極金屬板柵中加入氫過電位較高的金屬，如Ag、Cd等，還有的在溶液中加入緩蝕劑，目的都是抑制氫的析出，減少自放電反應(yīng)的發(fā)生。(11)壽命(與放電倍率大小有關(guān))。電池的壽命有“干貯存壽命”和“濕貯存壽命”兩個(gè)概念。必須指出，這兩個(gè)概念僅是針對(duì) 電

18、池自放電大小而言的，并非電池的實(shí)際使用期限。電池的真正壽命是指電池實(shí)際使用的時(shí)間長(zhǎng) 短。對(duì)一次電池而言，電池的壽命是表征給出額定容量的工作時(shí)間對(duì)二次電池而言，電池的壽命分充放電循環(huán)壽命和濕擱置使用壽命兩種。充放電循環(huán)壽命，是衡量二次電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。經(jīng)受一次充電和放電，稱為一次循 環(huán)（或一個(gè)周期）。在一定的充放電制度下，電池容量降至某一規(guī)定值之前，電池能耐受的充放電 次數(shù)，稱為二次電池的充放電循環(huán)壽命。充放電循環(huán)壽命越長(zhǎng)，電池的性能越好。在目前常用的 二次電池中，鎘鎳電池的充放電循環(huán)壽命500800次，鉛酸電池200500次，鋰離子電池 6001000次，鋅銀電池很短，約 100次左右。二次