新能源汽車的心臟 汽車電池技術(shù)介紹

內(nèi)燃機(jī)汽車的心臟是動(dòng)力系統(tǒng)，但是新能源車的心臟則是電池系統(tǒng)，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電池">電池系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到車的行駛里程、使用便利性等等情況，而目前新能源動(dòng)力車型最大的技術(shù)瓶頸也恰恰限制在了電池系統(tǒng)上，比如充電時(shí)間、充電效率、能量密度以及體積、材質(zhì)、安全或者質(zhì)量等等。

電池三大分類

汽車所使用的電池主要分為三大類，即為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池，分別為：

化學(xué)電池，化學(xué)電池是利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池系統(tǒng)，其中主要分為原電池、蓄電池以及燃料電池和儲(chǔ)備電池四種。

1、原電池，其實(shí)就是一次性電池，是指電池放點(diǎn)后不能用一般的充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，如鋅-二氧化錳干電池、鋰錳電池、鋅空氣電池以及一次鋅銀電池等都是此類一次性電池。

原電池工作原理

2、蓄電池，又稱二次電池，是指電池在放電后可以通過(guò)充電的方法是活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，其實(shí)也就是我們目前最常見(jiàn)的充電電池，比如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰離子電池等等。

蓄電池是目前汽車上最常見(jiàn)的一種電池

3、燃料電池，燃料電池又稱聯(lián)系電池，是指參加反映的活性物質(zhì)從電池外部連續(xù)不斷的輸入電池，或者可以說(shuō)其實(shí)燃料電池就是一個(gè)發(fā)電站，比如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性染料電池、磷酸燃料電池等等。

4、儲(chǔ)備電池，這種電池是指電池正負(fù)極與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸，使用前注入電解溶液使正負(fù)極接觸，此后電池進(jìn)入待放電狀態(tài)，如鎂電池、熱電池等等。

儲(chǔ)備電池

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(yáng)能電池、超級(jí)電容器以及飛輪電池等。

太陽(yáng)能電池

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。酶電池以及生物太陽(yáng)電池等等。

微生物電池工作原理

新能源車對(duì)于電池系統(tǒng)的要求

就像對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種要求，新能源車對(duì)于電池組也有著苛刻的要求，而這幾項(xiàng)對(duì)于電池組的要求則直接關(guān)系到了新能源車在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方面的效能等問(wèn)題：

1、比能量，為了提高電驅(qū)動(dòng)的續(xù)航里程，要求汽車上動(dòng)力電池需要最大限度的存儲(chǔ)能量，但其前提是不能過(guò)多的增加車體自重、占用空間，所以需要電池組需要有很高的比能量。

2、比功率，為了能使電驅(qū)動(dòng)的加速性能。爬坡性能以及負(fù)載性能與內(nèi)燃機(jī)車相提并論，所以對(duì)于電池組的比功率會(huì)有很高的要求。

3、充放電效率，電池中能量必須經(jīng)過(guò)充電-放電-充電的循環(huán)，高德充放電效率對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的行駛效率有著至關(guān)重要的作用。

4、穩(wěn)定性，電池組應(yīng)當(dāng)在快速充電和放電的往復(fù)工況中保持性能的穩(wěn)定性，使其在動(dòng)力系統(tǒng)使用條件下能達(dá)到足夠的放電循環(huán)次數(shù)。

5、成本，除了降低電池的初始購(gòu)買成本，還要提高電池的使用壽命。

6、安全性，電池不能引起自燃或者燃燒，同時(shí)在發(fā)生車輛碰撞的時(shí)候，不會(huì)對(duì)駕乘人員造成人身傷害。

鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池自1958年發(fā)明以來(lái)，其使用和發(fā)展已經(jīng)有了100多年的歷史，其廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力端，而新能源車所使用的鉛酸蓄電池因?yàn)樾枰獮檐囕v提供動(dòng)力，所以它的主要發(fā)展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用的壽命。鉛酸蓄電池是最成熟的新能源電池系統(tǒng)，1881年，世界第一輛電動(dòng)三輪車使用的就是鉛酸蓄電池，猶豫鉛酸蓄電池成熟、可靠性好、原材料價(jià)格低廉，同時(shí)比功率也基本上可以滿足電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力要求，所以在新能源汽車中廣泛應(yīng)用。

鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：

1、除鋰離子電池外，在場(chǎng)用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，即為2.0V；

2、制造成本低廉；

3、可以做成小至1Ah大至幾千Ah的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；

4、高倍率放電性能良好，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；

5、電能效率可以達(dá)到60%；

6、高低溫性能良好，可以在-40℃～60℃條件下工作；

7、易于浮充使用，沒(méi)有“記憶”效應(yīng)，且易于識(shí)別荷電狀態(tài)。

鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)：

1、比能量低，在新能源車重所需要占用的整體質(zhì)量以及體積比較大，一次充電可行駛的歷程比較短；

2、使用壽命短，且后期使用成本高；

3、充電時(shí)間長(zhǎng)；

4、鉛是重金屬，存在污染，與新能源動(dòng)力車的概念背道。

鎳氫電池

鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)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)則由氫合金支撐，屬堿性電池。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(wú)污染，屬于一種綠色能源，目前很多新能源動(dòng)力車型所使用的電池組都會(huì)選擇鎳氫電池。

大眾的Hybrid版途銳所使用的電池即為鎳氫電池

鎳氫電池的特點(diǎn)：

鎳氫電池具有無(wú)污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用等諸多特性，與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池具有比能量高、質(zhì)量輕以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有一下特點(diǎn)：

1、比功率高，目前商業(yè)化的鎳氫電池功率可以達(dá)到1350W/kg；

2、循環(huán)次數(shù)多，目前應(yīng)用在電動(dòng)車輛上的鎳氫動(dòng)力電池組，80%放點(diǎn)深度循環(huán)可以達(dá)到1000次以上，為鉛酸電池的三倍以上，100%DOD循環(huán)壽命也在500次以上，在混合動(dòng)力的汽車上可以使用五年以上；

3、無(wú)污染，鎳氫電池不含鉛、鎘等對(duì)人體有害的金屬；

4、耐過(guò)充過(guò)放，無(wú)記憶效應(yīng)；

5、使用溫度范圍大，正常使用溫度范圍在-30～50℃，存儲(chǔ)溫度范圍-40～70℃

6、安全，可以抵抗短路、擠壓、針刺、跌落、加熱、震動(dòng)等情況，且不會(huì)發(fā)生爆炸或者燃燒現(xiàn)象。

鋰離子電池

鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場(chǎng)，是目前世界上最新一代的充電電池系統(tǒng)，與其它電池想比，其有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、更快的充電、自放電率低一級(jí)工作溫度范圍款和安全等優(yōu)勢(shì)，相比較鎳氫電池，混合動(dòng)力汽車采用鋰離子電池，可是電池系統(tǒng)的質(zhì)量下降40%～50%、體積減小20%～30%，能源效率也有提升。

鋰離子電池工作原理（磷酸鐵鋰電池其實(shí)只是鋰離子電池的一個(gè)分支）

鋰離子電池按照不同的正極材料可以分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵離子電池以及鎳鈷鋰離子電池（鎳鈷錳離子電池）等，大多數(shù)新能源車型所使用的第一代鋰離子電池均為錳酸鋰離子電池，其成本更低、安全，但是循環(huán)壽命欠佳，同時(shí)在高溫狀態(tài)下循環(huán)壽命短，甚至在高溫狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)錳離子溶出現(xiàn)象，而現(xiàn)在大多數(shù)新能源車型所使用的第二代電池組為磷酸鐵離子電池，也是未來(lái)鋰離子電池的發(fā)展方向所在。

鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)

1、工作電壓高，其工作電壓為3.6V，是鎳氫、鎳鎘電池工作電壓的3倍；

2、比能量高，其比能量達(dá)到150Wh/kg，是鎳鎘電池三倍，鎳氫電池1.5倍；

3、循環(huán)壽命長(zhǎng)，其循環(huán)壽命可以達(dá)到千次以上，在低放電深度下可以達(dá)到幾萬(wàn)次，超過(guò)了其它幾種二次電池；

4、自放電率低，鋰離子電池的自放電率僅為6～8%，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池和鎳氫電池。

5、無(wú)記憶性、無(wú)污染、隨意塑形。

鋰離子電池缺點(diǎn)

1、成本高，主要是正極材料的LiCoO的成本高，但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來(lái)計(jì)算的話，其實(shí)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(guò)充現(xiàn)象。

燃料電池

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)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能，工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反映的物質(zhì)）燃料和氧化劑。猶豫它是把燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放出的能量變成電能，所以成為燃料電池。燃料電池的發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、化工過(guò)程和自動(dòng)化等學(xué)科為基礎(chǔ)的，而最早的燃料電池在1839年格洛夫使用電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣而制造出了最早的燃料電池。

燃料電池優(yōu)缺點(diǎn)

其實(shí)根據(jù)燃料電池車的工作原理來(lái)說(shuō)，其所謂的燃料電池其實(shí)就好象串聯(lián)式混合動(dòng)力車的工作原理，其燃料電池并不是純粹意義上的電池，而是一個(gè)輸送電能的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能后輸送給電池，爾后再將電能輸送給電動(dòng)機(jī)，或者其實(shí)稱它為串聯(lián)式混合動(dòng)力車也未嘗不可，但是它的優(yōu)點(diǎn)卻更多：

1、比如它的能量轉(zhuǎn)換的效率更高。過(guò)氫氧化和作用將其所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，而不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程，也不受卡諾循環(huán)的限制；

2、無(wú)污染。其排放物僅為可食用的純凈水，或者說(shuō)開(kāi)車不需要帶太多的飲用水了。

3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。燃料電池車（質(zhì)子交換膜燃料電池）的電池模塊是一種積木化的結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝以及維護(hù)都非常方便，同時(shí)因?yàn)槠涔ぷ鳛檎`解些運(yùn)動(dòng)部件，以及工作中只會(huì)產(chǎn)生水，所以其在運(yùn)行中的噪音也會(huì)更低。

4、氫能源來(lái)源充分。氫是一種來(lái)源非常廣泛的能源，且是一種可再生資源，比如可以通過(guò)石油、天然氣、甲醇、甲烷等進(jìn)行重整制氫、光解水制氫等方法得到氫氣。

不過(guò)缺點(diǎn)同樣存在，其成本與其它新能源動(dòng)力一樣會(huì)非常高，同時(shí)對(duì)氫的純凈度要求非常高，以及因?yàn)闅鋵儆诨钚晕镔|(zhì)，所以對(duì)于其儲(chǔ)存器具的要求也頗為嚴(yán)苛，致使其在科技含量以及成本上都不會(huì)比其它新能源動(dòng)力低，而這些也正是制約燃料電池發(fā)展的主要瓶頸，雖然奔馳汽車在燃料電池方面有著不錯(cuò)的發(fā)展，但是其瓶頸則依然卡在了電池能量密度、制造成本等問(wèn)題之上。