目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 3前言 5第一章電動汽車發展概況 61.1電動汽車的定義及簡介 61.2電動汽車的結構 61.3電動汽車的發展史 6第二章混合動力電動汽車 82.1混合動力電動汽車的特點 82.2混合動力電動汽車的能量管理策略 82.3混合動力汽車分類及各類型的工作原理 92.3.1串聯式混合動力汽車的結構特點 92.3.2并聯式混合動力汽車的結構特點 92.3.3混聯式混合動力汽車（PSHEV）的結構特點 10第三章燃料電池電動汽車 113.1燃料電池電動汽車的特點以及特性分析 113.2燃料電池的簡介 113.3燃料電池汽車的優缺點 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質子交換膜燃料電池 13第四章純電動汽車（EV） 144.1純電動汽車的特性分析 144.1.1純電動汽車的簡介 144.1.2純電動汽車的優缺點 144.2純電動汽車蓄電池的簡介 154.2.1蓄電池結構圖 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太陽能蓄電池 204.4動力電池的工作原理 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太陽能蓄電池的工作原理 364.5純電動汽車的發展情況 37第五章動力電池組特性的分析與均衡管理分析 405.1動力電池主要性能參數 405.1.1電壓 405.1.2內阻 405.1.3溫升 415.1.4內壓 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動力電池組充放電特性 435.2.1充電 435.2.2過充電 445.2.3放電 445.2.4過放電 445.2.5經濟速度與續駛里程 455.2.6加速與爬坡 455.2.7剎車制動與逆變 455.2.8先進的電池組使用方法 455.3動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靜態與動態 475.3.5單向和雙向 485.3.6集中與分散 485.3.7獨立與級聯 495.3.8效率與安全 505.3.9控制與管理 505.3.10均衡小結 505.4動力電池的選用策略 51總結 53致謝 54參考文獻 55

電動汽車動力電池的特性分析學生：李帥指導老師：皮勝文學院：機電工程學院摘要本文介紹了電動汽車發展狀況，電動汽車的工作原理和動力電池的特性分析。在本課題的設計中，筆者研究的內容主要包含了國內外電動汽車的發展狀況，電動汽車的結構、工作原理，動力蓄電池的種類、工作原理及特性分析。隨著汽車擁有量逐年增加，汽車廢氣排放及對石油資源的過度消耗所引發的環境、能源問題日益嚴重，電動汽車是目前最具開發潛力的綠色交通工具，發展電動汽車必是日后汽車發展的主要方向。研究低成本高效電池和社會充電系統是今后我國電動汽車的發展趨勢。關鍵詞：低碳經濟、電動汽車、動力電池

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

前言能源危機和日益嚴重的環境污染使汽車技術正經歷著燃料多元化、動力電氣化等重大技術變革。具有高效節能、低排放或零排放優勢的電動汽車重新獲得了生機，并受到世界各國的廣泛重視，是國際節能環保汽車發展的主攻方向，世界上許多國家都開始投入大量資金開發新能源汽車。新能源汽車已成為世界各大汽車公司21世紀初激烈競爭的焦點，動力技術革命將徹底改變2l世紀汽車業的面貌。電動汽車實現產業化的關鍵在于電池，鉛酸、鎳氫、鋰電池在成本、穩定性、性能指標等方面各有優勢，也一直存有爭議。依據2009年工信部公布的《新能源汽車生產企業及產品準入管理規則》，新能源汽車產品劃分為起步期、發展期、成熟期三個不同的技術階段，燃料電池汽車屬于起步期，鋰電池電動汽車屬于發展期，鉛酸蓄電池電動汽車屬于成熟期產品。從動力電池技術路線的發展歷程看，最早是鉛酸電池，后來是Ni-MH電池，再進一步是鋰離子電池。由于磷酸鐵鋰安全性和性能都非常好，現在各國都在重點技術攻關，普遍認為是今后動力電池的一個主導方向。但據統計，目前全球90%的電動車車型使用的是日韓的電池，技術路線以錳酸鋰加三元材料為主。國內上市公司中，德賽電池、華芳紡織等生產電池，中國寶安等生產磷酸鐵鋰，杉杉股份主攻三元材料和錳酸鋰，中信國安、西藏礦業等擁有上游鋰資源。

第一章電動汽車發展概況1.1電動汽車的定義及簡介電動汽車（ElectricVehicle）是指以車載電源為動力，用電機驅動車輪行駛，符合道路交通、安全法規各項要求的車輛。一般采用高效率充電電池，或燃料電池為動力源。電動汽車無需再用內燃機，因此，電動汽車的電動機相當于傳統汽車的發動機，蓄電池相當于原來的油箱。傳統燃油汽車的傳能方式為剛性的物理齒輪傳動裝置，而電動車的傳能方式為電導線，這就使電動車的布局更加自由化，結構更加簡單，維修更加容易，使用壽命更長，并可直接利用電子技術進行傳動、顯示和控制，使風阻系數大大減少，還易于實現自動控制，同時安全性也優于內燃機汽車。電動汽車主要包括有：純電動汽車(BEV)、混合動力汽車(HEV)、燃料電池汽車(FCEV)等。1.2電動汽車的結構電動汽車的組成包括電力驅動及控制系統、驅動力傳動等機械系統、完成既定任務的工作裝置等，分別是電源、驅動電動機、電動機調速控制裝置、傳動裝置、行駛裝置、轉向裝置、制動裝置、工作裝置。電力驅動及控制系統是電動汽車的核心，也是區別于內燃機汽車的最大不同點。電力驅動及控制系統由驅動電動機、電源和電動機的調速控制裝置等組成。電動汽車的其他裝置基本與內燃機汽車相同。1.3電動汽車的發展史一百多年來，電動汽車在汽車發展史中經歷了三次重大機遇。第一次發生在一百余年前。由于當時電池和電機的發展較內燃機成熟，而且石油的運用還沒有普及，使電動汽車在早期的汽車領域中占有舉足輕重的位置。第一輛電動汽車（3輪）由法國人古斯塔夫?土維（GustaveTrouve）在1881年制造出來，此后三四十年間，電動汽車在當時的汽車發展中占據著重要位置。19世紀末期到1920年是電動車發展的一個高峰。在早期的汽車市場上電動車比內燃機驅動車輛有著更多優勢：無氣味、無震蕩、無噪音、不用換擋和價格低廉，這使得當時的市場是以電動車為主導。隨著美國德州石油的開發和內燃機技術大大提高，電動車在1920年之后漸漸地失去了優勢。汽車市場逐步給內燃機驅動的汽車所取代。第二次是在70年代石油危機的爆發時.由于石油的大量開采和內燃機的種種優越性，電動汽車漸漸被人們忽視。直到上世紀70年代石油危機的爆發，給世界各國政界一次不小的打擊，開始考慮替代石油的其他能源，包括風能、太陽能、電能等可再生能源。因此從政治經濟方面考慮，才又給了電動汽車第二次機遇，又一次被人矚目。第三次機遇開始于20世紀90年代，各個主要的汽車生產廠家開始關注電動車的未來發展并且開始投入資金和技術在電動車領域。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年法國雷諾汽車的Clio，1997年豐田的Prius混合動力轎車下線，1997年日產汽車推出世界上第一輛使用鋰離子電池的電動車PrairieJoyEV，1999年本田汽車發布、銷售混合動力Insight。

第二章混合動力電動汽車2.1混合動力電動汽車的特點混合動力電動汽車是將電力驅動與傳統的內燃機驅動相結合，充分發揮了二者的優勢。同時，它可以從根本上解決現在純電動汽車動力性能差和續駛里程短的問題。混合電動汽車與純電動汽車相比，其主要優勢是：電池容量大為減少，進而可以降低整車重量，為提高動力性作出貢獻。由于采用輔助動力驅動，打破了純電動汽車續駛里程的限制，其長途行駛能力可與傳統汽車相媲美。在混合動力電動汽車上采用高度實時和動態的優化控制策略，優化控制的結果盡量使動力系統各部件工作在最佳狀態效率區域，大大限制了內燃機在惡劣工況下的高燃油消耗和大量的尾氣排放，大大提高了混合動力汽車的燃油經濟性。在排放限制嚴格的地區，還可關閉輔助動力，以純電動方式工作，成為零排放汽車。空調系統等附件由內燃機直接驅動，有充分的能源供應，保證了汽車的乘坐舒適性。在控制策略的作用下，輔助動力可以向儲能裝置（一般為電池組）提供能量，從而保證混合動力電動汽車無需停車充電，因此可利用現有加油站，不需要進行專用充電設施的建設。由于混合動力汽車的電池組在使用過程中是淺充淺放，所以可以延長電池的使用壽命。2.2混合動力電動汽車的能量管理策略混合動力電動汽車具有兩個以上的動力源，因此為了解決混合動力汽車多動力源所引起的模式切換和功率分配，需要引入一個能量管理系統對系統的能量流動進行合理的分配。管理系統應遵循選定的能量管理策略并對其進行優化，以實現混合動力電動汽車要達到的目標。一般來說，應達到的幾個主要設定目標是：（1）使燃油經濟性最優；（2）使排放最低；（3）為了保持整車價格能夠被市場接受，使驅動系統的成本最小化；在實現上述三點的同時，維持或者提高整車的性能（加速性能、續駛性能、操作靈活性等）。2.3混合動力汽車分類及各類型的工作原理2.3.1串聯式混合動力汽車的結構特點HYPERLINK串聯混合動力電動汽車SHEV是由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成，它們采用“串聯”的方式組成驅動系統。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統不需要工作，蓄電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機、驅動電動機輸出的轉矩經變速器、傳動軸及驅動橋驅動車輪。蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統起動，為驅動系統提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。當車輛能量需求較大時，輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量，發動機-發電機組產生的交流電經整流器變為直流電和電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機。由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，使其排放得到改善。2.3.2并聯式混合動力汽車的結構特點圖3.1并聯式混合動力汽車HYPERLINK并聯式混合動力汽車的組成1、發動機2、電動機/發動機3、機械傳動系統4、驅動電動機5、逆變器6、蓄電池組PHEV是由發動機與電動機、發動機或驅動電機兩大動力總成組成。如上圖所示，它們采用“并聯”的方式組成驅動系統。電動機的動力要與車輛驅動系統相結合，可分為：（1）在發動機輸出軸處進行組合；（2）在變速器（包括驅動橋）處進行組合；（3）在驅動橋處進行組合。上圖是一種電動機的動力在驅動輪處進行組合的驅動輪動力組合式PHEV，其驅動模式為：1）以發動機驅動為基本驅動模式，獨立驅動后驅動輪；2）驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪；3）在混合驅動時，發動機驅動的后輪動力與驅動電機驅動的前輪動力進行組合，成為混合四驅動模式。2.3.3混聯式混合動力汽車（PSHEV）的結構特點圖3.2混聯式混合動力汽車混聯式混合動力汽車的組成:1、發動機2、電動機/發動機3、變速器或減速器4、驅動橋5、逆變器6、電動機7、蓄電池組PSHEV是綜合SHEV和PHEV結構特點組成的，由發動機、電動機或發動機和驅動電機三大動力總成組成。電動機的動力要與車輛驅動系統相適合，可以在變速器（包括驅動橋）處進行組合，也可以在驅動輪處進行組合。

第三章燃料電池電動汽車3.1燃料電池電動汽車的特點以及特性分析燃料HYPERLINK電池十分復雜，涉及HYPERLINK化學熱力學、HYPERLINK電化學、HYPERLINK電催化、材料科學、HYPERLINK電力系統及自動控制等學科的有關理論，具有發電HYPERLINK效率高、環境污染少等優點。總的來說，HYPERLINK燃料電池具有以下特點：（1）HYPERLINK能量轉化效率高，他直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒HYPERLINK過程，因而不受HYPERLINK卡諾循環的限制。（2）有害氣體SOx、NOx及噪音排放都很低，HYPERLINKCO2排放因能量轉換效率高而大幅度降低，無機械振動。（3）燃料適用范圍廣。（4）積木化強、規模及安裝地點靈活，燃料電池電站占地面積小，建設周期短，電站功率可根據需要由電池堆組裝，十分方便。（5）負荷響應快，運行質量高。燃料電池在數秒鐘內就可以從最低功率變換到額定功率。3.2燃料電池的簡介能源是經濟發展的基礎，沒有能源工業的發展就沒有現代文明。1839年HYPERLINK英國的Grove發明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了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發電機和電極過程動力學的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀50年代才有了實質性的進展，英國劍橋大學的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代這種電池成功地應用于HYPERLINK阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應用于宇航領域，同時，兆瓦級的HYPERLINK磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在HYPERLINK宇航、HYPERLINK軍事、HYPERLINK交通等各個領域中得到應用。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能，直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續發電。依據電解質的不同，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）及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等。3.3燃料電池汽車的優缺點燃料電池汽車與傳統汽車相比，燃料電池汽車具有以下優點：（1）零排放或近似零排放。（2）減少了機油泄露帶來的水污染。（3）降低了溫室氣體的排放。（4）提高了燃油經濟性。（5）提高了發動機燃燒效率。（6）運行平穩、無噪聲。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，簡稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。被普遍認為是在未來會與質子交換膜燃料電池(PEMFC)一樣得到廣泛普及應用的一種燃料電池。3.4.2甲醇燃料電池HYPERLINK直接甲醇燃料電池是HYPERLINK質子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉換成二氧化碳，質子和電子，如同標準的質子交換膜燃料電池一樣，質子透過質子交換膜在陰極與氧反應，電子通過HYPERLINK外電路到達陰極，并做功。較其它電池能量轉化率高。直接甲醇燃料電池技術困難1.催化劑：采用貴金屬納米催化劑，成本高。活性及穩定性達不到理想要求；2.質子交換膜：杜邦公司Nafion膜甲醇透過很嚴重，造成燃料浪費，陰極混合電位，性能下降；3.電池集成：針對DMFC的集成技術還不完善,這種電池的期望工作溫度為120℃，比標準的質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的化學電源。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反應生成CO2和H2O.反應中得失電子就可產生電流從而發電。美國科學家設計出以甲烷等碳氫化合物為燃料的新型電池,其成本大大低于以氫為燃料的傳統燃料電池。燃料電池使用氣體燃料和氧氣直接反應產生電能,其效率高、污染低,是一種很有前途的能源利用方式。但傳統燃料電池使用氫為燃料,而氫既不易制取又難以儲存,導致燃料電池成本居高不下。科研人員曾嘗試用便宜的碳氫化合物為燃料,但化學反應產生的殘渣很容易積聚在鎳制的電池正極上,導致斷路。美國科學家使用銅和陶瓷的混合物制造電池正極,解決了殘渣積聚問題。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氫這種化學元素，制造成儲存能量的HYPERLINK電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陽極。 氫燃料電池的存在優勢無污染：燃料電池對環境無污染。它是通過電化學反應，而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲能(蓄電池)方式－－最典型的傳統后備電源方案。燃燒會釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述,燃料電池只會產生水和熱。如果氫是通過HYPERLINK可再生能源產生的(光伏電池板、HYPERLINK風能發電等),整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。無噪聲：燃料電池運行安靜，相當于人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合于室內安裝，或是在室外對噪聲有限制的地方。高效率：燃料電池的發電效率可以達到50%以上,這是由燃料電池的轉換性質決定的，直接將HYPERLINK化學能轉換為電能,不需要經過熱能和機械能(發電機)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物中的化學能直接轉化成電能的裝置。3.4.6質子交換膜燃料電池質子交換膜燃料電池-概述：質子交換HYPERLINK膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由HYPERLINK陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為HYPERLINK氫燃料發生氧化的場所，HYPERLINK陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極HYPERLINK電化學反應的HYPERLINK催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一HYPERLINK直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。

第四章純電動汽車（EV）4.1純電動汽車的特性分析4.1.1純電動汽車的簡介純電動汽車（BEV）：由電動機驅動的汽車。電動機的驅動電能來源于車載可充電蓄電池或其他能量儲存裝置。大部分車輛直接采用電機驅動，有一部分車輛把電動機裝在發動機艙內，也有一部分直接以車輪作為四臺電動機的轉子，其難點在于電力儲存技術。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離人口密集的城市，對人類傷害較少，而且電廠是固定不動的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關技術。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力、風力、光、熱等，解除人們對石油資源日見枯竭的擔心。電動汽車還可以充分利用晚間用電低谷時富余的電力充電，使發電設備日夜都能充分利用，大大提高其經濟效益。有關研究表明，同樣的原油經過粗煉，送至電廠發電，經充入電池，再由電池驅動汽車，其能量利用效率比經過精煉變為汽油，再經汽油機驅動汽車高，因此有利于節約能源和減少二氧化碳的排放量，正是這些優點，使電動汽車的研究和應用成為汽車工業的一個“熱點”。有專家認為，對于電動車而言，目前最大的障礙就是基礎設施建設以及價格影響了產業化的進程，與混合動力相比，電動車更需要基礎設施的配套，而這不是一家企業能解決的，需要各企業聯合起來與當地政府部門一起建設，才會有大規模推廣的機會。4.1.2純電動汽車的優缺點優點：技術相對簡單成熟，只要有電力供應的地方都能夠充電。純電動車省去了油箱、發動機、變速器、冷卻系統和排氣系統，相比傳統汽車的內燃汽油發動機動力系統，電動機和控制器的成本更低，且純電動車能量轉換效率更高。因電動車的能量來源——電，來自大型發電機組，其效率是小型汽油發動機甚至混合動力發動機所無法比擬的。因此純電動汽車使用成本在下降。純電動汽車以電動機代替燃油機，由電機驅動而無需自動變速箱。相對于自動變速箱，電機結構簡單、技術成熟、運行可靠。在純電動車行駛過程中不需要換擋變速裝置，操縱方便容易，噪聲低。缺點：目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，其次電動車的電池較貴，又沒形成經濟規模，故購買價格較貴，至于使用成本、使用價格比汽車貴，不過有些價格僅為汽車的1/3，這主要取決于電池的壽命及當地的油、電價格。汽車動力電池難在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”與混合動力汽車相比，純電動車使用單一能源，使電控系統大大減少，汽車內部機械傳動系統結構簡化，也降低了機械部件摩擦導致的能量損耗及噪聲，節省了汽車內部空間，減輕了重量。4.2純電動汽車蓄電池的簡介蓄電池是電動汽車的動力源泉。目前，制約電動汽車發展的關鍵因素是動力蓄電池不理想。電動汽車蓄電池的主要性能指標是比能量、比功率和使用壽命等。要使電動汽車能與內燃機汽車相競爭，關鍵是開發出比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低的蓄電池。4.2.1蓄電池結構圖鉛酸密封蓄電池由正、負極板、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蓄電池結構圖4.2蓄電池實體一只蓄電池一般由3個單格(6V電池)或6個單格(12V電池)組合而成。每個單格由若干片正極板與若干片負極板(負極板比正極板多一片)，間隔重疊而成，中間用超細玻璃纖維隔板隔離。數片正極板用鉛合金焊接在一起組成正極群，同樣數片負極板用鉛合金焊接在一起組成負極群，正、負極群裝于電池槽內組成單體蓄電池。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形式連在一起。電池槽蓋用密封膠粘結。首尾單格作引出端子，引出正負極。4.2.2蓄電池主要部件極板是蓄電池的核心部件，被譽為蓄電池的“心臟”。目前電動助力車電池絕大多數采用涂膏式正、負極板。隔板被譽為蓄電池第三電極。它用以隔離正、負極，防止短路。作為電解液的載體，它能夠吸收大量電解液，起到離子良好擴散(離子導電)的作用。對密封蓄電池而言，隔板還作為正極板產生氧氣到達負極板的通道，使其順利地建立氧循環，減少水損失。采用超細玻璃纖維讓隔板式蓄電池實現免維護的關鍵。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：一是參與電化學反應，是蓄電池活性物質之一；二是起導電作用，蓄電池使用時通過電解液中離子遷移，起到導電作用，使電化學反應得以順利進行。安全閥是蓄電池的關鍵部件之一，它位于蓄電池頂部，作用有三個：安全使用。即當蓄電池使用過程中內部產生氣體氣壓達到安全閥壓時，開閥將壓力釋放，防止產生電池變形、破裂等發生。密封作用。當蓄電池內壓低于安全閥的閉閥壓時安全閥關閉，防止內部氣體酸霧往外泄漏，同時也防止空氣進入電池造成不良影響。保證蓄電池有一定內壓，促進蓄電池內氧復合，減少失水。防爆作用。某些安全閥裝有防酸、爆片。安全閥結構類型較多，主要有帽式、傘狀、片狀等幾種。帽式閥技術比較成熟，閥結構簡單，制作工藝也比較簡單，使用故障率低。但閥的開啟壓力和關閉壓力變化范圍較大，開閉閥壓重現性差，這是閥與閥座配合狀態不易完全恢復所致，安裝時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(開關閥壓力測試時也需采取定位安裝方法)。安裝配合尺寸對閥的開閉閥壓影響較大，需采取提高配合精度的措施。在電動車電池上使用，因電解液濃度高，還時有粘連的缺陷，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，開閥壓較低，開閥壓重現性較好，可靠性較高。4.3蓄電池的種類蓄電池是電動汽車的動力源泉。目前，制約電動汽車發展的關鍵因素是動力蓄電池不理想。電動汽車蓄電池的主要性能指標是比能量、比功率和使用壽命等。要使電動汽車能與內燃機汽車相競爭，關鍵是開發出比能量高、比功率大、使用壽命長、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，廣泛用作內燃機汽車的起動動力源。它也是成熟的電動汽車蓄電池，目前約有80％－90％的采用率。它可靠性好、原材料易得、價格便宜，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它有兩大缺點：一是比能量低，所占的質量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本過高。主要特性:1)安全密封:在正常操作中，電解液不會從電池的端子或外殼中泄露出。2)沒有自由酸:特殊的吸液隔板將酸保持在內，電池內部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置。3)泄氣系統:電池內壓超出正常水平后，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池會放出多余氣體并自動重新密封，保證電池內沒有多余氣體。4)維護簡單:由于獨一無二的氣體復合系統使產生的氣體轉化成水，在使用VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池的過程中不需要加水。5)使用壽命長:采用了有抗腐蝕結構的鉛鈣合金欄板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)質量穩定，可靠性高:采用先進的生產工藝和嚴格的質量控制系統，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“閥控式密封鉛酸蓄電池”的縮寫)電池的質量穩定，性能可靠。電壓、容量和密封在線上進行100%檢驗。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成，電解液是硫酸的水溶液。它的主要優點是電壓穩定、價格便宜；缺點是比能低(即每公斤蓄電池存儲的電能)、使用壽命短和日常維護頻繁。2）干荷蓄電池：它的全稱是干式荷電鉛酸蓄電池，它的主要特點是HYPERLINK負極板有較高的儲電能力，在完全干燥狀態下，能在兩年內保存所得到的電量，使用時，只需加入電解液，等過20—30分鐘就可使用。3）免維護蓄電池：免維護蓄電池由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。市場上的免維護蓄電池也有兩種：第一種在購買時一次性加電解液以后使用中不需要維護(添加補充液)；另一種是電池本身出廠時就已經加好電解液并封死，用戶根本就不能加補充液.4.3.2鎳鎘蓄電池目前，鎳鎘蓄電池的應用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池其比能量可達55W·h/kg，比功率超過190W/kg，可快速充電，循環使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達到2000多次，但價格為鉛酸蓄電池的4－5倍。它的初期購置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優勢，因此其長期的實際使用成本并不高。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，不過鎳氫蓄電池不含鎘、銅，不存在重金屬污染問題。目前生產電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovonie公司，它現有80A·h和130A·h兩種單元電池，并由此構成30kw·h和50kw·h兩種規格的電池。其比能量達75-80W·h/kg，比功率達160-230W/kg，循環使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動汽車上試用，其中一類車一次充電可行駛345km，有一輛車一年中行駛了8萬多公里。由于價格較高，目前尚未大批量生產。估計隨著鎳氫蓄電池技術的發展，其比能量可超過80w·h/kg，循環使用壽命可超過2000次，遠景價格可降至150美元/Kw·h。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動汽車優先考慮蓄電池。4.3.4鈉硫蓄電池鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車蓄電池，美國福特汽車公司的Mnivan電動汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國先進電池聯合體（USMABC）列為中期發展的電動汽車蓄電池，德國ABB公司生產的B240K型鈉硫蓄電池，其質量為17.5kg，蓄電量19.2Kw·h，比能量達109W·h/kg，循環使用壽命1200次，裝車試驗時最好的一輛車無故障地行駛了2300km。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴重，電池壽命較短，性能穩定性及使用安全性不太理想等問題。4.3.5鋰離子電池鋰離子電池是在鋰電池的基礎上發展起來的一種新型電池。作為一種小型輕量、高容量、對環境安全的新型電池,鋰離子電池主要用于便攜式攝放一體機、CD游戲機、移動電話機、筆記本電腦等家用小型電器設備,隨著這些電器的迅速發展,鋰離子電池的生產及需求量也會與日俱增。磷酸鐵鋰電池于1997年由美國德克薩斯州大學JohnGoodenough教授的研究小組最早發明，發明之初并沒有得到太多的關注。2006年春天，全球最大的電動手工具大廠Black&Decker推出一款電壓為36V的無電線新型電動手工具，這款工具的特點是采用了可lh高速充電、具有強大的功率性能、高安全性及2000次以上循環壽命的磷酸鐵鋰電池，電池由A123公司提供。這款產品的熱賣引起許多相關業者的關注，包括磷酸鐵鋰電池的專利擁有者一一美國德州大學。由于磷酸鐵鋰具有安全、穩定性高，環保、原料無毒，價格便宜等優勢，已經成為未來鋰離子電池的發展方向。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DEMI公司為電動汽車開發的鋅空氣電池的比能量已達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。美國的CRX電動汽車裝的就是鋅空氣電池，該車為彌補它的不足，還裝有鎳鎘蓄電池以幫助汽車起動和加速CRX車的鋅空氣電池組質量為340kg，充足電后可存儲45kw·h的能量，同時裝備CRX的重達159kg的鎳鎘蓄電池充足電后有4kw·h能量。充電12分鐘可使CRX電動汽車行駛65km，充電一小時則可行駛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，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。眾所周知，當飛輪以一定角速度旋轉時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。高技術型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池充電增加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發電機狀態運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉換。當飛輪電池供出電時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環境下運轉的，轉速極高（高達200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，飛輪電池比能可達150W·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛600km，由0到96km/h加速時間為6.5秒。4.3.8燃料電池燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。它不經歷熱機過程，不受熱力循環限制，故能量轉換效率高，燃料電池的化學能轉換效率在理論上可達100％，實際效率已達60％－80％，是普通內燃機熱效率的2－3倍。現在應用于電動汽車中的燃料電池是一種被稱為質子交換膜燃料電池（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上，加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一輛以PEMFC電池為動力的電動公共汽車，載客20人，可行駛160km，最高速度72.2km/h。德國奔馳汽車公司也研制了以PEMFC電池為動力的電動汽車。4.3.9太陽能蓄電池太陽能作為一種新型清潔能源備受環保人士的推崇，但“月有陰晴圓缺，天有刮風下雨”，在沒有太陽時，又該怎么辦呢？太陽能蓄電池就是為了這種情況而存在的。光伏離網發電系統是利用光電效應原理將太陽能轉換為電能的發電系統，通常由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成。計劃，太陽能電池組件的作用是將太陽能轉化為電能，供給負載工作或給蓄電池組充電;控制器的作用是對蓄電池組的充放電進行保護;蓄電池組用于存儲電能;逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽電池組件無法工作時，由蓄電池組供電給負載工作。蓄電池的工作方式可分為循環使用和浮充使用兩種。經常處于頻繁的充放電工作狀態，即循環使用;經常處于充電狀態則為浮充使用，能彌補蓄電池因自放電而造成的容量損失。光伏發電系統用VRLA蓄電池屬于循環使用方式。4.4動力電池的工作原理4.4.1鉛酸電池的工作原理圖4.3鉛酸蓄電池的結構原理圖鉛酸蓄電池主要由正極極群、負極極群、電解液和容器組成。它的正極是PbO2，負極是金屬Pb，正負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定物質--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，負極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發生反應，變成鉛離子（Pb2），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）。可見，在未接通外電路時（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子。鉛蓄電池內的陽極(PbO2)及陰極(Pb)浸到電解液(稀硫酸)中，兩極間會產生2V的電力，這是根據鉛蓄電池原理，經由充放電，則陰陽極及電解液即會發生如下的變化：(陽極)(電解液)(陰極)PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4(放電反應)(過氧化鉛)(硫酸)(海綿狀鉛)(陽極)(電解液)(陰極)PbSO4+2H2O+PbSO→PbO2+2H2SO4+Pb(充電反應)(硫酸鉛)(水)(硫酸鉛)鉛酸蓄電池放電時，在蓄電池的電位差作用下，負極板上的電子經負載進入正極板形成電流I。同時在電池內部進行化學反應。負極板上每個鉛原子放出兩個電子后，生成的鉛離子（Pb2）與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應，在極板上生成難溶的硫酸鉛（PbSO4）。正極板的鉛離子（Pb4）得到來自負極的兩個電子（2e）后，變成二價鉛離子（Pb2），與電解液中的硫酸根離子（SO4-2）反應，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，生成穩定物質水。電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場的作用下分別移向電池的正負極，在電池內部形成電流，整個回路形成，蓄電池向外持續放電。放電時H2SO4濃度不斷下降，正負極上的硫酸鉛（PbSO4）增加，電池內阻增大（硫酸鉛不導電），電解液濃度下降，電池電動勢降低。充電時，應在外接一直流電源（充電器或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質恢復成原來的活性物質，并把外界的電能轉變為化學能儲存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb2）和硫酸根負離子（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鉛離子（Pb2）不斷放出兩個電子來補充，變成四價鉛離子（Pb4），并與水繼續反應，最終在正極極板上生成二氧化鉛（PbO2）。在負極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價鉛離子（Pb2）和硫酸根負離子（SO4-2），由于負極不斷從外電源獲得電子，則負極板附近游離的二價鉛離子（Pb2）被中和為鉛（Pb），并以絨狀鉛附著在負極板上。電解液中，正極不斷產生游離的氫離子（H）和硫酸根離子（SO4-2），負極不斷產生硫酸根離子（SO4-2），在電場的作用下，氫離子向負極移動，硫酸根離子向正極移動，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主要由鎳制成，負極活性物質主要由鎘制成的一種堿性HYPERLINK蓄電池。正極為氫氧化鎳，負極為鎘，電解液是氫氧化鉀溶液，充電、放電的化學反應是：放電反應式：負極反應：Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e-正極反應：2e-+NiO2+2H2O→Ni(OH)2+2OH-反應：Cd+NiO2+2H2O→Cd(OH)2+Ni(OH)2充電反應式：正極反應：Ni(OH)2+2OH-→2e-+NiO2+2H2O負極反應：Cd(OH)2+2e-→Cd+2OH-總反應：Cd(OH)2+Ni(OH)2→Cd+NiO2+2H2O蓄電池充電終了時，充電電流將使電池內發生分解水的反應，在正、負極板上將分別有大量氧氣和氫氣析出。從上述電極反應可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反應，只起導電作用。從電池反應來看，充電過程中生成水分子，放電過程中消耗水分子，因此充、放電過程中電解液濃度變化很小，不能用密度計檢測充放電程度。鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，經濟耐用。其內部抵制力小，既內阻很小，可快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。與其它類型的電池比較，鎳鎘電池可耐過充電或過放電。鎳鎘電池的放電電壓根據其放電裝置有所差異，每個單元電池(Cell)大約是1.2V，電池容量單位為Ah(HYPERLINK安時)、mAh(HYPERLINK毫安時)，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，鎳鎘電池在長時間放置的情況下，特性也不會劣化，充分充電后可完全恢復原來的特性，它可在－20℃+60℃的溫度范圍內使用。由于單元電池采用金屬容器，堅固耐用；采用完全密封的方式，不會出現電解液泄漏現象，故無須補充電解液。提高電池性能及延長電池使用壽命的關鍵在于避免記憶效應和過度放電。鎳鎘電池有記憶效應，即鎳鎘電在幾次低容量下的充放電工作之后。如果要進行一次較大容量的充放電，電池將無法正常工作，這種情況即為記憶效應(Memoryeffect)。記憶效應使得放電終止電壓被設定的較高的錄像機、攝像機上，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現象。記憶效應使得電池的性能不能得到充分發揮，也給拍攝帶來極大的不便。因此，在使用中應注意使用帶充放電性能的充電器，如Sony公司的BC－1WDCE，避免記憶效應的產生，使用一般充電器的如BC－1WA、BC－1WB時，可在10次左右的充電以后進行一次放電，也可以達到防止記憶效應的目的。鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關：①活性物質的數量；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，對蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常，在高溫環境下，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。實驗證明：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，容量可提高20%。然而，電解液中鋰離子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會使殘留在正極板上的鋰離子（Li+）慢慢滲入晶格內部，對正極的化學變化產生有害影響。電解液的溫度對蓄電池的容量影響較大。這是因為隨著電解液溫度升高，極板活性物質的化學反應也逐步改善。電解液中的有害雜質越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時容易結晶，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極板作用，生成碳酸鎘附著在負極板表面上，從而引起導電不良，使蓄電池內阻增大，容量下降。4.4.3鎳氫蓄電池的工作原理4.6鎳氫蓄電池的結構原理圖鎳氫蓄電池是正極活性物質主要由鎳制成，負極活性物質主要由貯氫合金制成的一種HYPERLINK堿性HYPERLINK蓄電池。目前，鎳鎘蓄電池的應用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池其比能量可達55W·h/kg，比功率超過190W/kg，可快速充電，循環使用壽命較長，是鉛酸蓄電池的兩倍多，可達到2000多次，但價格為鉛酸蓄電池的4－5倍。它的初期購置成本雖高，但由于其在能量和使用壽命方面的優勢，因此其長期的實際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環境污染。電化學原理主要為KOH作電解液（電解質7moL/LKOH+15g/LLiOH）充電時正極反應：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-HYPERLINK負極反應：M+H2O+e-→MH+OH-總反應：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放電時正極：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-負極：MH+OH-→M+H2O+e-總反應：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2以上式中M為儲氫合金，MH為吸附了HYPERLINK氫原子的儲氫合金。最常用儲氫合金為LaNi5。鎳鎘電池NiCd電池正極板上的活性物質由氧化鎳粉和HYPERLINK石墨粉組成，石墨不參加化學反應，其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質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散性，防止結塊，并增加極板的容量。活性物質分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負極板。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。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(即電池不使用時失去電荷的速率)適中。NiCd電池在使用過程中，如果放電不完全就又充電，下次再放電時，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。當然，幾次完整的放電/充電循環將使NiCd電池恢復正常工作。由于NiCd電池的記憶效應，若未完全放電，應在充電前將每節電池放電至1V以下。鎳氫電池NiMH電池正極板材料為NiOOH，負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紡布或尼龍無紡布等。NiMH電池有圓柱形和方形兩種。圓柱形密封NiMH電池的結構如圖所示。iMH電池具有較好的低溫放電特性，即使在－20℃環境溫度下，采用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能達到標稱容量的85%以上。但是，NiMH電池在高溫(+40℃以上)時，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，幾次充放電循環就能恢復到最大容量。NiMH電池的開路電壓為1.2V，與NiCd電池相同。NiCd/NiMH電池的充電過程非常相似，都要求恒流充電。兩者的差別主要在快速充電的終止檢測方法上，以防止電池過充電。充電器對電池進行恒流充電，同時檢測電池的電壓和其它參數。當電池電壓緩慢上升達到一個峰值，對NiMH電池快速充電終止，而NiCd電池則當電池電壓第一次下降了一個－△V時終止快速充電。為避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度Tmin低于10℃時，應轉入涓流充電方式。而電池溫度一旦達到規定數值后，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汽車蓄電池，美國福特汽車公司的Mnivan電動汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國先進電池聯合體（USMABC）列為中期發展的電動汽車蓄電池，德國ABB公司生產的B240K型鈉硫蓄電池，其質量為17.5kg，蓄電量19.2Kw·h，比能量達109W·h/kg，循環使用壽命1200次，裝車試驗時最好的一輛車無故障地行駛了2300km。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴重，電池壽命較短，性能穩定性及使用安全性不太理想等問題。鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態電極和固體電解質組成的，構成其負極的活性物質是熔融金屬鈉，正極的活性物質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電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子被稱為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：一個是比能量(即電池單位質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，實際已大于100Wh/Kg，是鉛酸電池的3-4倍；另一個是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達200-300mA/cm2，并瞬時間可放出其3倍的固有能量；再一個是充放電效率高。由于采用固體電解質，所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100％。當然，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，電池工作時需要一定的加熱保溫。但采用高性能的真空絕熱保溫技術，可有效地解決這一問題。鈉硫電池作為新型化學電源家族中的一個新成員出現后，已在世界上許多國家受到極大的重視和發展。由于鈉硫電池具有高能電池的一系列誘人特點，所以一開始不少國家就首先紛紛致力于發展其作為電動汽車用的動力電池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但隨著時間的推移表明，鈉硫電池在移動場合下(如電動汽車)使用條件比較苛刻，無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年代初開始，國外重點發展鈉硫電池作為固定場合下(如電站儲能)應用，并越來越顯示其優越性。如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司合作開發鈉硫電池作為儲能電池，其應用目標瞄準電站負荷調平(即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲在電池里，到白天用電高峰時再從電池中釋放出來)、UPS應急電源及瞬間補償電源等，并于2002年開始進入商品化實施階段，已建成世界上最大規模(8MW)的儲能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統計，年產鈉硫電池電池量已超過100MW，同時開始向海外輸出。4.4.5子電池的工作原理4.7鋰離子電池結構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極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。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——活性物質一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，現在又出現了鎳鈷錳酸鋰材料，電動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——一種特殊的金屬復合膜，可以讓離子和電子自由通過（3）負極——活性物質為石墨，或近似石墨結構的碳，導電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔（4）有機電解液——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，也是電池的正負極引出端鋰電池的工作原理當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負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，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。一般鋰電池充電電流設定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池內部的電化學反應需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產生泡沫，反而不滿。正極正極材料：如上文所述，可選的正極材料很多，目前主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照：正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。充電時：LiFePO→Li-xFePO+xLi+xe放電時：Li1-xFePO+xLi+xe→LiFePO負極負極材料：多采用石墨。新的研究發現鈦酸鹽可能是更好的材料。負極反應：放電時鋰離子脫插，充電時鋰離子插入。充電時：xLi+xe+6C→LixC6放電時：LixC6→xLi+xe+6C主要優點1）電壓高:單體電池的工作電壓高達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:目前能達到的實際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達到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）循環壽命長:一般均可達到500次以上，甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。對于小電流放電的HYPERLINK電器,電池的使用期限，將倍增電器的競爭力。4）安全性能好:無公害，無HYPERLINK記憶效應.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路，縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。5）自放電小:室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為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分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上，現在磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的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，期望能擴寬到-40~70°C。新發展1）聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池是在液態鋰離子電池基礎上發展起來的，以HYPERLINK導電材料為正極，碳材料為負極，電解質采用固態或凝膠態有機導電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝的最新一代可充鋰離子電池。由于性能的更加穩定，因此它也被視為液態鋰離子電池的更新換代產品。目前很多企業都在開發這種HYPERLINK新型電池。2）動力鋰離子電池動力鋰離子電池：嚴格來說，動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放電給設備、器械、模型、車輛等驅動的鋰離子電池，由于使用對象的不同，電池的容量可能達不到單位AH的級別。動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工具、自行車、滑板車、礦燈、醫療器械等；高功率電池主要用于HYPERLINK混合動力汽車及其它需要大電流充放電的場合。根據內部材料的不同，動力鋰離子電池相應地分為液態動力鋰離子電池和聚合物理離子動力電池兩種，統稱為動力鋰離子電池。3）高性能鋰電池為了突破傳統鋰電池的儲電瓶頸，研制一種能在很小的儲電單元內儲存更多電力的全新鐵碳儲電材料。但是此前這種材料的明顯缺點是充電周期不穩定，在電池多次充放電后儲電能力明顯下降。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構材料。這種方法在納米尺度材料上一舉創建了儲電單元和導電電路。目前這種穩定的鐵碳材料的儲電能力已達到現有儲電材料的兩倍，而且生產工藝簡單，成本較低，而其高性能可以保持很長時間。領導這項研究的馬克西米利安·菲希特納博士說，如果能夠充分開發這種新材料的潛力，將來可以使鋰離子電池的儲電密度提高5倍。4.4.6鋅空氣電池的工作原理4.8鋅空氣電池的結構圖鋅空氣電池（zincairbattery），用HYPERLINK活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質的一種HYPERLINK原電池。又稱鋅氧電池。分為中性和堿性兩個體系的鋅空氣電池，分別用字母A和P表示，其后再用數字表示電池的型號。鋅空氣電池都充電過程進行得十分緩慢，為解決這一問題，通常鋅空氣電池鋅空氣電池的負極鋅板或鋅粒，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的方法，使鋅空氣電池得到完全更新。放電時正、負極和總反應的化學方程式為化學方程式負極：Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ正極：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ總反應：2Zn+O2=2ZnO電池類型主要有4種類型。①中性鋅空氣電池:結構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，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，在使用時打開；②紐扣式鋅空氣電池：結構與HYPERLINK鋅銀扣式電池基本相同，但在正極外殼上留有小孔，使用時可打開；③低功率大荷電量的鋅空氣濕電池：將燒結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（見圖）；④高功率鋅空氣電池：一般是將薄片狀粘結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激活型，活性炭電極能反復使用，因而電池在耗盡電荷量以后，只要更換鋅電極和堿液，就可重復使用鋅空氣電池原理鋅空氣電池的電化學反應如下：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散速度的制約。每一型號的電池有其最佳使用電流值，超過極限值時活性炭電極會迅速劣化。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，已廣泛用于助聽器中。4.4.7飛輪電池的工作原理4.9飛輪電池的結構原理圖飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。眾所周知，當飛輪以一定角速度旋轉時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。高技術型的飛輪用于儲存電能，就很像標準電池。飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池"充電"增加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發電機狀態運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉換。當飛輪電池發出電的時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電池的飛輪是在真空環境下運轉的，轉速極高（高達200000r/min，使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱，飛輪電池比能呈可達150W·h/kg，比功率達5000-10000W/kg，使用壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司已用最新研制的飛輪電池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車，一次充電可行駛600km，由到96km/h加速時間為6.5秒。工作原理何謂飛輪儲能電池飛輪儲能電池系統包括三個核心部分：一個飛輪，電動機—發電機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動電動機旋轉，電動機帶動飛輪旋轉，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發電機旋轉，將動能轉化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨立的，設計時常將電動機和發電機用一臺電機來實現，輸入輸出變換器也合并成一個，這樣就可以大大減少系統的大小和重量。同時由于在實際工作中，飛輪的轉速可達40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強，進一步減少了整個系統的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦；同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達95%左右。實際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個電池裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的儲能多少，它儲存的能量由公式E=jw^2決定。式中j為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀和重量有關；為飛輪的旋轉角速度。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。優點飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優點，主要表現在如下幾個方面：(1)能量密度高：儲能密度可達100～200wh/kg，功率密度可達5000～lO000w/kg。(2)能量轉換效率高：工作效率高達百分之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：對環境溫度沒有嚴格要求。(5)使用壽命長：不受重復深度放電影響，能夠循環幾百萬次運行，預期壽命20年以上。(6)低損耗、低維護：磁懸浮軸承和真空環境使機械損耗可以被忽略，HYPERLINK系統維護周期長。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能直接轉化為電能，因此，它沒有像通常的火力發電機那樣通過鍋爐、HYPERLINK汽輪機、發電機的能量形態變化，可以避免中間的轉換的損失，達到很高的發電效率。同時還有以下一些特點：不管是滿負荷還是部分負荷均能保持高發電效率；不管裝置規模大小均能保持高發電效率；具有很強的過負載能力；通過與燃料供給裝置組合的可以適用的燃料廣泛；發電出力由電池堆的出力和組數決定，機組的容量的自由度大；電池本體的負荷響應性好，用于電網調峰優于其他發電方式；用天然氣和HYPERLINK煤氣等為燃料時，NOX及SOX等排出量少，環境相容性優。如此由燃料電池構成的發電系統對電力工業具有極大的吸引力。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質子膜燃料電池（PEMFC，也稱為質子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內）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量排氣而進行聯合開發的燃料電池。另一種分類是按其開發早晚順序進行的，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可燃氣體作為其發電用的燃料。燃料電池其原理是一種電化學裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成。不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池氫-氧燃料電池反應原理這個反映是電解水的逆過程。電極應為：負極：H22OH-→2H2O+2e-正極：1/2O2+H2O-2e-→2OH-電池反應：H2+1/2O2→H2O另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應的HYPERLINK輔助系統，包括反應劑供給系統、HYPERLINK排熱系統、HYPERLINK排水系統、電性能HYPERLINK控制系統及安全裝置等。燃料電池通常由形成HYPERLINK離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，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。在實用的燃料電池中因工作的電解質不同，經過電解質與反應相關的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應中與氫離子（H）相關，發生的反應為：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+移動到電解質中與空氣極側供給的HYPERLINKO2發生反