第2章電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池新能源汽車技術(shù)

第2章電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池主講：鄭竹安YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)2第2章電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池2.1概述2.2鉛酸蓄電池2.3鎳氫電池2.4鋰離子電池2.5燃料電池2.6太陽能電池2.7其他動(dòng)力電池YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)32.1概述

電池是電力汽車的動(dòng)力源，是能量的存貯裝置。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開發(fā)住比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的電池。電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池可以分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)42.1.1電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分類1．化學(xué)電池

利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。化學(xué)電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲(chǔ)備電池。2．物理電池

物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽能電池、超級(jí)電容器、飛輪電池等。3．生物電池

生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)52.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)

1．電壓

（1）端電壓（2）開路電壓（3）電動(dòng)勢(shì)（4）額定電壓（5）放電電壓（6）終止電壓YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)62.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)

2．容量（1）理論容量（2）實(shí)際容量（3）標(biāo)稱容量（4）額定容量（5）荷電狀態(tài)SOCYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)73．內(nèi)阻

電流流過電池內(nèi)部受到的阻力，使電池電壓降低，此阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。4．能量

電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，單位是W·h或kW·h。它影響電動(dòng)汽車的行駛距離。理論能量、實(shí)際能量、比能量、能量密度YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)85．功率

電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)所輸出能量的大小，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。（1）比功率（2）功率密度YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)96．輸出效率

（1）容量效率

式中，為電池的容量效率；為電池放電時(shí)輸出的容量；為電池充電時(shí)輸入的容量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)10（2）能量效率能量效率也稱電能效率，是指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比，即

式中，為電池的能量效率；為電池放電時(shí)輸出的能量；為電池充電時(shí)輸入的能量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)117．自放電率

自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，即電池?zé)o負(fù)荷時(shí)自身放電使容量損失的速度。

自放電率式中，為電池存儲(chǔ)前的容量（Ah）；為電池存儲(chǔ)后的容量（Ah）；為電池存儲(chǔ)的時(shí)間，常用天、月計(jì)算。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)128．放電速率（放電率）放電速率一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比例來表示。（1）時(shí)率（時(shí)間率）電池以某種電流強(qiáng)度放電，放完額定容量所經(jīng)過的放電時(shí)間。汽車用電池一般用20h率容量表示。（2）倍率（電流率）電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)139．使用壽命使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)電池使用失效，這時(shí)電池的使用壽命終止。電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指電池可供使用的時(shí)間，包括電池的存放時(shí)間。使用周期是指電池可供重復(fù)使用的次數(shù)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)142.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求主要有：（1）比能量高（2）比功率大（3）充放電效率高（4）相對(duì)穩(wěn)定性好（5）使用成本低（6）安全性好

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)152.2鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池自1859年發(fā)明以來，其使用和發(fā)展已有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。電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，它的主要發(fā)展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用壽命。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)162.2.1鉛酸蓄電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)日本GS公司生產(chǎn)的SER60電池比能量為34Wh/kg，能量密度為91Wh/L，比功率為300W/kg（50%DOD）；日本松下公司生產(chǎn)的動(dòng)力型鉛酸蓄電池循環(huán)壽命已突破1000次（80%DOD。美國(guó)BPC公司和Trojon公司開發(fā)的雙極性密封鉛蓄電池，正負(fù)極位于同一片導(dǎo)體的兩側(cè)面，用吸液式纖維隔板貯存電解液組成密封電池。其額定電壓為180V，容量為60Ah，比能量≥50Wh/kg，峰值比功率>700W/kg，循環(huán)壽命≥1000次，預(yù)計(jì)使用壽命10年。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)172.2.1鉛酸蓄電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)國(guó)內(nèi)研制開發(fā)的電動(dòng)汽車用水平極板鉛酸蓄電池已經(jīng)達(dá)到了以下性能指標(biāo)：3h率比能量45Wh/kg，10min持續(xù)比功率80W/kg，快速充電性能4~5h100%充電,15~20min70%充電，80%DOD壽命600次。鉛酸蓄電池作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源在比能量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面均比鎳氫電池、鋰離子電池差，不適合于電動(dòng)轎車。但由于其價(jià)格低廉，國(guó)內(nèi)外將它的應(yīng)用定位在速度不高、路線固定、充電站設(shè)立容易規(guī)劃的車輛。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)182.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)1．鉛酸蓄電池的分類（1）免維護(hù)鉛酸蓄電池免維護(hù)鉛酸蓄電池由于自身結(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鉛酸蓄電池的兩倍。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)192.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)

市場(chǎng)上的免維護(hù)鉛酸蓄電池也有兩種：（1）在購(gòu)買時(shí)一次性加電解液以后使用中不需要添加補(bǔ)充液；（2）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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)202.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)（2）閥控密封式鉛酸蓄電池閥控密封式鉛酸蓄電池在使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)漏酸，也不會(huì)排酸霧，電池蓋子上設(shè)有溢氣閥（也叫安全閥），該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí)，溢氣閥自動(dòng)打開，排出氣體，然后自動(dòng)關(guān)閉，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)212.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)

閥控密封式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種：（1）AGM采用吸附式玻璃纖維棉（AbsorbedGlassMat）作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，電池內(nèi)無流動(dòng)的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作；（2）膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，一般立放工作。無特殊說明，皆指AGM電池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)222.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)2．鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)232.2.3鉛酸蓄電池的特點(diǎn)

1．鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)（1）除鋰離子電池，鉛酸蓄電池電壓最高，為2.0V；（2）價(jià)格低廉；（3）可制成小至lAh大至幾千Ah各種結(jié)構(gòu)蓄電池；（4）高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動(dòng)；（5）高低溫性能良好，可在-40~60℃條件下工作；（6）電能效率高達(dá)60%；（7）易于浮充使用，沒有“記憶”效應(yīng)；（8）易于識(shí)別荷電狀態(tài)。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)242．鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)（1）比能量低，在電動(dòng)汽車中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電行駛里程短；（2）使用壽命短，使用成本高；（3）充電時(shí)間長(zhǎng)；（4）鉛是重金屬，存在污染。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)252.2.4鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反應(yīng)式為

充電時(shí)，把鉛板分別和直流電源的正、負(fù)極相連，進(jìn)行充電電解，陰極的還原反應(yīng)為

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)262.2.4鉛酸蓄電池的工作原理陽極的氧化反應(yīng)為充電時(shí)的總反應(yīng)為隨著電流的通過，在陰極上變成蓬松的金屬鉛，在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有生成。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)272.2.4鉛酸蓄電池的工作原理放電時(shí)蓄電池陰極的氧化反應(yīng)為由于硫酸的存在，立即生成難溶解的。陽極的還原反應(yīng)為同樣，由于硫酸的存在，也立即生成。放電時(shí)總的反應(yīng)為YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)282.2.4鉛酸蓄電池的工作原理

蓄電池充電的時(shí)候，隨著電池端電壓的升高，水開始被電解，當(dāng)電池電壓達(dá)到約2.39V/單體時(shí)，水的電解不可忽視。水電解時(shí)陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式為陽極給出電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流。端電壓越高，電解水也越激烈，此時(shí)充入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)292.2.5鉛酸蓄電池的充放電特性1．鉛酸蓄電池的放電特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)302．鉛酸蓄電池的充電特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)312.2.6鉛酸蓄電池的充電方法1.蓄電池常規(guī)充電方法1）恒流充電法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)322.2.6鉛酸蓄電池的充電方法2）分段電流充電法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)332.2.6鉛酸蓄電池的充電方法3）恒壓充電法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)342.2.6鉛酸蓄電池的充電方法4）恒壓限流充電法

在充電第一階段，用恒定的電流充電；在電池電壓達(dá)到一定電壓后，維持此電壓恒定不變，轉(zhuǎn)為第二階段的恒壓充電過程，當(dāng)充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約一小時(shí)即可停止充電。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)352.2.6鉛酸蓄電池的充電方法2.蓄電池快速充電法1）蓄電池快速充電的原理快速充電要想方設(shè)法加快電池的化學(xué)反應(yīng)速度(提高充電電壓或電流等)，使之充電速度得到最大的提高；快速充電又要保證負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能的消除電池的極化現(xiàn)象。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)362.2.6鉛酸蓄電池的充電方法2)．幾種蓄電池快速充電方法(1）脈沖式充電法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)372.2.6鉛酸蓄電池的充電方法(2）變電流間歇充電法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)382.2.6鉛酸蓄電池的充電方法(3）變電壓間歇充電法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)392.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)電池剩余容量的多少一般用電池荷電狀態(tài)（SOC）來描述。電池荷電狀態(tài)是無量綱量，既可以反映電池剩余電量，也可以反映電池消耗的電量。目前國(guó)內(nèi)外蓄電池常用的荷電狀態(tài)估計(jì)的方法主要有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)計(jì)量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法等。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)402.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)1．放電實(shí)驗(yàn)法

放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的電池SOC估計(jì)方法，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時(shí)間的乘積即為剩余電量。放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用，適用于所有電池，但它也存在缺點(diǎn)：一花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，二要必須中斷蓄電池正在進(jìn)行的工作。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)412.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)2．安時(shí)計(jì)量法

安時(shí)（A.h）計(jì)量法是目前最常用的電池SOC估計(jì)方法。SOC表示為式中，Ce為額定容量；I為電池電流；為充放電效率。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)422.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)3．開路電壓法

電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動(dòng)勢(shì)。鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)是電解液濃度的函數(shù)，電解液密度隨電池放電成比例降低，用開路電壓可估計(jì)蓄電池SOC。該方法只適用于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)。在充電初期和末期用開路電壓法估計(jì)電池SOC效果好，一般常與安時(shí)計(jì)量法結(jié)合使用。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)432.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)4．負(fù)載電壓法

電池放電開始瞬間，電壓迅速?gòu)拈_路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在電池負(fù)載電流保持不變時(shí)，負(fù)載電壓隨電池SOC變化的規(guī)律與開路電壓隨電池SOC的變化規(guī)律相似。負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實(shí)車上，但常用來作為電池充放電截止的判據(jù)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)442.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)5．電化學(xué)阻抗頻譜法

電化學(xué)阻抗表示電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，通常是一個(gè)復(fù)數(shù)變量。測(cè)量電池阻抗有恒流和恒壓兩種模式。電池阻抗定義為YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)452.2.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)6．內(nèi)阻法

電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻（常稱為交流阻抗）和直流內(nèi)阻之分，它們都與SOC有密切關(guān)系。電池交流阻抗為電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，是一個(gè)復(fù)數(shù)變量，表示電池對(duì)交流電的反抗能力，用交流阻抗儀來測(cè)量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)462.3鎳氫電池鎳氫電池是90年代發(fā)展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由貯氫合金制成，是一種堿性蓄電池。鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染，被譽(yù)為“綠色電源”。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)472.3.1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)三洋電機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的圓柱型5.5Ah的鎳氫電池組，質(zhì)量比功率1000W/kg。2001年為Escape配備，后來為本田Accord采用。美國(guó)的Cobasys公司開發(fā)了容量為12～60Ah的一系列高功率鎳氫電池。質(zhì)量比功率達(dá)到550~600W/kg，體積比功率達(dá)到1200～1400W/l，峰值比功率可達(dá)1000W/kg，比能量在50~70Wh/kg，使用溫度在60℃時(shí)能量效率仍保持在80~90%，充電功率也超過500W/kg。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)482.3.1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)德國(guó)Varta公司開發(fā)的超高功率鎳氫電池（HEV-10UHPcells）功率密度已達(dá)到1000W/kg，但其比能量?jī)H為40Wh/kg。法國(guó)Saft公司的4/5SF型（Φ41mm×93mm）高功率鎳氫電池容量為14Ah，比能量為47Wh/kg，80%充電態(tài)對(duì)應(yīng)的比功率為900W/kg，體積比功率達(dá)2500W/l。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)492.3.1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)我國(guó)也有很多單位一直從事混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池的研究。中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所長(zhǎng)期從事鎳氫電池及相關(guān)材料的研究和開發(fā)，北京有色總院、中山電池公司、湖南神舟科技、春蘭集團(tuán)、鞍山三普等單位均從不同角度做過大量積極有益的工作，取得了很大的進(jìn)展。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)502.3.2鎳氫電池的分類與結(jié)構(gòu)1．鎳氫電池的分類

（1）方形鎳氫電池；（2）圓形鎳氫電池。2．鎳氫電池的結(jié)構(gòu)正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)512.3.3鎳氫電池的特點(diǎn)（1）比功率高（2）循環(huán)次數(shù)多（3）無污染（4）耐過充過放（5）無記憶效應(yīng)（6）使用溫度范圍寬（7）安全可靠YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)522.3.4鎳氫電池的工作原理充電時(shí)正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為

放電時(shí)正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)532.3.5鎳氫電池的充放電特性通常電池在一定電流下進(jìn)行充電和放電時(shí)都是使用曲線來表示電池的端電壓和溫度隨時(shí)間的變化，把這些曲線稱為電池的特性曲線。一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示，即充放電倍率=充放電電流/額定容量。例如，額定容量為100Ah的電池用20A放電池時(shí)，其放電倍率為0.2C。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)542.3.5鎳氫電池的充放電特性1.鎳氫電池的充電特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)552.3.5鎳氫電池的充放電特性

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)562.3.5鎳氫電池的充放電特性2.鎳氫電池的放電特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)572.3.5鎳氫電池的充放電特性2.鎳氫電池的放電特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)582.3.6鎳氫電池SOC估計(jì)

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)592.4鋰離子電池

鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池，是目前世界最新一代的充電電池。鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)602.4.1鋰離子電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)2006年1月，江森控制在全球開始研發(fā)和制造用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的鋰離子電池。三洋電機(jī)2008年5月28日宣布，向德國(guó)大眾集團(tuán)供應(yīng)混合動(dòng)力汽車用鋰離子充電電池系統(tǒng)。

我國(guó)在鋰離子電池方面的研究水平，有多項(xiàng)指標(biāo)超過了USABC提出的長(zhǎng)期目標(biāo)所規(guī)定的指標(biāo)，目前已經(jīng)把鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的重要發(fā)展目標(biāo)。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)612.4.2鋰離子電池的分類與構(gòu)造1．鋰離子電池的分類按照鋰離子電池外形形狀：（1）方形鋰離子電池；（2）圓柱形鋰離子電池。按照鋰離子電池正極的材料不同：（1）錳酸鋰離子電池；（2）磷酸鐵鋰離子電池；（3）鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)622.4.2鋰離子電池的分類與構(gòu)造2．鋰離子電池的結(jié)構(gòu)1—絕緣體；2—墊圈；3—PTC元件；4—正極端子；5—排氣孔；6—防爆閥；7—正極；8—隔板；9—負(fù)極；10—負(fù)極引線；11—正極；12—外殼YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)632.4.2鋰離子電池的分類與構(gòu)造

我國(guó)自主開發(fā)的電動(dòng)汽車用鋰離子電池YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)642.4.3鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池有許多顯著特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：（1）工作電壓高（2）比能量高（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)（4）自放電率低（5）無記憶性（6）對(duì)環(huán)境無污染（7）能夠制造成任意形狀

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)652.4.3鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池也有一些不足，主要表現(xiàn)在：（1）成本高：主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高，但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來計(jì)算，已經(jīng)低于鎳氫電池，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池；（2）必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)662.4.4鋰離子電池的工作原理

電池在充電時(shí)，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個(gè)充放電過程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)672.4.4鋰離子電池的工作原理正極負(fù)極電解質(zhì)充電放電鋰離子鋰離子

鋰離子電池工作原理圖YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)682.4.5鋰離子電池的充放電特性充電電流方面，鋰電池的充電率（充電電流）應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可達(dá)2C，但常用的充電率為0.5~1C。放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在2~3C左右。鋰電池的充電溫度一般應(yīng)該被限制在0℃~60℃范圍。電池溫度過高會(huì)損壞電池并可能引起爆炸；溫度過低雖不會(huì)造成安全方面的問題，但很難將電池充滿。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)692.4.6鋰離子電池的充電方法鋰離子電池可以采用不同的充電方法，其中最簡(jiǎn)單的充電方法是恒壓充電。采用恒壓充電時(shí)，電池電壓保持不變，而充電電流將逐漸降低。當(dāng)充電電流降到低于0.1C時(shí)，就認(rèn)為電池被充分充電了。兼顧充電過程的安全性、快速性和電池使用的高效性，鋰離子電池通常都采用恒流恒壓充電方法，其充電過程可分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電三個(gè)階段。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)702.4.6鋰離子電池的充電方法鋰離子電池充電特性曲線

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)712.4.6鋰離子電池的充電方法1．預(yù)充電階在該狀態(tài)下，首先檢測(cè)單節(jié)鋰離子電池電壓是否較低（<3.0V）)，如果是則采用涓流充電，即一個(gè)比較小的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電直至電池電壓上升到一個(gè)安全值。否則可省略該階段，這也是最普遍的情況。2．恒流充電涓流充電后，充電器轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)。該狀態(tài)下，充電電流保持不變的較大的值，電池的最大充電電流決定于電池的容量。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)722.4.6鋰離子電池的充電方法

（1）電池最高電壓終止法：當(dāng)單節(jié)鋰電池電壓達(dá)到4.2V，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止；（2）電池最高溫度終止法：在恒流充電過程中，當(dāng)電池的溫度達(dá)到60℃時(shí)，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)732.4.6鋰離子電池的充電方法3．恒壓充電階段恒流充電結(jié)束后，則轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓保持恒定。因?yàn)殇囯x子電池對(duì)充電電壓精度的要求比較高，單節(jié)電池恒壓充電電壓應(yīng)在規(guī)定值的±1%之間變化。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)742.5燃料電池2.5.1燃料電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)燃料電池（FuelCell，F(xiàn)C）是一種化學(xué)電池，它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量變換為電能，工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反應(yīng)的物質(zhì)）—燃料和氧化劑。由于它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。燃料電池能量密度極高，接近于汽油和柴油的能量密度，幾乎是零污染，號(hào)稱“終極電池”，代表著電動(dòng)汽車未來的發(fā)展方向，也是各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一。但是其成本太高，目前高成本瓶頸表現(xiàn)在：第一，燃料電池反應(yīng)中需要使用貴金屬鉑作為催化劑，使得成本高居不下；第二，在后續(xù)使用上，儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫成本高昂；第三，加氫站等配套設(shè)施不夠完善，如何提高氫站安全性也需高額的前期投入。因此，燃料電池目前離產(chǎn)業(yè)化還有較長(zhǎng)的距離要走，預(yù)計(jì)在2025年以后才會(huì)商業(yè)化。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)752.5.1電動(dòng)汽車用燃料電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)各國(guó)政府在對(duì)研發(fā)燃料電池技術(shù)上也存在分歧，在支持力度上也各不相同。在日本，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省前幾年就對(duì)燃料電池汽車開發(fā)與推廣制定了時(shí)間表，其戰(zhàn)略目標(biāo)是：2010年，日本使用的燃料電池汽車達(dá)到5萬輛；2020年達(dá)到500萬輛；到2030年，要全面普及燃料電池汽車。豐田汽車曾宣布與美國(guó)薩凡納河國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SRNL)以及可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)共同實(shí)施了燃料電池混合動(dòng)力汽車“HighlanderFCHV-adv”的公路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該車的續(xù)航距離可達(dá)到693km。豐田MarkXZio氫燃料電池車，上市時(shí)間2014年，充滿燃料可行駛780km，它的最高時(shí)速可達(dá)160km/h。燃料電池汽車的普及需要滿足以下五大要素：（1）燃料電池車的成本；（2）車內(nèi)空間的確保；（3）燃料的價(jià)格；（4）氫氣站的普及；（5）競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)未能進(jìn)步。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)762.5.1電動(dòng)汽車用燃料電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)美國(guó)通用汽車公司在美國(guó)能源部的資助下，推出了以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和蓄電池并用提供動(dòng)力的轎車。美國(guó)福特汽車公司現(xiàn)已研制出從汽油中提取氫的新型燃料電池，其燃料效率比內(nèi)燃機(jī)提高1倍，而產(chǎn)生的污染則只有內(nèi)燃機(jī)的5%。福特汽車公司的21世紀(jì)綠色汽車的開發(fā)計(jì)劃中，氫燃料電池汽車(FCEV)作為開發(fā)研究重點(diǎn)。目前，福特公司與Mobile石油公司一起開發(fā)更具實(shí)際意義的車載汽油改質(zhì)FCEV。在歐洲，歐盟2008年夏天決定斥資10億歐元用于燃料電池和氫能源的研究和發(fā)展。歐盟此舉旨在把燃料電池和氫能源技術(shù)發(fā)展成為能源領(lǐng)域的一項(xiàng)戰(zhàn)略高新技術(shù)，使歐盟在燃料電池和氫能源技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，歐盟將力爭(zhēng)在2020年前建立一個(gè)燃料電池和氫能源的龐大市場(chǎng)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)77燃料電池將成為未來的最佳車用能源，這一觀點(diǎn)已被認(rèn)同。雖然燃料電池可以采用多種燃料，甚至是內(nèi)燃機(jī)用的所有燃料，但是真正起電化學(xué)反應(yīng)的，僅僅是其中的氫和氧化劑中的氧，因此，氫燃料電池在氫燃料制取、儲(chǔ)存及攜帶等方面以及非氫燃料電池的重整系統(tǒng)的效率、體積、質(zhì)量大小及反應(yīng)速度等方面的技術(shù)還需進(jìn)一步提高。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)78目前，車用燃料電池急需解決以下關(guān)鍵問題：

(1)提高車用燃料電池單位質(zhì)量(或體積)、電流密度及功率，提高車輛所必需的快速起動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)的能力；

(2)必須開發(fā)質(zhì)量輕、體積更小、能儲(chǔ)存更多氫能的車載氫儲(chǔ)存器，以便更有效地利用燃料能量，提高續(xù)駛里程和載質(zhì)量；(3)必須解決好氫氣的安全問題，在一定的條件下，氫氣比汽油具有更大的危險(xiǎn)性，所以無論采用什么儲(chǔ)存方式，儲(chǔ)存器及其安全措施都必須滿足使用要求；(4)電池組件必須采用積木化設(shè)計(jì)，開發(fā)有效的制造工藝，并進(jìn)行高效的自動(dòng)化生產(chǎn)，從而降低材料和制造費(fèi)用；(5)發(fā)展結(jié)構(gòu)緊湊及性能可靠的質(zhì)子交換膜燃料電池的同時(shí)開發(fā)應(yīng)用其它燃料，像甲烷、柴油等驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子交換膜燃料電池，這將會(huì)拓寬質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用范圍。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)792.5.2燃料電池的分類1．按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分類根據(jù)燃料電池的運(yùn)行機(jī)理的不同，可分為（1）酸性燃料電池；（2）堿性燃料電池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)802．按電解質(zhì)分類根據(jù)燃料電池中使用電解質(zhì)種類的不同，可分為（1）質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）（2）堿性燃料電池（AFC）；（3）磷酸燃料電池（PAFC）；（4）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）；（5）固體氧化物燃料電池（SOFC）；（6）直接甲醇燃料電池（DMFC）；（7）再生型燃料電池（RFC）；（8）鋅空燃料電池（ZAFC）；（9）質(zhì)子陶瓷燃料電池（PCFC）。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)813．按燃料使用類型分類根據(jù)燃料電池的燃料使用類型不同，可分為（1）直接型燃料電池；（2）間接型燃料電池；（3）再生型燃料電池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)824．按燃料種類分類根據(jù)燃料電池使用燃料的種類，可分為（1）氫燃料電池；（2）甲醇燃料電池；（3）乙醇燃料電池等。5．按工作溫度分類根據(jù)燃料電池工作溫度的不同，可分為（1）低溫型（溫度低于200℃）；（2）中溫型（溫度為200~750℃）；（3）高溫型（溫度為750~1000℃）；（4）超高溫型（溫度高于1000℃）。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)836．按燃料狀態(tài)分類根據(jù)燃料電池的燃料狀態(tài)不同，可分為：（1）液體型燃料電池；（2）氣體型燃料電池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)842.5.3燃料電池的特點(diǎn)1．燃料電池的優(yōu)點(diǎn)（1）節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高；（2）排放基本達(dá)到零污染；（3）無振動(dòng)和噪聲、壽命長(zhǎng)；（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)。2．燃料電池的缺點(diǎn)（1）燃料種類單一；（2）要求高質(zhì)量的密封；（3）制造成本高，電池價(jià)格昂貴；（4）需要配備輔助電池系統(tǒng)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)852.5.4燃料電池系統(tǒng)燃料電池實(shí)際上不是“電池”，而是一個(gè)大的發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，需要有燃料供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。1．燃料供應(yīng)系統(tǒng)燃料供應(yīng)系統(tǒng)是給燃料電池提供燃料，如氫氣、天然氣、甲醇等。這個(gè)系統(tǒng)直接采用氫氣比較簡(jiǎn)單，如果用化石燃料制取氫氣則相當(dāng)復(fù)雜。2．氧化劑系統(tǒng)氧化劑系統(tǒng)主要是給燃料電池提供氧氣。氧氣的來源有從空氣中獲取氧氣或從氧氣罐中獲取氧氣，空氣需要用壓縮機(jī)來提高壓力，以增加燃料電池反應(yīng)的速度。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)862.5.4燃料電池系統(tǒng)3．發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)是指燃料電池本身，它將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接變成電能，而不需要經(jīng)過燃燒的過程，它是一個(gè)電化學(xué)裝置。4．水管理系統(tǒng)由于質(zhì)子交換膜燃料電池中質(zhì)子是以水合離子狀態(tài)進(jìn)行傳導(dǎo)，所以燃料電池需要有水，水少會(huì)影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，從而影響電池的性能。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)875．熱管理系統(tǒng)大功率燃料電池發(fā)電的同時(shí)，由于電池內(nèi)阻的存在，不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱量，通常產(chǎn)生的熱與其發(fā)電量相當(dāng)。而燃料電池的工作溫度是有一定限制的，如對(duì)PEMFC而言，應(yīng)控制在80攝氏度，因此需要及時(shí)將電池生成熱帶走，否則會(huì)發(fā)生過熱，燒壞電解質(zhì)膜。水和空氣通常是常用的傳熱介質(zhì)。6．電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)是將燃料電池發(fā)出的直流電變?yōu)檫m合用戶使用的電。燃料電池所產(chǎn)生的是直流電，需要經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓，在采用交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，還需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)887．控制系統(tǒng)燃料電池控制系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)的啟動(dòng)與停工；維持電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的各操作參數(shù)的控制；對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、判斷等。8．安全系統(tǒng)由于氫是燃料電池的主要燃料。氫的安全十分重要，由氫氣探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及滅火設(shè)備等構(gòu)成氫的安全系統(tǒng)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)89氫的存儲(chǔ)與輸送是燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前有兩種方式：儲(chǔ)氫和重整制氫1．儲(chǔ)氫目前使用比較廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù)：（1）高壓儲(chǔ)氫（2）液態(tài)儲(chǔ)氫（3）儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)90YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)912．重整制氫目前使用的重整技術(shù)主要有：（1）蒸汽重整；（2）部分氧化重整；（3）自動(dòng)供熱重整；（4）等離子體重整。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)922.5.5質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）采用可傳導(dǎo)離子的聚合膜作為電解質(zhì)，所以也叫聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）、固體聚合物燃料電池（SPFC）或固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（SPEFC）。1.質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)PEMFC由質(zhì)子交換膜，催化劑層，擴(kuò)散層、集流板（又稱雙極板）組成，如圖2.23所示。

YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)931.質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)（1）質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜（ProtonExchangeMembrane，簡(jiǎn)稱PEM）是PEMFC中最重要的部件之一，其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。它不只是一種將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔開的隔膜材料，它還是電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)（電催化劑）的基底，即兼有隔膜和電解質(zhì)的作用；另外，PEM還是一種選擇透過性膜，在質(zhì)子交換膜的高分子結(jié)構(gòu)中，含有多種離子基團(tuán)，它只允許H+穿過，其它離子、氣體及液體均不能通過。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)94（2）電催化劑為了加快電化學(xué)反應(yīng)速度，氣體擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑。PEMFC電催化劑主要有鉑系和非鉑系電催化劑兩類。目前多采用鉑催化劑。（3）電極PEMFC電極是一種多孔氣體擴(kuò)散電極，一般由擴(kuò)散層和催化層構(gòu)成。擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，起著支撐催化層，收集電流，并為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道、氣體通道和排水通道的作用。催化層是進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域，是電極的核心部分，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙多孔，因而有足夠的表面積以促進(jìn)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)95（4）膜電極膜電極(MembraneandElectrodeAssembly，簡(jiǎn)稱MEA)是通過熱壓將陰極、陽極與質(zhì)子交換膜復(fù)合在一起而形成的。（5）雙極板與流場(chǎng)雙極板又稱集流板，是電池的重要部件之一，其作用是分隔反應(yīng)氣體，收集電流，將各個(gè)單電池串聯(lián)起來和通過流場(chǎng)為反應(yīng)氣體進(jìn)入電極及水的排出提供通道。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)962．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理PEMFC在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。工作原理如圖2.24所示。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)972．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理導(dǎo)入的氫氣通過陽極集流板（雙極板）經(jīng)由陽極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化劑層，在陽極催化劑作用下，氫分子分解為帶正電的氫離子（即質(zhì)子）并釋放出帶負(fù)電的電子，完成陽極反應(yīng)：YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)982．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理氫離子穿過膜到達(dá)陰極催化劑層，而電子則由集流板收集，通過外電路到達(dá)陰極，電子在外電路形成電流，通過適當(dāng)連接可向負(fù)載輸出電能；在電池另一端，氧氣通過陰極集流板（雙極板）經(jīng)由陰極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化劑層。在陰極催化劑的作用下，氧與透過膜的氫離子及來自外電路的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，完成陰極反應(yīng)：YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)993.質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)PEMFC的優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）能量轉(zhuǎn)化效率高；（2）可實(shí)現(xiàn)零排放；（3）運(yùn)行噪聲低，可靠性高；（4）維護(hù)方便；（5）發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很??；（6）氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛，是一種可再生的能源資源；（7）氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)100PEMFC的缺點(diǎn)主要有：（1）成本高（2）這種電池需要純凈的氫，因?yàn)樗鼈儤O易受到一氧化碳和其它雜質(zhì)的污染從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)汽車的未來發(fā)展方向。燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系統(tǒng)。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1012.5.6堿性燃料電池2.5.7磷酸燃料電池2.5.8熔融碳酸鹽燃料電池2.5.9固體氧化物燃料電池2.5.10直接甲醇燃料電池2.5.11微生物燃料電池2.5.12再生型燃料電池YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1022.6太陽能電池太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能的，是對(duì)環(huán)境無污染的可再生能源。它的應(yīng)用可以解決人類社會(huì)發(fā)展在能源需求方面的問題。太陽能是一種儲(chǔ)量極其豐富的潔凈能源，太陽每年向地面輸送的能量高達(dá)3×1024焦耳，相當(dāng)于世界年耗能量的1.5萬倍。因此太陽能電池作為人們利用可持續(xù)的太陽能資源，是解決世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問題的一條重要途徑。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1032.6.1太陽能電池的分類1．按不同材料分類太陽能電池按照材料不同，主要有硅系列太陽能電池和化合物系列太陽能電池。（1）硅系列太陽能電池硅系列太陽能電池是以硅材料為基體的太陽能電池，分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池等。（2）化合物系列太陽能電池多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵、硫化鎘、碲化鎘及銅錮硒薄膜電池等。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1042．按結(jié)構(gòu)分類太陽能電池按照結(jié)構(gòu)不同，可以分為同質(zhì)結(jié)電池、異質(zhì)結(jié)電池、肖特基結(jié)電池、光電化學(xué)電池等。（1）同質(zhì)結(jié)電池由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的電池。如硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池等。（2）異質(zhì)結(jié)電池用兩種不同的半導(dǎo)體材料，在相接的界面上構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)結(jié)的太陽能電池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)105（3）肖特基結(jié)電池用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘”的電池，也稱MS電池。（4）光電化學(xué)電池用浸于電解質(zhì)中的半導(dǎo)體電極構(gòu)成的電池，又稱為液結(jié)電池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1062.6.2太陽能電池的特點(diǎn)單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。轉(zhuǎn)換效率為15~17%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其轉(zhuǎn)換效率為12~14%。因此，多晶硅薄膜電池將會(huì)在太陽能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低、重量輕，轉(zhuǎn)換效率為6~10%，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)107硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。砷化鎵化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，砷化鎵化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率，抗輻照能力強(qiáng)，對(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是砷化鎵材料的價(jià)格不菲，因而在很大程度上限制了砷化鎵電池的普及。銅銦硒薄膜電池適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1082.6.3太陽能電池的發(fā)電原理太陽能電池的發(fā)電原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能。對(duì)不同材料的太陽能電池，盡管光譜響應(yīng)的范圍是不同的，但光電轉(zhuǎn)換的原理是一致的。如圖2.33所示，在p-n結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)作用下，n區(qū)的空穴向p區(qū)運(yùn)動(dòng)，而p區(qū)的電子向n區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后造成在太陽能電池受光面(上表面)有大量負(fù)電荷(電子)積累，而在電池背光面(下表面)有大量正電荷(空穴)積累。如在電池上、下表面引出金屬電極，并用導(dǎo)線連接負(fù)載，在負(fù)載上就有電流通過。只要太陽光照不斷，負(fù)載上就一直有電流通過。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1092.6.4太陽能電池的伏安特性太陽能電池照射光后可以發(fā)電并帶動(dòng)負(fù)荷，表征光伏發(fā)電的特性稱為伏安特性。如果在太陽能電池兩端接上一個(gè)負(fù)載電阻R，那么太陽能電池在工作狀態(tài)下的等效電路如圖2.34所示，它相當(dāng)于一個(gè)恒流源與一只正向二極管并聯(lián)，流過二極管的電流在太陽能電池中稱為暗電流，這是理想太陽能電池的等效電路。電池的理想伏安特性為YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1102.7其它動(dòng)力電池2.7.1鎳鎘電池鎳鎘電池是一種堿性蓄電池，它的比能量可達(dá)55Wh／kg，比功率超過190W／kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長(zhǎng)，可達(dá)到2000多次。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。鎳鎘蓄電池的結(jié)構(gòu)與原理與鎳氫電池相似。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1111．鎳鎘電池的結(jié)構(gòu)鎳鎘電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，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。電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1122.7.2鋅鎳電池鋅鎳電池由鎳電極和鋅電極組成，兼有鎘鎳電池中鎳正極長(zhǎng)壽命和鋅銀電池中鋅負(fù)極高容量的優(yōu)越性能，是一種高性能綠色二次動(dòng)力電池。1．鋅鎳電池的結(jié)構(gòu)鋅鎳電池的正極為氧化鎳電極，負(fù)極為鋅電極；鋅電極外包裹多層隔膜，隔膜一般為無紡布（常用聚丙烯和聚酞胺兩種），分為貯存電解液的吸液隔膜和防止鋅枝晶穿透的隔膜；電極以極耳引出。除了這些基本組成單元之外，鋅鎳電池的組成還包含電解液、氣閥、輔助電極和電池容器等。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1133．鋅鎳電池的特點(diǎn)鋅鎳電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）比能量高，可達(dá)50~80Wh/kg，明顯高于鉛酸和鎳鎘電池；（2）比功率高，僅次于鋰離子電池；（3）工作電壓高，可達(dá)1.65V，高于鎳氫和鎳鎘電池；（4）工作溫度寬，為-20~60℃；（5）無記憶效應(yīng)；（6）電池的生產(chǎn)和使用過程對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染；（7）價(jià)格低。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1142.7.3空氣電池金屬空氣電池是用金屬燃料代替氫能源而形成的一種新概念電池，有望成為新一代綠色能源。它發(fā)揮了燃料電池的眾多優(yōu)點(diǎn)，將鋅、鋁等金屬像氫氣一樣提供到電池中的反應(yīng)位置，與氧氣一起構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的電能產(chǎn)生裝置，具有無毒、無污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、內(nèi)阻小、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、價(jià)格相對(duì)較低、工藝技術(shù)要求較低、高比功率等優(yōu)點(diǎn)，既有豐富的廉價(jià)資源，又能再生利用，而且比氫燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是很有發(fā)展和應(yīng)用前景的新能源。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽車技術(shù)1152.7.4鐵電池目前國(guó)內(nèi)外研究的鐵電池有高鐵和鋰鐵兩種。1．高鐵電池的特點(diǎn)高鐵電池是以