電動汽車電池的分類與性能參數(shù)

1、電動汽車電池的分類及性能參數(shù)發(fā)布時間：2010年8月5日 來源：中國有色網(wǎng)一、概述電動汽車并不是一個新概念。1873年戴維遜研制成功電動汽車，開創(chuàng)了電動汽車的先河。嚴格意義的電動汽車是與燃油汽車相對應的，包括電動貨車、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。能源危機和環(huán)境污染是當今全球性兩大突出問題。世界石油儲量日益減少，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，尋找替代能源是汽車工業(yè) 發(fā)展的方向。與此同時，城市交通噪聲和汽車排放污染也日益嚴重。據(jù)統(tǒng)計，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在必行。進入21世紀后，電動汽車的研制已在全世界范圍興起。我國在80年代初就開始研制電動汽車。進入21世紀后，研制的步伐明顯加快。最近，國家發(fā)改委又投入大量資金組織研究開發(fā)。目前，具有代表性的電動汽車有： 比亞迪開發(fā)的雙模混合動力汽車、純電動轎車； 東風汽車公司開發(fā)的以盤式永磁無刷電機為動力、以IGBT調速系統(tǒng)為控制、以動力蓄電池為能源的電動轎車； 北京重工研制的以 22kW異步交流電動機為動力、以IGBT調速系統(tǒng)為控制、以 482廠動力蓄電池為能源的電動客車； 清華大學研制的以 22kW無刷電機為動力、以動力蓄電池為能源的16座電動面包車； 鄭州

3、華聯(lián)電動車輛研究所研制的以10kW同步電動機為動力、以IGBT調速系統(tǒng)為控制、以蓄電池為能源的、過載能力4倍的電動轎車； 華南理工大學研制的 EV6630 EV6600及EV6620電動輕型客車，其中，EV6630電動客車已在深圳投入試運行 1萬公里。此外，一汽、上汽、廣汽、長安等國內汽車企業(yè)也研制了自己的電動汽車。二、電動汽車電池的分類電池的分類電動汽車用電池為化學電源，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. 有機電解質溶液電池。即電解液為有機電解質溶液的電池。按

4、活性物質的存在方式分為:a. 活性物質保存在電極上?？煞譃橐淮坞姵兀ǚ窃偕?，原電池）和二次電池（再生式，蓄電池）；b. 活性物質連續(xù)供給電極?？煞譃榉窃偕剂想姵睾驮偕剂想姵亍０措姵氐哪承┨攸c分為：a. 高容量電池；b. 免維護電池；c. 密封電池；d. 燃結式電池；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，但習慣上按其工作性質及存貯方式不同，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，或是電池反應本身不 可逆，或是條件限制使可逆反應很難進行。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復原而能再次放電，且可反復多次循環(huán)使用的一類電池。這類電池實際上是一個化學能量貯存裝置，用直流電將電池充 足，這時電能以化學能的形式貯存在電池中，放電時，化學能再轉換為電能。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、負極活性物質和電解液不直接接觸，使用前臨時注入 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、負極活性物質的化學變質或自放 電，因與電解液的隔離而基本上被排除，從而使電池能長時間貯存。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”，即只要活性物質連續(xù)地注入電池，就能長期不斷地進行放電 的一類電池。它的特點是電池自身只是一個載體，可以把燃料

7、電池看成一種需要電能時將反應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)需要設計成不同類型的電池。如鋅銀電池，可 以設計成一次電池，也可以設計成二次電池，或貯備電池。三、電動汽車電池的性能參數(shù)化學電池品種繁多，性能各異。常用以表征其性能的指標有：電性能、機械性能、貯存性能 等，有時還包括使用性能和經(jīng)濟成本。我們主要介紹其電性能和貯存性能。電性能包括：電動 勢、額定電壓、開路電壓、工作電壓、終止電壓、充電電

8、壓、內阻、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。電動勢電池的電動勢，又稱電池標準電壓或理論電壓，為電池斷路時正負兩極間的電位差。電池的 電動勢可以從電池體系熱力學函數(shù)自由能的變化計算而得。額定電壓額定電壓（或公稱電壓），系指該電化學體系的電池工作時公認的標準電壓。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荷情況下的電池電壓。開路電壓不等于電池的電動勢。必須指出，電 池的電動勢是從熱力學函數(shù)計算而得到的，而電池的開路電壓則是實際測量出來的。工作電壓系指電池在某負載下實際

9、的放電電壓，通常是指一個電壓范圍。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的電壓值，視負載和使用要求不同而異。以鉛酸蓄電池為例：電動勢為 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。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。內阻蓄電池的內阻包括：正負極板的電阻，電解液的電阻，隔板的電阻和連接體的電阻等。a.正負極板電阻目前普遍使用的鉛酸蓄電池正、負極板為涂膏式，由鉛銻合金或鉛鈣合金板柵架和活性物質 兩部分構成。因此，極板電阻也由板柵電阻和活性物質電阻組成。板柵在活性物質內層，充放電 時，不會發(fā)生化學變化，所以它的電阻是板柵的固有電阻。活性物質的電阻是隨著電池充放電狀態(tài)的不同而變化的。當電池放電時，極板的活性物質轉變?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，在極板活性物質還原的同時電解液濃度增加，其電阻下降；電 池放電時，在極板活性物質硫酸化的同時電解液濃度下降，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固定值，但隨電池運行時間的延 長，其電阻有所增加。因為，電池在運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 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)的內阻就是上述物體電阻的總和，電池內阻R與電動勢、端電壓及放電電流的關系：Rs=（E-Uf）十If電池的內阻在放電過程中會逐漸增加，而在充電過程中則逐漸減小。所以，電池在充放電過 程中，端電壓也會因其內阻的變化而變動。故端電壓在放電時低于電池的電動勢，充電時又高于 電池的電動勢。容量電池的容量單位為庫侖（C）或安時（Ah）。表征電池容量特性的專用術語有三個：a. 理論容量。系指根據(jù)參加電化學反應的活性物質電化學當量數(shù)計算得到的電量。通常，理論上1電化當量物質將放出 1法拉第電量，即96500C或26.8Ah（1電化當量物質的量，等于活性 物質的原子量或分子量除以反應的電子數(shù)）。b. 額

13、定容量。系指在設計和生產(chǎn)電池時，規(guī)定或保證在指定放電條件下電池應該放出的最低 限度的電量。c. 實際容量。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。電池的實際容量通常比額定容量大10%- 20%電池容量的大小，與正、負極上活性物質的數(shù)量和活性有關，也與電池的結構和制造工藝與 電池的放電條件（電流、溫度）有關。影響電池容量因素的綜合指標是活性物質的利用率。換言之，活性物質利用得越充分，電池 給出的容量也就越高?；钚晕镔|的利用率可以定義為：利用率=（電池實際容量/電池理論容量）X 100%或，利用率=（活性物質理論用量/活性物質實際用量）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(Wh)表示。電池的比能量有兩種。一種叫重量比能量，用瓦時/千克(Wh/kg)表示；另一種叫體積比能量，用瓦時/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。必須指出，單體電池和電池組的比能量是不一樣的。由于電池組合時總要有連接條、外部容 器和內包裝層等，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，電池在單位時間內所能輸出的能量。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)。如果一個電池的比功率較大，則表明在單位時間內，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價電池性能優(yōu)劣的重要 指標之一。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)一定時間后，其容量會自行降低，這個現(xiàn) 象稱自放電。所謂“貯存性能”是指電池開路時，在一定的條件下(如溫度、濕度)貯存一定時間后自放電的大小。電池在貯存期間，雖然沒有放出電能量，但是在電池內部總是存在著自放電現(xiàn)象。即使是干 貯存，也會由于密封不嚴，進入水份、空氣及二氧化碳

16、等物質，使處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)的部分 正極和負極活性物質構成微電池腐蝕機理，自行發(fā)生氧化還原反應而白白消耗掉。如果是濕貯 存，更是如此。長期處在電解液中的活性物質也是不穩(wěn)定的。負極活性物質大多是活潑金屬，都 會發(fā)生陽極自溶。酸性溶液中，負極金屬是不穩(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，一般用單位時間內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、。對于在使用時才加入電解液的電池貯存壽命，習慣上也稱為干 貯存壽命。干貯存壽命可以很長。對于出廠前已加入電解液的電池貯存壽命，習慣上稱為濕貯存 壽命(或濕荷電壽命)。濕貯存時自放電嚴重，壽命較短。如銀鋅電池的干貯存壽命可達58年，但它的濕貯存壽命通常只有幾個月。降低電池中自放電的措施，一般是采用純度較高的原材料，或將原材料預先處理，除去有害 雜質。也可在負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，減少自放電反應的發(fā)生。(11)壽命(與放電倍率大小有關)。電池的壽命有“干貯存壽命”和“濕貯存壽命”兩個概念。必須指出，這兩個概念僅是針對 電

18、池自放電大小而言的，并非電池的實際使用期限。電池的真正壽命是指電池實際使用的時間長 短。對一次電池而言，電池的壽命是表征給出額定容量的工作時間對二次電池而言，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，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