電動(dòng)汽車-論文

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 3前言 5第一章電動(dòng)汽車發(fā)展概況 61.1電動(dòng)汽車的定義及簡(jiǎn)介 61.2電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu) 61.3電動(dòng)汽車的發(fā)展史 6第二章混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 82.1混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn) 82.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能量管理策略 82.3混合動(dòng)力汽車分類及各類型的工作原理 92.3.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 92.3.2并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 92.3.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PSHEV）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 10第三章燃料電池電動(dòng)汽車 113.1燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)以及特性分析 113.2燃料電池的簡(jiǎn)介 113.3燃料電池汽車的優(yōu)缺點(diǎn) 123.4燃料電池的種類 123.4.1固體氧化物燃料電池 123.4.2甲醇燃料電池 123.4.3甲烷燃料電池 123.4.4氫燃料電池 133.4.5微生物燃料電池 133.4.6質(zhì)子交換膜燃料電池 13第四章純電動(dòng)汽車（EV） 144.1純電動(dòng)汽車的特性分析 144.1.1純電動(dòng)汽車的簡(jiǎn)介 144.1.2純電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn) 144.2純電動(dòng)汽車蓄電池的簡(jiǎn)介 154.2.1蓄電池結(jié)構(gòu)圖 154.2.2蓄電池主要部件 164.3蓄電池的種類 174.3.1鉛酸蓄電池 174.3.2鎳鎘蓄電池 184.3.3鎳氫蓄電池 184.3.4鈉硫蓄電池 194.3.5鋰離子電池 194.3.6鋅空氣電池 194.3.7飛輪電池 204.3.8燃料電池 204.3.9太陽(yáng)能蓄電池 204.4動(dòng)力電池的工作原理 214.4.1鉛酸電池的工作原理 214.4.2鎳鎘蓄電池的工作原理 234.4.3鎳氫蓄電池的工作原理 254.4.4鈉硫蓄電池的工作原理 264.4.5鋰離子電池的工作原理 274.4.6鋅空氣電池的工作原理 304.4.7飛輪電池的工作原理 324.4.8燃料電池的工作原理 344.4.9太陽(yáng)能蓄電池的工作原理 364.5純電動(dòng)汽車的發(fā)展情況 37第五章動(dòng)力電池組特性的分析與均衡管理分析 405.1動(dòng)力電池主要性能參數(shù) 405.1.1電壓 405.1.2內(nèi)阻 405.1.3溫升 415.1.4內(nèi)壓 415.1.5電量 415.1.6荷電 415.1.7容量 415.1.8功率 425.1.9效率 425.1.10壽命 425.1.11安全 425.2動(dòng)力電池組充放電特性 435.2.1充電 435.2.2過(guò)充電 445.2.3放電 445.2.4過(guò)放電 445.2.5經(jīng)濟(jì)速度與續(xù)駛里程 455.2.6加速與爬坡 455.2.7剎車制動(dòng)與逆變 455.2.8先進(jìn)的電池組使用方法 455.3動(dòng)力電池組的均衡控制和管理 465.3.1斷流與分流 465.3.2能耗與回饋 465.3.3能量變換器 475.3.4靜態(tài)與動(dòng)態(tài) 475.3.5單向和雙向 485.3.6集中與分散 485.3.7獨(dú)立與級(jí)聯(lián) 495.3.8效率與安全 505.3.9控制與管理 505.3.10均衡小結(jié) 505.4動(dòng)力電池的選用策略 51總結(jié) 53致謝 54參考文獻(xiàn) 55

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的特性分析學(xué)生：李帥指導(dǎo)老師：皮勝文學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院摘要本文介紹了電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r，電動(dòng)汽車的工作原理和動(dòng)力電池的特性分析。在本課題的設(shè)計(jì)中，筆者研究的內(nèi)容主要包含了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r，電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)、工作原理，動(dòng)力蓄電池的種類、工作原理及特性分析。隨著汽車擁有量逐年增加，汽車廢氣排放及對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境、能源問(wèn)題日益嚴(yán)重，電動(dòng)汽車是目前最具開(kāi)發(fā)潛力的綠色交通工具，發(fā)展電動(dòng)汽車必是日后汽車發(fā)展的主要方向。研究低成本高效電池和社會(huì)充電系統(tǒng)是今后我國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：低碳經(jīng)濟(jì)、電動(dòng)汽車、動(dòng)力電池

AbstractThispaperintroducesthedevelopmentofelectricvehicles,workingprincipleofelectricvehicleandthecharacteristicsofthepowerbattery.Inthedesigningofthissubject,myresearchmainlyincludesthedevelopmentofelectricvehicles,structureofelectricvehicle,workingprinciple,categoryofbattery,workingprincipleandanalysisofcharacteristics.Withtheincreasingnumbersincars,itcauselotsofproblemssuchasairpollutionanddecreaseinresourses.electricvehiclehasthepotentialtobethegreentooloftransportantion,itistheimportantderectionofdevelopmentincars.low-cost,highefficiencybatteryandsocialchargingsystemwillbethetrendofdevelopmentincars.Keywords:low-carboneconomy,electricvehicles,powerbattery

前言能源危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境污染使汽車技術(shù)正經(jīng)歷著燃料多元化、動(dòng)力電氣化等重大技術(shù)變革。具有高效節(jié)能、低排放或零排放優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)汽車重新獲得了生機(jī)，并受到世界各國(guó)的廣泛重視，是國(guó)際節(jié)能環(huán)保汽車發(fā)展的主攻方向，世界上許多國(guó)家都開(kāi)始投入大量資金開(kāi)發(fā)新能源汽車。新能源汽車已成為世界各大汽車公司21世紀(jì)初激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，動(dòng)力技術(shù)革命將徹底改變2l世紀(jì)汽車業(yè)的面貌。電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵在于電池，鉛酸、鎳氫、鋰電池在成本、穩(wěn)定性、性能指標(biāo)等方面各有優(yōu)勢(shì)，也一直存有爭(zhēng)議。依據(jù)2009年工信部公布的《新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理規(guī)則》，新能源汽車產(chǎn)品劃分為起步期、發(fā)展期、成熟期三個(gè)不同的技術(shù)階段，燃料電池汽車屬于起步期，鋰電池電動(dòng)汽車屬于發(fā)展期，鉛酸蓄電池電動(dòng)汽車屬于成熟期產(chǎn)品。從動(dòng)力電池技術(shù)路線的發(fā)展歷程看，最早是鉛酸電池，后來(lái)是Ni-MH電池，再進(jìn)一步是鋰離子電池。由于磷酸鐵鋰安全性和性能都非常好，現(xiàn)在各國(guó)都在重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)，普遍認(rèn)為是今后動(dòng)力電池的一個(gè)主導(dǎo)方向。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球90%的電動(dòng)車車型使用的是日韓的電池，技術(shù)路線以錳酸鋰加三元材料為主。國(guó)內(nèi)上市公司中，德賽電池、華芳紡織等生產(chǎn)電池，中國(guó)寶安等生產(chǎn)磷酸鐵鋰，杉杉股份主攻三元材料和錳酸鋰，中信國(guó)安、西藏礦業(yè)等擁有上游鋰資源。

第一章電動(dòng)汽車發(fā)展概況1.1電動(dòng)汽車的定義及簡(jiǎn)介電動(dòng)汽車（ElectricVehicle）是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。一般采用高效率充電電池，或燃料電池為動(dòng)力源。電動(dòng)汽車無(wú)需再用內(nèi)燃機(jī)，因此，電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池相當(dāng)于原來(lái)的油箱。傳統(tǒng)燃油汽車的傳能方式為剛性的物理齒輪傳動(dòng)裝置，而電動(dòng)車的傳能方式為電導(dǎo)線，這就使電動(dòng)車的布局更加自由化，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，維修更加容易，使用壽命更長(zhǎng)，并可直接利用電子技術(shù)進(jìn)行傳動(dòng)、顯示和控制，使風(fēng)阻系數(shù)大大減少，還易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。電動(dòng)汽車主要包括有：純電動(dòng)汽車(BEV)、混合動(dòng)力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)等。1.2電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)電動(dòng)汽車的組成包括電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)等機(jī)械系統(tǒng)、完成既定任務(wù)的工作裝置等，分別是電源、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置、傳動(dòng)裝置、行駛裝置、轉(zhuǎn)向裝置、制動(dòng)裝置、工作裝置。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，也是區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點(diǎn)。電力驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、電源和電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制裝置等組成。電動(dòng)汽車的其他裝置基本與內(nèi)燃機(jī)汽車相同。1.3電動(dòng)汽車的發(fā)展史一百多年來(lái)，電動(dòng)汽車在汽車發(fā)展史中經(jīng)歷了三次重大機(jī)遇。第一次發(fā)生在一百余年前。由于當(dāng)時(shí)電池和電機(jī)的發(fā)展較內(nèi)燃機(jī)成熟，而且石油的運(yùn)用還沒(méi)有普及，使電動(dòng)汽車在早期的汽車領(lǐng)域中占有舉足輕重的位置。第一輛電動(dòng)汽車（3輪）由法國(guó)人古斯塔夫?土維（GustaveTrouve）在1881年制造出來(lái)，此后三四十年間，電動(dòng)汽車在當(dāng)時(shí)的汽車發(fā)展中占據(jù)著重要位置。19世紀(jì)末期到1920年是電動(dòng)車發(fā)展的一個(gè)高峰。在早期的汽車市場(chǎng)上電動(dòng)車比內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛有著更多優(yōu)勢(shì)：無(wú)氣味、無(wú)震蕩、無(wú)噪音、不用換擋和價(jià)格低廉，這使得當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)是以電動(dòng)車為主導(dǎo)。隨著美國(guó)德州石油的開(kāi)發(fā)和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)大大提高，電動(dòng)車在1920年之后漸漸地失去了優(yōu)勢(shì)。汽車市場(chǎng)逐步給內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車所取代。第二次是在70年代石油危機(jī)的爆發(fā)時(shí).由于石油的大量開(kāi)采和內(nèi)燃機(jī)的種種優(yōu)越性，電動(dòng)汽車漸漸被人們忽視。直到上世紀(jì)70年代石油危機(jī)的爆發(fā)，給世界各國(guó)政界一次不小的打擊，開(kāi)始考慮替代石油的其他能源，包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、電能等可再生能源。因此從政治經(jīng)濟(jì)方面考慮，才又給了電動(dòng)汽車第二次機(jī)遇，又一次被人矚目。第三次機(jī)遇開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，各個(gè)主要的汽車生產(chǎn)廠家開(kāi)始關(guān)注電動(dòng)車的未來(lái)發(fā)展并且開(kāi)始投入資金和技術(shù)在電動(dòng)車領(lǐng)域。在1990年1月的洛杉磯汽車展上，通用汽車的總裁向全球推介Impact純電動(dòng)轎車。1992年福特汽車使用鈣硫電池的Ecostar，1996年豐田汽車使用鎳氫電池的RAV4LEV，1996年法國(guó)雷諾汽車的Clio，1997年豐田的Prius混合動(dòng)力轎車下線，1997年日產(chǎn)汽車推出世界上第一輛使用鋰離子電池的電動(dòng)車PrairieJoyEV，1999年本田汽車發(fā)布、銷售混合動(dòng)力Insight。

第二章混合動(dòng)力電動(dòng)汽車2.1混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是將電力驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，它可以從根本上解決現(xiàn)在純電動(dòng)汽車動(dòng)力性能差和續(xù)駛里程短的問(wèn)題。混合電動(dòng)汽車與純電動(dòng)汽車相比，其主要優(yōu)勢(shì)是：電池容量大為減少，進(jìn)而可以降低整車重量，為提高動(dòng)力性作出貢獻(xiàn)。由于采用輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，打破了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的限制，其長(zhǎng)途行駛能力可與傳統(tǒng)汽車相媲美。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上采用高度實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)的優(yōu)化控制策略，優(yōu)化控制的結(jié)果盡量使動(dòng)力系統(tǒng)各部件工作在最佳狀態(tài)效率區(qū)域，大大限制了內(nèi)燃機(jī)在惡劣工況下的高燃油消耗和大量的尾氣排放，大大提高了混合動(dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。在排放限制嚴(yán)格的地區(qū)，還可關(guān)閉輔助動(dòng)力，以純電動(dòng)方式工作，成為零排放汽車?？照{(diào)系統(tǒng)等附件由內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，有充分的能源供應(yīng)，保證了汽車的乘坐舒適性。在控制策略的作用下，輔助動(dòng)力可以向儲(chǔ)能裝置（一般為電池組）提供能量，從而保證混合動(dòng)力電動(dòng)汽車無(wú)需停車充電，因此可利用現(xiàn)有加油站，不需要進(jìn)行專用充電設(shè)施的建設(shè)。由于混合動(dòng)力汽車的電池組在使用過(guò)程中是淺充淺放，所以可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。2.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能量管理策略混合動(dòng)力電動(dòng)汽車具有兩個(gè)以上的動(dòng)力源，因此為了解決混合動(dòng)力汽車多動(dòng)力源所引起的模式切換和功率分配，需要引入一個(gè)能量管理系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的能量流動(dòng)進(jìn)行合理的分配。管理系統(tǒng)應(yīng)遵循選定的能量管理策略并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車要達(dá)到的目標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)達(dá)到的幾個(gè)主要設(shè)定目標(biāo)是：（1）使燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)；（2）使排放最低；（3）為了保持整車價(jià)格能夠被市場(chǎng)接受，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本最小化；在實(shí)現(xiàn)上述三點(diǎn)的同時(shí)，維持或者提高整車的性能（加速性能、續(xù)駛性能、操作靈活性等）。2.3混合動(dòng)力汽車分類及各類型的工作原理2.3.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)HYPERLINK串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車SHEV是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大動(dòng)力總成組成，它們采用“串聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動(dòng)力系統(tǒng)不需要工作，蓄電池輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器、傳動(dòng)軸及驅(qū)動(dòng)橋驅(qū)動(dòng)車輪。蓄電池組電量低于60%時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量的同時(shí)，還給蓄電池組進(jìn)行充電。當(dāng)車輛能量需求較大時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)與蓄電池組同時(shí)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量，發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姾碗姵剌敵龅闹绷麟娊?jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。2.3.2并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖3.1并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車HYPERLINK并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的組成1、發(fā)動(dòng)機(jī)2、電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)3、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)4、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)5、逆變器6、蓄電池組PHEV是由發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩大動(dòng)力總成組成。如上圖所示，它們采用“并聯(lián)”的方式組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，可分為：（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸處進(jìn)行組合；（2）在變速器（包括驅(qū)動(dòng)橋）處進(jìn)行組合；（3）在驅(qū)動(dòng)橋處進(jìn)行組合。上圖是一種電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力在驅(qū)動(dòng)輪處進(jìn)行組合的驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力組合式PHEV，其驅(qū)動(dòng)模式為：1）以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為基本驅(qū)動(dòng)模式，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)后驅(qū)動(dòng)輪；2）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為輔助驅(qū)動(dòng)模式，能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)前驅(qū)動(dòng)輪；3）在混合驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的后輪動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的前輪動(dòng)力進(jìn)行組合，成為混合四驅(qū)動(dòng)模式。2.3.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車（PSHEV）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖3.2混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的組成:1、發(fā)動(dòng)機(jī)2、電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)3、變速器或減速器4、驅(qū)動(dòng)橋5、逆變器6、電動(dòng)機(jī)7、蓄電池組PSHEV是綜合SHEV和PHEV結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組成的，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大動(dòng)力總成組成。電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力要與車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相適合，可以在變速器（包括驅(qū)動(dòng)橋）處進(jìn)行組合，也可以在驅(qū)動(dòng)輪處進(jìn)行組合。

第三章燃料電池電動(dòng)汽車3.1燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)以及特性分析燃料HYPERLINK電池十分復(fù)雜，涉及HYPERLINK化學(xué)熱力學(xué)、HYPERLINK電化學(xué)、HYPERLINK電催化、材料科學(xué)、HYPERLINK電力系統(tǒng)及自動(dòng)控制等學(xué)科的有關(guān)理論，具有發(fā)電HYPERLINK效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，HYPERLINK燃料電池具有以下特點(diǎn)：（1）HYPERLINK能量轉(zhuǎn)化效率高，他直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過(guò)燃燒HYPERLINK過(guò)程，因而不受HYPERLINK卡諾循環(huán)的限制。（2）有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低，HYPERLINKCO2排放因能量轉(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，無(wú)機(jī)械振動(dòng)。（3）燃料適用范圍廣。（4）積木化強(qiáng)、規(guī)模及安裝地點(diǎn)靈活，燃料電池電站占地面積小，建設(shè)周期短，電站功率可根據(jù)需要由電池堆組裝，十分方便。（5）負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高。燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。3.2燃料電池的簡(jiǎn)介能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有能源工業(yè)的發(fā)展就沒(méi)有現(xiàn)代文明。1839年HYPERLINK英國(guó)的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡(jiǎn)單的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了HYPERLINK倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于HYPERLINK發(fā)電機(jī)和電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國(guó)劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。60年代這種電池成功地應(yīng)用于HYPERLINK阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開(kāi)始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時(shí)，兆瓦級(jí)的HYPERLINK磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開(kāi)始，各種小功率電池在HYPERLINK宇航、HYPERLINK軍事、HYPERLINK交通等各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時(shí)，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（HYPERLINKAFC）、磷酸型燃料電池（HYPERLINKPAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。3.3燃料電池汽車的優(yōu)缺點(diǎn)燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）零排放或近似零排放。（2）減少了機(jī)油泄露帶來(lái)的水污染。（3）降低了溫室氣體的排放。（4）提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。（5）提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率。（6）運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)噪聲。3.4燃料電池的種類3.4.1固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來(lái)會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。3.4.2甲醇燃料電池HYPERLINK直接甲醇燃料電池是HYPERLINK質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預(yù)先重整。甲醇在陽(yáng)極轉(zhuǎn)換成二氧化碳，質(zhì)子和電子，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，質(zhì)子透過(guò)質(zhì)子交換膜在陰極與氧反應(yīng)，電子通過(guò)HYPERLINK外電路到達(dá)陰極，并做功。較其它電池能量轉(zhuǎn)化率高。直接甲醇燃料電池技術(shù)困難1.催化劑：采用貴金屬納米催化劑，成本高?；钚约胺€(wěn)定性達(dá)不到理想要求；2.質(zhì)子交換膜：杜邦公司Nafion膜甲醇透過(guò)很嚴(yán)重，造成燃料浪費(fèi)，陰極混合電位，性能下降；3.電池集成：針對(duì)DMFC的集成技術(shù)還不完善,這種電池的期望工作溫度為120℃，比標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。3.4.3甲烷燃料電池甲烷燃料電池是化學(xué)電池中的HYPERLINK氧化還原電池。燃料電池是燃料和氧化劑(一般是氧氣)在電極附近參與原電池反應(yīng)的化學(xué)電源。HYPERLINK甲烷（CH4）燃料電池就是用沼氣（主要成分為CH4）作為燃料的電池，與氧化劑O2反應(yīng)生成CO2和H2O.反應(yīng)中得失電子就可產(chǎn)生電流從而發(fā)電。美國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)出以甲烷等碳?xì)浠衔餅槿剂系男滦碗姵?其成本大大低于以氫為燃料的傳統(tǒng)燃料電池。燃料電池使用氣體燃料和氧氣直接反應(yīng)產(chǎn)生電能,其效率高、污染低,是一種很有前途的能源利用方式。但傳統(tǒng)燃料電池使用氫為燃料,而氫既不易制取又難以儲(chǔ)存,導(dǎo)致燃料電池成本居高不下?？蒲腥藛T曾嘗試用便宜的碳?xì)浠衔餅槿剂?但化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的殘?jiān)苋菀追e聚在鎳制的電池正極上,導(dǎo)致斷路。美國(guó)科學(xué)家使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極,解決了殘?jiān)e聚問(wèn)題。這種新電池能使用甲烷、乙烷、HYPERLINK甲苯、丁烯、丁烷等5種物質(zhì)作為燃料。3.4.4氫燃料電池氫燃料電池是使用HYPERLINK氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的HYPERLINK電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽(yáng)極，氫通過(guò)陰極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陽(yáng)極。 氫燃料電池的存在優(yōu)勢(shì)無(wú)污染：燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲(chǔ)能(蓄電池)方式－－最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會(huì)釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述,燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱。如果氫是通過(guò)HYPERLINK可再生能源產(chǎn)生的(光伏電池板、HYPERLINK風(fēng)能發(fā)電等),整個(gè)循環(huán)就是徹底的不產(chǎn)生有害物質(zhì)排放的過(guò)程。無(wú)噪聲：燃料電池運(yùn)行安靜，相當(dāng)于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內(nèi)安裝，或是在室外對(duì)噪聲有限制的地方。高效率：燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上,這是由燃料電池的轉(zhuǎn)換性質(zhì)決定的，直接將HYPERLINK化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,不需要經(jīng)過(guò)熱能和機(jī)械能(發(fā)電機(jī))的中間變換。3.4.5微生物燃料電池微生物燃料電池（MicrobialFuelCell，MFC）是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。3.4.6質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池-概述：質(zhì)子交換HYPERLINK膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由HYPERLINK陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為HYPERLINK氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，HYPERLINK陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極HYPERLINK電化學(xué)反應(yīng)的HYPERLINK催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一HYPERLINK直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

第四章純電動(dòng)汽車（EV）4.1純電動(dòng)汽車的特性分析4.1.1純電動(dòng)汽車的簡(jiǎn)介純電動(dòng)汽車（BEV）：由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電能來(lái)源于車載可充電蓄電池或其他能量?jī)?chǔ)存裝置。大部分車輛直接采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有一部分車輛把電動(dòng)機(jī)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，也有一部分直接以車輪作為四臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，其難點(diǎn)在于電力儲(chǔ)存技術(shù)。本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠(yuǎn)離人口密集的城市，對(duì)人類傷害較少，而且電廠是固定不動(dòng)的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關(guān)技術(shù)。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力、風(fēng)力、光、熱等，解除人們對(duì)石油資源日見(jiàn)枯竭的擔(dān)心。電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。有關(guān)研究表明，同樣的原油經(jīng)過(guò)粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車，其能量利用效率比經(jīng)過(guò)精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排放量，正是這些優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)汽車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個(gè)“熱點(diǎn)”。有專家認(rèn)為，對(duì)于電動(dòng)車而言，目前最大的障礙就是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及價(jià)格影響了產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程，與混合動(dòng)力相比，電動(dòng)車更需要基礎(chǔ)設(shè)施的配套，而這不是一家企業(yè)能解決的，需要各企業(yè)聯(lián)合起來(lái)與當(dāng)?shù)卣块T一起建設(shè)，才會(huì)有大規(guī)模推廣的機(jī)會(huì)。4.1.2純電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。純電動(dòng)車省去了油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)和控制器的成本更低，且純電動(dòng)車能量轉(zhuǎn)換效率更高。因電動(dòng)車的能量來(lái)源——電，來(lái)自大型發(fā)電機(jī)組，其效率是小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)甚至混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)所無(wú)法比擬的。因此純電動(dòng)汽車使用成本在下降。純電動(dòng)汽車以電動(dòng)機(jī)代替燃油機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)而無(wú)需自動(dòng)變速箱。相對(duì)于自動(dòng)變速箱，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠。在純電動(dòng)車行駛過(guò)程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪聲低。缺點(diǎn)：目前蓄電池單位重量?jī)?chǔ)存的能量太少，其次電動(dòng)車的電池較貴，又沒(méi)形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模，故購(gòu)買價(jià)格較貴，至于使用成本、使用價(jià)格比汽車貴，不過(guò)有些價(jià)格僅為汽車的1/3，這主要取決于電池的壽命及當(dāng)?shù)氐挠?、電價(jià)格。汽車動(dòng)力電池難在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”與混合動(dòng)力汽車相比，純電動(dòng)車使用單一能源，使電控系統(tǒng)大大減少，汽車內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，也降低了機(jī)械部件摩擦導(dǎo)致的能量損耗及噪聲，節(jié)省了汽車內(nèi)部空間，減輕了重量。4.2純電動(dòng)汽車蓄電池的簡(jiǎn)介蓄電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉。目前，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動(dòng)力蓄電池不理想。電動(dòng)汽車蓄電池的主要性能指標(biāo)是比能量、比功率和使用壽命等。要使電動(dòng)汽車能與內(nèi)燃機(jī)汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的蓄電池。4.2.1蓄電池結(jié)構(gòu)圖鉛酸密封蓄電池由正、負(fù)極板、隔板和電解液、電池槽及連接條(或鉛零件)、接線端子和排氣閥等組成。如圖4.1、圖4.2所示：圖4.1蓄電池結(jié)構(gòu)圖4.2蓄電池實(shí)體一只蓄電池一般由3個(gè)單格(6V電池)或6個(gè)單格(12V電池)組合而成。每個(gè)單格由若干片正極板與若干片負(fù)極板(負(fù)極板比正極板多一片)，間隔重疊而成，中間用超細(xì)玻璃纖維隔板隔離。數(shù)片正極板用鉛合金焊接在一起組成正極群，同樣數(shù)片負(fù)極板用鉛合金焊接在一起組成負(fù)極群，正、負(fù)極群裝于電池槽內(nèi)組成單體蓄電池。單體電池之間用鉛零件或連接條從單格之間的電池槽隔板頂端以串聯(lián)形式連在一起。電池槽蓋用密封膠粘結(jié)。首尾單格作引出端子，引出正負(fù)極。4.2.2蓄電池主要部件極板是蓄電池的核心部件，被譽(yù)為蓄電池的“心臟”。目前電動(dòng)助力車電池絕大多數(shù)采用涂膏式正、負(fù)極板。隔板被譽(yù)為蓄電池第三電極。它用以隔離正、負(fù)極，防止短路。作為電解液的載體，它能夠吸收大量電解液，起到離子良好擴(kuò)散(離子導(dǎo)電)的作用。對(duì)密封蓄電池而言，隔板還作為正極板產(chǎn)生氧氣到達(dá)負(fù)極板的通道，使其順利地建立氧循環(huán)，減少水損失。采用超細(xì)玻璃纖維讓隔板式蓄電池實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的關(guān)鍵。電解液主要由純水與硫酸組成，配以一些添加劑混合而成。主要作用：一是參與電化學(xué)反應(yīng)，是蓄電池活性物質(zhì)之一；二是起導(dǎo)電作用，蓄電池使用時(shí)通過(guò)電解液中離子遷移，起到導(dǎo)電作用，使電化學(xué)反應(yīng)得以順利進(jìn)行。安全閥是蓄電池的關(guān)鍵部件之一，它位于蓄電池頂部，作用有三個(gè)：安全使用。即當(dāng)蓄電池使用過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生氣體氣壓達(dá)到安全閥壓時(shí)，開(kāi)閥將壓力釋放，防止產(chǎn)生電池變形、破裂等發(fā)生。密封作用。當(dāng)蓄電池內(nèi)壓低于安全閥的閉閥壓時(shí)安全閥關(guān)閉，防止內(nèi)部氣體酸霧往外泄漏，同時(shí)也防止空氣進(jìn)入電池造成不良影響。保證蓄電池有一定內(nèi)壓，促進(jìn)蓄電池內(nèi)氧復(fù)合，減少失水。防爆作用。某些安全閥裝有防酸、爆片。安全閥結(jié)構(gòu)類型較多，主要有帽式、傘狀、片狀等幾種。帽式閥技術(shù)比較成熟，閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝也比較簡(jiǎn)單，使用故障率低。但閥的開(kāi)啟壓力和關(guān)閉壓力變化范圍較大，開(kāi)閉閥壓重現(xiàn)性差，這是閥與閥座配合狀態(tài)不易完全恢復(fù)所致，安裝時(shí)可采取專用工具將閥帽定位安裝，使閥帽頂面與頂部蓋片靠緊，予以解決(開(kāi)關(guān)閥壓力測(cè)試時(shí)也需采取定位安裝方法)。安裝配合尺寸對(duì)閥的開(kāi)閉閥壓影響較大，需采取提高配合精度的措施。在電動(dòng)車電池上使用，因電解液濃度高，還時(shí)有粘連的缺陷，必須采取表面浸漬特殊油的辦法，起防酸、防老化腐蝕作用。傘狀閥與閥座接觸方向與帽式閥不同，開(kāi)閥壓較低，開(kāi)閥壓重現(xiàn)性較好，可靠性較高。4.3蓄電池的種類蓄電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉。目前，制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動(dòng)力蓄電池不理想。電動(dòng)汽車蓄電池的主要性能指標(biāo)是比能量、比功率和使用壽命等。要使電動(dòng)汽車能與內(nèi)燃機(jī)汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的蓄電池。4.3.1鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)力源。它也是成熟的電動(dòng)汽車蓄電池，目前約有80％－90％的采用率。它可靠性好、原材料易得、價(jià)格便宜，比功率也基本上能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求。但它有兩大缺點(diǎn)：一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過(guò)高。主要特性:1)安全密封:在正常操作中，電解液不會(huì)從電池的端子或外殼中泄露出。2)沒(méi)有自由酸:特殊的吸液隔板將酸保持在內(nèi)，電池內(nèi)部沒(méi)有自由酸液，因此電池可放置在任意位置。3)泄氣系統(tǒng):電池內(nèi)壓超出正常水平后，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池會(huì)放出多余氣體并自動(dòng)重新密封，保證電池內(nèi)沒(méi)有多余氣體。4)維護(hù)簡(jiǎn)單:由于獨(dú)一無(wú)二的氣體復(fù)合系統(tǒng)使產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化成水，在使用VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池的過(guò)程中不需要加水。5)使用壽命長(zhǎng):采用了有抗腐蝕結(jié)構(gòu)的鉛鈣合金欄板VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池可浮充使用10-15年。6)質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高:采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制系統(tǒng)，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠。電壓、容量和密封在線上進(jìn)行100%檢驗(yàn)。我們常用的鉛酸HYPERLINK蓄電池主要分為三類,分別為普通蓄電池、HYPERLINK干荷蓄電池和HYPERLINK免維護(hù)蓄電池三種。1）普通蓄電池；普通蓄電池的極板是由鉛和鉛的氧化物構(gòu)成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定、價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是比能低(即每公斤蓄電池存儲(chǔ)的電能)、使用壽命短和日常維護(hù)頻繁。2）干荷蓄電池：它的全稱是干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點(diǎn)是HYPERLINK負(fù)極板有較高的儲(chǔ)電能力，在完全干燥狀態(tài)下，能在兩年內(nèi)保存所得到的電量，使用時(shí)，只需加入電解液，等過(guò)20—30分鐘就可使用。3）免維護(hù)蓄電池：免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。市場(chǎng)上的免維護(hù)蓄電池也有兩種：第一種在購(gòu)買時(shí)一次性加電解液以后使用中不需要維護(hù)(添加補(bǔ)充液)；另一種是電池本身出廠時(shí)就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶根本就不能加補(bǔ)充液.4.3.2鎳鎘蓄電池目前，鎳鎘蓄電池的應(yīng)用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池其比能量可達(dá)55W·h/kg，比功率超過(guò)190W/kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長(zhǎng)，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達(dá)到2000多次，但價(jià)格為鉛酸蓄電池的4－5倍。它的初期購(gòu)置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢(shì)，因此其長(zhǎng)期的實(shí)際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環(huán)境污染。4.3.3鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池和鎳鎘蓄電池一樣，也屬于堿性電池，其特性和鎳鎘蓄電池相似，不過(guò)鎳氫蓄電池不含鎘、銅，不存在重金屬污染問(wèn)題。目前生產(chǎn)電動(dòng)汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovonie公司，它現(xiàn)有80A·h和130A·h兩種單元電池，并由此構(gòu)成30kw·h和50kw·h兩種規(guī)格的電池。其比能量達(dá)75-80W·h/kg，比功率達(dá)160-230W/kg，循環(huán)使用壽命超過(guò)600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動(dòng)汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛345km，有一輛車一年中行駛了8萬(wàn)多公里。由于價(jià)格較高，目前尚未大批量生產(chǎn)。估計(jì)隨著鎳氫蓄電池技術(shù)的發(fā)展，其比能量可超過(guò)80w·h/kg，循環(huán)使用壽命可超過(guò)2000次，遠(yuǎn)景價(jià)格可降至150美元/Kw·h。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動(dòng)汽車優(yōu)先考慮蓄電池。4.3.4鈉硫蓄電池鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車蓄電池，美國(guó)福特汽車公司的Mnivan電動(dòng)汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體（USMABC）列為中期發(fā)展的電動(dòng)汽車蓄電池，德國(guó)ABB公司生產(chǎn)的B240K型鈉硫蓄電池，其質(zhì)量為17.5kg，蓄電量19.2Kw·h，比能量達(dá)109W·h/kg，循環(huán)使用壽命1200次，裝車試驗(yàn)時(shí)最好的一輛車無(wú)故障地行駛了2300km。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴(yán)重，電池壽命較短，性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問(wèn)題。4.3.5鋰離子電池鋰離子電池是在鋰電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型電池。作為一種小型輕量、高容量、對(duì)環(huán)境安全的新型電池,鋰離子電池主要用于便攜式攝放一體機(jī)、CD游戲機(jī)、移動(dòng)電話機(jī)、筆記本電腦等家用小型電器設(shè)備,隨著這些電器的迅速發(fā)展,鋰離子電池的生產(chǎn)及需求量也會(huì)與日俱增。磷酸鐵鋰電池于1997年由美國(guó)德克薩斯州大學(xué)JohnGoodenough教授的研究小組最早發(fā)明，發(fā)明之初并沒(méi)有得到太多的關(guān)注。2006年春天，全球最大的電動(dòng)手工具大廠Black&Decker推出一款電壓為36V的無(wú)電線新型電動(dòng)手工具，這款工具的特點(diǎn)是采用了可lh高速充電、具有強(qiáng)大的功率性能、高安全性及2000次以上循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池，電池由A123公司提供。這款產(chǎn)品的熱賣引起許多相關(guān)業(yè)者的關(guān)注，包括磷酸鐵鋰電池的專利擁有者一一美國(guó)德州大學(xué)。由于磷酸鐵鋰具有安全、穩(wěn)定性高，環(huán)保、原料無(wú)毒，價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為未來(lái)鋰離子電池的發(fā)展方向。4.3.6鋅空氣電池鋅空氣電池的潛在比能量在200W·h/kg左右。美國(guó)DEMI公司為電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的鋅空氣電池的比能量已達(dá)160W·h/kg左右。但它目前尚存在壽命短、比功率小、不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。美國(guó)的CRX電動(dòng)汽車裝的就是鋅空氣電池，該車為彌補(bǔ)它的不足，還裝有鎳鎘蓄電池以幫助汽車起動(dòng)和加速CRX車的鋅空氣電池組質(zhì)量為340kg，充足電后可存儲(chǔ)45kw·h的能量，同時(shí)裝備CRX的重達(dá)159kg的鎳鎘蓄電池充足電后有4kw·h能量。充電12分鐘可使CRX電動(dòng)汽車行駛65km，充電一小時(shí)則可行駛160km。4.3.7飛輪電池飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。眾所周知，當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池充電增加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃涔δ?；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能（動(dòng)能）到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池供出電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能可達(dá)150W·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年，可供電動(dòng)汽車行駛500萬(wàn)公里。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛600km，由0到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。4.3.8燃料電池燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不經(jīng)歷熱機(jī)過(guò)程，不受熱力循環(huán)限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達(dá)100％，實(shí)際效率已達(dá)60％－80％，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2－3倍。現(xiàn)在應(yīng)用于電動(dòng)汽車中的燃料電池是一種被稱為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。在1993年加拿大溫哥華科技展覽會(huì)上，加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一輛以PEMFC電池為動(dòng)力的電動(dòng)公共汽車，載客20人，可行駛160km，最高速度72.2km/h。德國(guó)奔馳汽車公司也研制了以PEMFC電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車。4.3.9太陽(yáng)能蓄電池太陽(yáng)能作為一種新型清潔能源備受環(huán)保人士的推崇，但“月有陰晴圓缺，天有刮風(fēng)下雨”，在沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)，又該怎么辦呢？太陽(yáng)能蓄電池就是為了這種情況而存在的。光伏離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是利用光電效應(yīng)原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，通常由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成。計(jì)劃，太陽(yáng)能電池組件的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，供給負(fù)載工作或給蓄電池組充電;控制器的作用是對(duì)蓄電池組的充放電進(jìn)行保護(hù);蓄電池組用于存儲(chǔ)電能;逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽(yáng)電池組件無(wú)法工作時(shí)，由蓄電池組供電給負(fù)載工作。蓄電池的工作方式可分為循環(huán)使用和浮充使用兩種。經(jīng)常處于頻繁的充放電工作狀態(tài)，即循環(huán)使用;經(jīng)常處于充電狀態(tài)則為浮充使用，能彌補(bǔ)蓄電池因自放電而造成的容量損失。光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池屬于循環(huán)使用方式。4.4動(dòng)力電池的工作原理4.4.1鉛酸電池的工作原理圖4.3鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)原理圖鉛酸蓄電池主要由正極極群、負(fù)極極群、電解液和容器組成。它的正極是PbO2，負(fù)極是金屬Pb，正負(fù)極板放在硫酸的水溶液。鉛酸蓄電池單體工作電壓2V，工作電壓范圍為1.7～2.2V,最佳放電電流為2C。鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)--氫氧化鉛（Pb(OH)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（Pb4）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（Pb2），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（2e）?？梢?jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子。鉛蓄電池內(nèi)的陽(yáng)極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會(huì)產(chǎn)生2V的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電，則陰陽(yáng)極及電解液即會(huì)發(fā)生如下的變化：(陽(yáng)極)(電解液)(陰極)PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4(放電反應(yīng))(過(guò)氧化鉛)(硫酸)(海綿狀鉛)(陽(yáng)極)(電解液)(陰極)PbSO4+2H2O+PbSO→PbO2+2H2SO4+Pb(充電反應(yīng))(硫酸鉛)(水)(硫酸鉛)鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù)載進(jìn)入正極板形成電流I。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子（Pb2）與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板的鉛離子（Pb4）得到來(lái)自負(fù)極的兩個(gè)電子（2e）后，變成二價(jià)鉛離子（Pb2），與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板水解出的氧離子（O-2）與電解液中的氫離子（H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的作用下分別移向電池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。放電時(shí)H2SO4濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內(nèi)阻增大（硫酸鉛不導(dǎo)電），電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢(shì)降低。充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電器或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來(lái)的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于外電源不斷從正極吸取電子，則正極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2）不斷放出兩個(gè)電子來(lái)補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛離子（Pb4），并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（Pb2）和硫酸根負(fù)離子（SO4-2），由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離的二價(jià)鉛離子（Pb2）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（H）和硫酸根離子（SO4-2），負(fù)極不斷產(chǎn)生硫酸根離子（SO4-2），在電場(chǎng)的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離子向正極移動(dòng)，形成電流。4.4.2鎳鎘蓄電池的工作原理4.4鎳鎘蓄電池4.5鎳鎘蓄電池的充電示意圖鎳鎘蓄電池的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由鎘制成的一種堿性HYPERLINK蓄電池。正極為氫氧化鎳，負(fù)極為鎘，電解液是氫氧化鉀溶液，充電、放電的化學(xué)反應(yīng)是：放電反應(yīng)式：負(fù)極反應(yīng)：Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e-正極反應(yīng)：2e-+NiO2+2H2O→Ni(OH)2+2OH-反應(yīng)：Cd+NiO2+2H2O→Cd(OH)2+Ni(OH)2充電反應(yīng)式：正極反應(yīng)：Ni(OH)2+2OH-→2e-+NiO2+2H2O負(fù)極反應(yīng)：Cd(OH)2+2e-→Cd+2OH-總反應(yīng)：Cd(OH)2+Ni(OH)2→Cd+NiO2+2H2O蓄電池充電終了時(shí)，充電電流將使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng)，在正、負(fù)極板上將分別有大量氧氣和氫氣析出。從上述電極反應(yīng)可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反應(yīng)，只起導(dǎo)電作用。從電池反應(yīng)來(lái)看，充電過(guò)程中生成水分子，放電過(guò)程中消耗水分子，因此充、放電過(guò)程中電解液濃度變化很小，不能用密度計(jì)檢測(cè)充放電程度。鎳鎘電池可重復(fù)500次以上的充放電，經(jīng)濟(jì)耐用。其內(nèi)部抵制力小，既內(nèi)阻很小，可快速充電，又可為負(fù)載提供大電流，而且放電時(shí)電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。與其它類型的電池比較，鎳鎘電池可耐過(guò)充電或過(guò)放電。鎳鎘電池的放電電壓根據(jù)其放電裝置有所差異，每個(gè)單元電池(Cell)大約是1.2V，電池容量單位為Ah(HYPERLINK安時(shí))、mAh(HYPERLINK毫安時(shí))，放電終止電壓的極限值稱為“放電終止電壓”，鎳鎘電池的放電終止電壓為1.0/cell(cell為每一單元電池)。自放電率低，鎳鎘電池在長(zhǎng)時(shí)間放置的情況下，特性也不會(huì)劣化，充分充電后可完全恢復(fù)原來(lái)的特性，它可在－20℃+60℃的溫度范圍內(nèi)使用。由于單元電池采用金屬容器，堅(jiān)固耐用；采用完全密封的方式，不會(huì)出現(xiàn)電解液泄漏現(xiàn)象，故無(wú)須補(bǔ)充電解液。提高電池性能及延長(zhǎng)電池使用壽命的關(guān)鍵在于避免記憶效應(yīng)和過(guò)度放電。鎳鎘電池有記憶效應(yīng)，即鎳鎘電在幾次低容量下的充放電工作之后。如果要進(jìn)行一次較大容量的充放電，電池將無(wú)法正常工作，這種情況即為記憶效應(yīng)(Memoryeffect)。記憶效應(yīng)使得放電終止電壓被設(shè)定的較高的錄像機(jī)、攝像機(jī)上，隨著工作電壓的降低，電池容量表面上也隨著降低，但放電電壓的降低可能是一至二次完全放電而造成的暫時(shí)現(xiàn)象。記憶效應(yīng)使得電池的性能不能得到充分發(fā)揮，也給拍攝帶來(lái)極大的不便。因此，在使用中應(yīng)注意使用帶充放電性能的充電器，如Sony公司的BC－1WDCE，避免記憶效應(yīng)的產(chǎn)生，使用一般充電器的如BC－1WA、BC－1WB時(shí)，可在10次左右的充電以后進(jìn)行一次放電，也可以達(dá)到防止記憶效應(yīng)的目的。鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)：①活性物質(zhì)的數(shù)量；②放電率；③電解液。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。使用不同成分的電解液，對(duì)蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實(shí)驗(yàn)證明：每升電解液中加入15~20g含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可提高4%~5%，在40℃時(shí)，容量可提高20%。然而，電解液中鋰離子的含量過(guò)多，不僅使電解液的電阻增大，還會(huì)使殘留在正極板上的鋰離子（Li+）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對(duì)正極的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。電解液的溫度對(duì)蓄電池的容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時(shí)容易結(jié)晶，堵塞極板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負(fù)極板作用，生成碳酸鎘附著在負(fù)極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降。4.4.3鎳氫蓄電池的工作原理4.6鎳氫蓄電池的結(jié)構(gòu)原理圖鎳氫蓄電池是正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由貯氫合金制成的一種HYPERLINK堿性HYPERLINK蓄電池。目前，鎳鎘蓄電池的應(yīng)用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池其比能量可達(dá)55W·h/kg，比功率超過(guò)190W/kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長(zhǎng)，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達(dá)到2000多次，但價(jià)格為鉛酸蓄電池的4－5倍。它的初期購(gòu)置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優(yōu)勢(shì)，因此其長(zhǎng)期的實(shí)際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環(huán)境污染。電化學(xué)原理主要為KOH作電解液（電解質(zhì)7moL/LKOH+15g/LLiOH）充電時(shí)正極反應(yīng)：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-HYPERLINK負(fù)極反應(yīng)：M+H2O+e-→MH+OH-總反應(yīng)：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放電時(shí)正極：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-負(fù)極：MH+OH-→M+H2O+e-總反應(yīng)：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2以上式中M為儲(chǔ)氫合金，MH為吸附了HYPERLINK氫原子的儲(chǔ)氫合金。最常用儲(chǔ)氫合金為L(zhǎng)aNi5。鎳鎘電池NiCd電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和HYPERLINK石墨粉組成，石墨不參加化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是增強(qiáng)導(dǎo)電性。負(fù)極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，防止結(jié)塊，并增加極板的容量?；钚晕镔|(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負(fù)極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開(kāi)。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其它電池相比，NiCd電池的自放電率(即電池不使用時(shí)失去電荷的速率)適中。NiCd電池在使用過(guò)程中，如果放電不完全就又充電，下次再放電時(shí)，就不能放出全部電量。比如，放出80%電量后再充足電，該電池只能放出80%的電量。這就是所謂的記憶效應(yīng)。當(dāng)然，幾次完整的放電/充電循環(huán)將使NiCd電池恢復(fù)正常工作。由于NiCd電池的記憶效應(yīng)，若未完全放電，應(yīng)在充電前將每節(jié)電池放電至1V以下。鎳氫電池NiMH電池正極板材料為NiOOH，負(fù)極板材料為吸氫合金。電解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。HYPERLINK隔膜采用多孔維尼綸無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布等。NiMH電池有圓柱形和方形兩種。圓柱形密封NiMH電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。iMH電池具有較好的低溫放電特性，即使在－20℃環(huán)境溫度下，采用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能達(dá)到標(biāo)稱容量的85%以上。但是，NiMH電池在高溫(+40℃以上)時(shí)，蓄電容量將下降5～10%。這種由于自放電(溫度越高，自放電率越大)而引起的容量損失是可逆的，幾次充放電循環(huán)就能恢復(fù)到最大容量。NiMH電池的開(kāi)路電壓為1.2V，與NiCd電池相同。NiCd/NiMH電池的充電過(guò)程非常相似，都要求恒流充電。兩者的差別主要在快速充電的終止檢測(cè)方法上，以防止電池過(guò)充電。充電器對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，同時(shí)檢測(cè)電池的電壓和其它參數(shù)。當(dāng)電池電壓緩慢上升達(dá)到一個(gè)峰值，對(duì)NiMH電池快速充電終止，而NiCd電池則當(dāng)電池電壓第一次下降了一個(gè)－△V時(shí)終止快速充電。為避免損壞電池，電池溫度過(guò)低時(shí)不能開(kāi)始快速充電，電池溫度Tmin低于10℃時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)入涓流充電方式。而電池溫度一旦達(dá)到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電。4.4.4鈉硫蓄電池的工作原理鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車蓄電池，美國(guó)福特汽車公司的Mnivan電動(dòng)汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體（USMABC）列為中期發(fā)展的電動(dòng)汽車蓄電池，德國(guó)ABB公司生產(chǎn)的B240K型鈉硫蓄電池，其質(zhì)量為17.5kg，蓄電量19.2Kw·h，比能量達(dá)109W·h/kg，循環(huán)使用壽命1200次，裝車試驗(yàn)時(shí)最好的一輛車無(wú)故障地行駛了2300km。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴(yán)重，電池壽命較短，性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問(wèn)題。鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)組成的，構(gòu)成其負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極的活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導(dǎo)電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導(dǎo)鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。鈉硫電池具有許多特色之處：一個(gè)是比能量(即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量)高。其理論比能量為760Wh/Kg，實(shí)際已大于100Wh/Kg，是鉛酸電池的3-4倍；另一個(gè)是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達(dá)200-300mA/cm2，并瞬時(shí)間可放出其3倍的固有能量；再一個(gè)是充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì)，所以沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎100％。當(dāng)然，事物總是一分為二的，鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300-350℃，所以，電池工作時(shí)需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術(shù)，可有效地解決這一問(wèn)題。鈉硫電池作為新型化學(xué)電源家族中的一個(gè)新成員出現(xiàn)后，已在世界上許多國(guó)家受到極大的重視和發(fā)展。由于鈉硫電池具有高能電池的一系列誘人特點(diǎn)，所以一開(kāi)始不少國(guó)家就首先紛紛致力于發(fā)展其作為電動(dòng)汽車用的動(dòng)力電池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但隨著時(shí)間的推移表明，鈉硫電池在移動(dòng)場(chǎng)合下(如電動(dòng)汽車)使用條件比較苛刻，無(wú)論從使用可提供的空間、電池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初開(kāi)始，國(guó)外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場(chǎng)合下(如電站儲(chǔ)能)應(yīng)用，并越來(lái)越顯示其優(yōu)越性。如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司合作開(kāi)發(fā)鈉硫電池作為儲(chǔ)能電池，其應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平(即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲(chǔ)在電池里，到白天用電高峰時(shí)再?gòu)碾姵刂嗅尫懦鰜?lái))、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等，并于2002年開(kāi)始進(jìn)入商品化實(shí)施階段，已建成世界上最大規(guī)模(8MW)的儲(chǔ)能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統(tǒng)計(jì)，年產(chǎn)鈉硫電池電池量已超過(guò)100MW，同時(shí)開(kāi)始向海外輸出。4.4.5子電池的工作原理4.7鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的HYPERLINK電池。是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列：1）正HYPERLINK極——活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，現(xiàn)在又出現(xiàn)了鎳鈷錳酸鋰材料，電動(dòng)自行車則普遍用鎳鈷錳酸鋰（俗稱三元）或者三元+少量錳酸鋰，純的錳酸鋰和HYPERLINK磷酸鐵鋰則由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出。導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔（2）HYPERLINK隔膜——一種特殊的金屬?gòu)?fù)合膜，可以讓離子和電子自由通過(guò)（3）負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔（4）有機(jī)電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用HYPERLINK凝膠狀電解液（5）電池外殼——分為鋼殼（現(xiàn)在方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（HYPERLINK圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端鋰電池的工作原理當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過(guò)程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過(guò)大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿。正極正極材料：如上文所述，可選的正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。充電時(shí)：LiFePO→Li-xFePO+xLi+xe放電時(shí)：Li1-xFePO+xLi+xe→LiFePO負(fù)極負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。充電時(shí)：xLi+xe+6C→LixC6放電時(shí)：LixC6→xLi+xe+6C主要優(yōu)點(diǎn)1）電壓高:單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍2）比能量大:目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。3）循環(huán)壽命長(zhǎng):一般均可達(dá)到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對(duì)于小電流放電的HYPERLINK電器,電池的使用期限，將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力。4）安全性能好:無(wú)公害，無(wú)HYPERLINK記憶效應(yīng).作為L(zhǎng)i-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路，縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問(wèn)題。5）自放電小:室溫下充滿電的Li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。6)可快速充放電:1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。7)工作溫度范圍高:工作溫度為-25~45°C，隨著HYPERLINK電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。新發(fā)展1）聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池是在液態(tài)鋰離子電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，以HYPERLINK導(dǎo)電材料為正極，碳材料為負(fù)極，電解質(zhì)采用固態(tài)或凝膠態(tài)有機(jī)導(dǎo)電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝的最新一代可充鋰離子電池。由于性能的更加穩(wěn)定，因此它也被視為液態(tài)鋰離子電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。目前很多企業(yè)都在開(kāi)發(fā)這種HYPERLINK新型電池。2）動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，動(dòng)力鋰離子電池是指容量在3AH以上的鋰離子電池，目前則泛指能夠通過(guò)放電給設(shè)備、器械、模型、車輛等驅(qū)動(dòng)的鋰離子電池，由于使用對(duì)象的不同，電池的容量可能達(dá)不到單位AH的級(jí)別。動(dòng)力鋰離子電池分高容量和高HYPERLINK功率兩種類型。高容量電池可用于電動(dòng)工具、自行車、滑板車、礦燈、醫(yī)療器械等；高功率電池主要用于HYPERLINK混合動(dòng)力汽車及其它需要大電流充放電的場(chǎng)合。根據(jù)內(nèi)部材料的不同，動(dòng)力鋰離子電池相應(yīng)地分為液態(tài)動(dòng)力鋰離子電池和聚合物理離子動(dòng)力電池兩種，統(tǒng)稱為動(dòng)力鋰離子電池。3）高性能鋰電池為了突破傳統(tǒng)鋰電池的儲(chǔ)電瓶頸，研制一種能在很小的儲(chǔ)電單元內(nèi)儲(chǔ)存更多電力的全新鐵碳儲(chǔ)電材料。但是此前這種材料的明顯缺點(diǎn)是充電周期不穩(wěn)定，在電池多次充放電后儲(chǔ)電能力明顯下降。為此，改用一種新的合成方法。他們用幾種原始材料與一種鋰鹽混合并加熱，由此生成了一種帶有含碳納米管的全新納米結(jié)構(gòu)材料。這種方法在納米尺度材料上一舉創(chuàng)建了儲(chǔ)電單元和導(dǎo)電電路。目前這種穩(wěn)定的鐵碳材料的儲(chǔ)電能力已達(dá)到現(xiàn)有儲(chǔ)電材料的兩倍，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，而其高性能可以保持很長(zhǎng)時(shí)間。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的馬克西米利安·菲希特納博士說(shuō)，如果能夠充分開(kāi)發(fā)這種新材料的潛力，將來(lái)可以使鋰離子電池的儲(chǔ)電密度提高5倍。4.4.6鋅空氣電池的工作原理4.8鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)圖鋅空氣電池（zincairbattery），用HYPERLINK活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質(zhì)，以鋅為負(fù)極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質(zhì)的一種HYPERLINK原電池。又稱鋅氧電池。分為中性和堿性兩個(gè)體系的鋅空氣電池，分別用字母A和P表示，其后再用數(shù)字表示電池的型號(hào)。鋅空氣電池都充電過(guò)程進(jìn)行得十分緩慢，為解決這一問(wèn)題，通常鋅空氣電池鋅空氣電池的負(fù)極鋅板或鋅粒，被氧化成氧化鋅而失效后，一般采用直接更換鋅板或鋅粒和電解質(zhì)的方法，使鋅空氣電池得到完全更新。放電時(shí)正、負(fù)極和總反應(yīng)的化學(xué)方程式為化學(xué)方程式負(fù)極：Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ正極：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ總反應(yīng)：2Zn+O2=2ZnO電池類型主要有4種類型。①中性鋅空氣電池:結(jié)構(gòu)與鋅錳圓筒形電池的類同，也采用氯化銨與氯化鋅為電解質(zhì)，只是在炭包中以活性炭代替了二氧化錳，并在蓋上或周圍留有通氣孔，在使用時(shí)打開(kāi)；②紐扣式鋅空氣電池：結(jié)構(gòu)與HYPERLINK鋅銀扣式電池基本相同，但在正極外殼上留有小孔，使用時(shí)可打開(kāi)；③低功率大荷電量的鋅空氣濕電池：將燒結(jié)或粘接式活性炭電極和板狀鋅電極組合成電極組浸入盛有氫氧化鈉溶液的容器中（見(jiàn)圖）；④高功率鋅空氣電池：一般是將薄片狀粘結(jié)式活性炭電極裝在電池外壁上，將鋅粉電極裝在電池中間，兩者之間用吸液的隔膜隔離，上口裝有注液塞。使用時(shí)注入氫氧化鉀溶液。這種電池便于攜帶。低功率鋅空氣濕電池和高功率鋅空氣電池屬于臨時(shí)激活型，活性炭電極能反復(fù)使用，因而電池在耗盡電荷量以后，只要更換鋅電極和堿液，就可重復(fù)使用鋅空氣電池原理鋅空氣電池的電化學(xué)反應(yīng)如下：在中性溶液中：2Zn+4NH4Cl+O2→2Zn(NH3)2Cl2+2H2O在堿性溶液中：2Zn+2NaOH+O2→2NaHZnO2性能特征和用途鋅空氣電池的電壓為1.4V左右，放電電流受活性炭電極吸附氧及擴(kuò)散速度的制約。每一型號(hào)的電池有其最佳使用電流值，超過(guò)極限值時(shí)活性炭電極會(huì)迅速劣化。電池的荷電量一般比同體積的鋅錳電池大3倍以上。大型鋅空氣電池的電荷量一般在500～2000Ah，主要用于鐵路和航海燈標(biāo)裝置上。紐扣形鋅空氣電池的電荷量在200～400mAh，已廣泛用于助聽(tīng)器中。4.4.7飛輪電池的工作原理4.9飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理圖飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。眾所周知，當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃涔δ?；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能（動(dòng)能）到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池發(fā)出電的時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達(dá)150W·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年，可供電動(dòng)汽車行駛500萬(wàn)公里。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛600km，由到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。工作原理何謂飛輪儲(chǔ)能電池飛輪儲(chǔ)能電池系統(tǒng)包括三個(gè)核心部分：一個(gè)飛輪，電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能（機(jī)械能），當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電力電子變換裝置變成負(fù)載所需要的各種頻率、電壓等級(jí)的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨(dú)立的，設(shè)計(jì)時(shí)常將電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)用一臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，輸入輸出變換器也合并成一個(gè)，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時(shí)由于在實(shí)際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無(wú)法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強(qiáng)，進(jìn)一步減少了整個(gè)系統(tǒng)的重量，同時(shí)，為了減少充放電過(guò)程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機(jī)和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機(jī)械摩擦；同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達(dá)95%左右。實(shí)際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個(gè)電池裝置的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量由公式E=jw^2決定。式中j為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)；為飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度。電力電子變換器通常是由MOSFET和IGBT組成的雙向逆變器，它們的原理不再敘述，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。優(yōu)點(diǎn)飛輪電池兼顧了化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲(chǔ)能裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：(1)能量密度高：儲(chǔ)能密度可達(dá)100～200wh/kg，功率密度可達(dá)5000～lO000w/kg。(2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作效率高達(dá)百分之90。(3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。(4)HYPERLINK工作溫度范圍寬：對(duì)環(huán)境溫度沒(méi)有嚴(yán)格要求。(5)使用壽命長(zhǎng)：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬(wàn)次運(yùn)行，預(yù)期壽命20年以上。(6)低損耗、低維護(hù)：磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，HYPERLINK系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)。4.4.8燃料電池的工作原理由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此，它沒(méi)有像通常的火力發(fā)電機(jī)那樣通過(guò)鍋爐、HYPERLINK汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可以避免中間的轉(zhuǎn)換的損失，達(dá)到很高的發(fā)電效率。同時(shí)還有以下一些特點(diǎn)：不管是滿負(fù)荷還是部分負(fù)荷均能保持高發(fā)電效率；不管裝置規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率；具有很強(qiáng)的過(guò)負(fù)載能力；通過(guò)與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；發(fā)電出力由電池堆的出力和組數(shù)決定，機(jī)組的容量的自由度大；電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好，用于電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)于其他發(fā)電方式；用天然氣和HYPERLINK煤氣等為燃料時(shí)，NOX及SOX等排出量少，環(huán)境相容性優(yōu)。如此由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電力工業(yè)具有極大的吸引力。燃料電池按其工作溫度是不同，把堿性燃料電池（AFC，工作溫度為100℃）、固體高分子型HYPERLINK質(zhì)子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi)）和磷酸型燃料電池（PAFC，工作溫度為200℃）稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC，工作溫度為650℃）和固體氧化型燃料電池（SOFC，工作溫度為1000℃）稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開(kāi)發(fā)早晚順序進(jìn)行的，把PAFC稱為第一代燃料電池，把MCFC稱為第二代燃料電池，把SOFC稱為第三代燃料電池。這些電池均需用HYPERLINK可燃?xì)怏w作為其發(fā)電用的燃料。燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。這里以氫-氧燃料電池為例來(lái)說(shuō)明燃料電池氫-氧燃料電池反應(yīng)原理這個(gè)反映是電解水的逆過(guò)程。電極應(yīng)為：負(fù)極：H22OH-→2H2O+2e-正極：1/2O2+H2O-2e-→2OH-電池反應(yīng)：H2+1/2O2→H2O另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的HYPERLINK輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、HYPERLINK排熱系統(tǒng)、HYPERLINK排水系統(tǒng)、電性能HYPERLINK控制系統(tǒng)及安全裝置等。燃料電池通常由形成HYPERLINK離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極（陽(yáng)極）和空氣極（陰極）、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和HYPERLINK空氣（HYPERLINK氧化劑氣體）能在流路中通過(guò)。在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子（H）相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：燃料極：H2=2H++2e-（1）空氣極：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全體：H2+1/2O2=H2O（3）在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2分解成H+和e-，H+移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的HYPERLINKO2發(fā)生反