电动汽车电池的分类及性能参数

电动汽车电池的分类及性能参数发布时间：2010年8月5日来源：中国有色网一、概述电动汽车并不是一个新概念。1873年戴维逊研制成功电动汽车，开创了电动汽车的先河。严格意义的电动汽车是与燃油汽车相对应的，包括电动货车、客车、轿车等，但不包括用于工厂、货站、码头传送物件的电瓶车。能源危机和环境污染是当今全球性两大突出问题。世界石油储量日益减少，而燃油汽车是石油消耗的大户。为了确保必须使用石油作原料的化工部门的石油供应，寻找替代能源是汽车工业发展的方向。与此同时，城市交通噪声和汽车排放污染也日益严重。据统计，全球汽车保有量已愈六亿，其中，绝大部分是燃油汽车，汽车排放污染占人类向大气排放污染的42%，因此，研制低(无)排放的新型交通工具势在必行。进入21世纪后，电动汽车的研制已在全世界范围兴起。我国在80年代初就开始研制电动汽车。进入21世纪后，研制的步伐明显加快。最近，国家发改委又投入大量资金组织研究开发。目前，具有代表性的电动汽车有：⑴比亚迪开发的双模混合动力汽车、纯电动轿车；⑵东风汽车公司开发的以盘式永磁无刷电机为动力、以IGBT调速系统为控制、以动力蓄电池为能源的电动轿车；⑶北京重工研制的以22kW异步交流电动机为动力、以IGBT调速系统为控制、以482厂动力蓄电池为能源的电动客车；⑷清华大学研制的以22kW无刷电机为动力、以动力蓄电池为能源的16座电动面包车；⑸郑州华联电动车辆研究所研制的以10kW同步电动机为动力、以IGBT调速系统为控制、以蓄电池为能源的、过载能力4倍的电动轿车；⑹华南理工大学研制的EV6630、EV6600及EV6620电动轻型客车，其中，EV6630电动客车已在深圳投入试运行1万公里。此外，一汽、上汽、广汽、长安等国内汽车企业也研制了自己的电动汽车。二、电动汽车电池的分类⑴电池的分类电动汽车用电池为化学电源，它的分类方法很多。按电解液分为：a.碱性电池。即电解液为碱性水溶液的电池；b.酸性电池。即电解液为酸性水溶液的电池；c.中性电池。即电解液为中性水溶液的电池；d.有机电解质溶液电池。即电解液为有机电解质溶液的电池。按活性物质的存在方式分为：a.活性物质保存在电极上。可分为一次电池(非再生式，原电池)和二次电池(再生式，蓄电池)；b.活性物质连续供给电极。可分为非再生燃料电池和再生燃料电池。按电池的某些特点分为：a.高容量电池；b.免维护电池；c.密封电池；d.燃结式电池；e.防爆电池；f.扣式电池、矩形电池、圆柱形电池等。尽管由于化学电源品种繁多，用途广泛，外形差别大，使上述分类方法难以统一，但习惯上按其工作性质及存贮方式不同，一般分为四类：a.一次电池一次电池，又称“原电池”，即放电后不能用充电的方法使它复原的电池。换言之，这种电池只能使用一次，放电后电池只能被遗弃了。这类电池不能再充电的原因，或是电池反应本身不可逆，或是条件限制使可逆反应很难进行。如：锌锰干电池Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2(C)锌汞电池Zn│KOH│HgO银锌电池Zn│KOH│Ag2Ob.二次电池二次电池，又称“蓄电池”，即放电后又可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电，且可反复多次循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学能量贮存装置，用直流电将电池充足，这时电能以化学能的形式贮存在电池中，放电时，化学能再转换为电能。如：铅酸电池Pb│H2SO4│PbO2镍镉电池Cd│KOH│NiOOH镍氢电池H2│KOH│NiOOH锂离子电池LiCoO2│有机溶剂│6C锌空气电池Zn│KOH│O2(空气)c.贮备电池贮备电池，又称“激活电池”，是正、负极活性物质和电解液不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的一类电池。这类电池的正、负极活性物质的化学变质或自放电，因与电解液的隔离而基本上被排除，从而使电池能长时间贮存。如：镁银电池Mg│MgCl2│AgCl钙热电池Ca│LiCl-KCl│CaCrO4(Ni)铅高氯酸电池Pb│HclO4│PbO2d.燃料电池燃料电池，又称“连续电池”，即只要活性物质连续地注入电池，就能长期不断地进行放电的一类电池。它的特点是电池自身只是一个载体，可以把燃料电池看成一种需要电能时将反应物从外部送入电池的一种电池。如：氢燃料电池H2│KOH│O2肼空燃料电池N2H4│KOH│O2(空气)必须指出，上述分类方法并不意味着某一种电池体系只能分属一次电池、二次电池、贮备电池或燃料电池。恰相反，某一种电池体系可以根据需要设计成不同类型的电池。如锌银电池，可以设计成一次电池，也可以设计成二次电池，或贮备电池。三、电动汽车电池的性能参数化学电池品种繁多，性能各异。常用以表征其性能的指标有：电性能、机械性能、贮存性能等，有时还包括使用性能和经济成本。我们主要介绍其电性能和贮存性能。电性能包括：电动势、额定电压、开路电压、工作电压、终止电压、充电电压、内阻、容量、比能量和比功率、贮存性能和自放电、寿命等。贮存性能主要取决于电池的自放电大小。⑴电动势电池的电动势，又称电池标准电压或理论电压，为电池断路时正负两极间的电位差。电池的电动势可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算而得。⑵额定电压额定电压(或公称电压)，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸蓄电池为2V，锂离子电池为3.6V。⑶开路电压电池的开路电压是无负荷情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势。必须指出，电池的电动势是从热力学函数计算而得到的，而电池的开路电压则是实际测量出来的。⑷工作电压系指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围。例如，铅酸蓄电池的工作电压在2V～1.8V；镍氢电池的工作电压在1.5V～1.1V；锂离子电池的工作电压在3.6V～2.75V。⑸终止电压系指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例：电动势为2.1V，额定电压为2V，开路电压接近2.15V，工作电压为2V～1.8V，放电终止电压为1.8V～1.5V(放电终止电压根据放电率的不同，其终止电压也不同)。⑹充电电压系指外电路直流电压对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内。例如，镍镉电池的充电压在1.45V～1.5V；锂离子电池的充电压在4.1V～4.2V；铅酸蓄电池的充电压在2.25V～2.5V。⑺内阻蓄电池的内阻包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等。a.正负极板电阻目前普遍使用的铅酸蓄电池正、负极板为涂膏式，由铅锑合金或铅钙合金板栅架和活性物质两部分构成。因此，极板电阻也由板栅电阻和活性物质电阻组成。板栅在活性物质内层，充放电时，不会发生化学变化，所以它的电阻是板栅的固有电阻。活性物质的电阻是随着电池充放电状态的不同而变化的。当电池放电时，极板的活性物质转变为硫酸铅(PbSO4)，硫酸铅含量越大，其电阻越大。而电池充电时将硫酸铅还原为铅(Pb)，硫酸铅含量越小，其电阻越小。b.电解液电阻电解液的电阻视其浓度不同而异。在规定的浓度范围内一旦选定某一浓度后，电解液电阻将随充放电程度而变。电池充电时，在极板活性物质还原的同时电解液浓度增加，其电阻下降；电池放电时，在极板活性物质硫酸化的同时电解液浓度下降，其电阻增加。c.隔板电阻隔板的电阻视其孔率而异，新电池的隔板电阻是趋于一个固定值，但随电池运行时间的延长，其电阻有所增加。因为，电池在运行过程中有些铅渣和其他沉积物在隔板上，使得隔板孔率有所下降而增加了电阻。d.连接体电阻连接体包括单体电池串联时连接条等金属的固有电阻，电池极板间的连接电阻，以及正、负极板组成极群的连接体的金属电阻，若焊接和连接接触良好，连接体电阻可视为一固定电阻。每只电池所呈现的内阻就是上述物体电阻的总和，电池内阻R与电动势、端电压及放电电流的关系：Rs=(E-Uf)÷If电池的内阻在放电过程中会逐渐增加，而在充电过程中则逐渐减小。所以，电池在充放电过程中，端电压也会因其内阻的变化而变动。故端电压在放电时低于电池的电动势，充电时又高于电池的电动势。⑻容量电池的容量单位为库仑(C)或安时(Ah)。表征电池容量特性的专用术语有三个：a.理论容量。系指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量。通常，理论上1电化当量物质将放出1法拉第电量，即96500C或26.8Ah(1电化当量物质的量，等于活性物质的原子量或分子量除以反应的电子数)。b.额定容量。系指在设计和生产电池时，规定或保证在指定放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。c.实际容量。系指在一定的放电条件下，即在一定的放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电量。电池的实际容量通常比额定容量大10%～20%。电池容量的大小，与正、负极上活性物质的数量和活性有关，也与电池的结构和制造工艺与电池的放电条件(电流、温度)有关。影响电池容量因素的综合指标是活性物质的利用率。换言之，活性物质利用得越充分，电池给出的容量也就越高。活性物质的利用率可以定义为：利用率=(电池实际容量/电池理论容量)×100%或，利用率=(活性物质理论用量/活性物质实际用量)×100%。⑼比能量和比功率电池的输出能量是指在一定的放电条件下，电池所能作出的电功，它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时(Wh)表示。电池的比能量有两种。一种叫重量比能量，用瓦时/千克(Wh/kg)表示；另一种叫体积比能量，用瓦时/升(Wh/L)表示。比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量。它的比较电池性能优劣的重要指标。必须指出，单体电池和电池组的比能量是不一样的。由于电池组合时总要有连接条、外部容器和内包装层等，故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量。电池的功率是指在一定的放电条件下，电池在单位时间内所能输出的能量。单位是瓦(W)，或千瓦(kW)。电池的单位重量或单位体积的功率称为电池的比功率，它的单位是瓦/千克(W/kg)或瓦/升(W/L)。如果一个电池的比功率较大，则表明在单位时间内，单位重量或单位体积中给出的能量较多，即表示此电池能用较大的电流放电。因此，电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。⑽贮存性能和自放电电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后，其容量会自行降低，这个现象称自放电。所谓“贮存性能”是指电池开路时，在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。电池在贮存期间，虽然没有放出电能量，但是在电池内部总是存在着自放电现象。即使是干贮存，也会由于密封不严，进入水份、空气及二氧化碳等物质，使处于热力学不稳定状态的部分正极和负极活性物质构成微电池腐蚀机理，自行发生氧化还原反应而白白消耗掉。如果是湿贮存，更是如此。长期处在电解液中的活性物质也是不稳定的。负极活性物质大多是活泼金属，都会发生阳极自溶。酸性溶液中，负极金属是不稳定的，在碱性溶液及中性溶液中也非十分稳定。电池自放电的大小，一般用单位时间内容量减少的百分比表示，即：自放电=(Co-Ct/Cot)×100%式中：Co──贮存前电池容量，Ah；Ct──贮存后电池容量，Ah；t──贮存时间，用天、周、月或年表示。自放电的大小，也能用电池贮存至某规定容量时的天数表示，称为贮存寿命。贮存寿命有两种，即干贮存寿命和湿贮存寿命。对于在使用时才加入电解液的电池贮存寿命，习惯上也称为干贮存寿命。干贮存寿命可以很长。对于出厂前已加入电解液的电池贮存寿命，习惯上称为湿贮存寿命(或湿荷电寿命)。湿贮存时自放电严重，寿命较短。如银锌电池的干贮存寿命可达5～8年，但它的湿贮存寿命通常只有几个月。降低电池中自放电的措施，一般是采用纯度较高的原材料，或将原材料预先处理，除去有害杂质。也可在负极金属板栅中加入氢过电位较高的金属，如Ag、Cd等，还有的在溶液中加入缓蚀剂，目的都是抑制氢的析出，减少自放电反应的发生。⑾寿命电池的寿命有“干贮存寿命”和“湿贮存寿命”两个概念。必须指出，这两个概念仅是针对电池自放电大小而言的，并非电池的实际使用期限。电池