（电工理论与新技术专业论文）电动汽车用锌空电池的电量预测及管理系统的研究.pdf

a b s t r a c t t h ew o r l di s p u t t i n gm o r ea t t e n t i o ni n t os u c hi n d u s t r ya sg r e e np o w e rs o u r c e sw h i c ha r e b e c o m i n gf a s h i o ni nm a n yc o u n t r i e s a st h e2 0 0 8o l y m p i c sw i l lb eh e l di nb e r i n g ，c h i n a ，o u r c o u n t r ya l s ot r i e sh e rb e s tt oi m p u l s et h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s u s i n gg r e e np o w e r s o u r c e s a t t e n t i o na n du s i n gg r e e np o w e rm e e tw i t ht h eh u m a n b e i n gb e t t e rl i v i n ga n da f f i e c tt h e i m p r o v e m e n t o f t h e s o c i e t y i n c l u d i n gn i s s a n ，o ea n dv o l k s w a g e na n ds oo n ，m a n ya u t oc o m p a n i e sd e v e l o pt h el a t e s t e l e c t r i cv e h i c l eu s i n gg r e e np o w e rs o u r c e sa n d p u tm i l l i o n so fm o n e y t ou t i l i z ee l e c t r i cv e h i c l e i n c h i n a ，s o m ea u t oc o m p a n i e sa n dr e s e a r c hd e p a r t m e n t sa r eg r o p i n gf o rt h ee l e c t r i cv e h i c l e s n o w , i nt h ew o r l d ，t h eb a t t e r i e su s e di ne vj n v o l v el e a d a c i db a t t e r i e s ，1 i - i o nb a t t e r i e s z n m hb a r e r i e s 。 n i g eb a t t e r i e sa n ds o o u e s p e c i a l l y , z i n c a i r f u e lc e l lf r o m s h a n g h a if o w e r z i n cf u e l c e l l c o m p a n y n o wi se q u i p p e di ne vo f z h e j i a n gu n i v ，a n dg i v eg o o d t e s tr e s u l t s o w nt ot h ec h a r a c t e r o f b a t t e r y ( f u e lc e l l ) ，i ti sd i f f i c n rt od e t e c tb a t t e r ye n e r g yp r e s i c e l yt i l l n o wm o s te v sa d a p ts u c hm e t h o d sa s o c v ( o p e nc i r u i tv o l t a g ed e t e c t i v e ) ，l v ( 1 0 a dv o l t a g e d e t e c t i v e ) ，i r ( i m _ l e r r e s i s t a n c e d e t e c t i v e ) a n de c ( e n e r g yc u m u l a t i o nd e t e c t i v e ) w i t h a n n a p p l i c a t i o n ，b a t t e r ye n e r g y d e t e c t i v et e c h n i q u ec a n g e t ah i g hl e v e l t h em a i na i do f m yp r o j e c ti sg e ts o m es o l u t i o no fe n e r g yd e t e c t i v ea b o u tz i n c a i rf u e lc e l l f r o ms h a n g h a ip o w e r z i n cl t d ，f i r s t l y , l e tm ei n t r o d u c et h ef e a t u r e so ft h i s c e l l a d a p t e ds u c h m e t h o dt og i v eb i r t ht oe n e r g ya sz i n cg r a n u l e sr e a t i o nw i t h0 2o f a i r , t h i sc e l lp o s s e s s e st h ev i r t u r e t h a tt h e r ei sag o o dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s c h a r g i n ge n e r g ya n dc h a r g i n ge n e r g y , w h i c hi s t e s t i f i e db yt h et e s to f m e t e r sf r o mc o m p a n ya n da c t u a le x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，r e p e a tn u m b e ro f c h a r g i n gc a nb ei g n o r e df o rc e l l b e c a u s ei tg e te n e r g ya g a i n 时s u b s t i t u t i n gs u b s t a n c ei nf u e l c e l l s o ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h i sc e l lb e l o n g st os u c ht y p ea sw h o s ee n e r g yr e b i r t h e s w i t h o u th i s t o r yf a c t o rw h i c ha l w a y si n f l a n e n c e so t h e rt y p e so fc e l l s f r o mt h ea b o v e a n a l y s i s e s ，i t w i l lb ee a s yt og e ts o m es o l u t i o nt od e t e c te n e r g yo fz i n c a i rf u e lc e l ti nr e l a t e dp r e c i s i o n a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so f z i n c a i rf u e lc e l l ，t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h e a p p r o a c h t od e t e c t e n e r g yo fi t t h ea p p r o a c hi n c l u d i n gs u c hs t e p s ：p r e c i s e l ym e a s o z et h ev a l u eo fv o l t a g e ，c u r r e n t ， t e m p e r t u r e o ft h e e x p e r i m e n t sa n du s ea n n t o m o d i f yt h em e a u f er e s u l t s a n dc o m p u t et h e d i s c h a r g i n ge n e r g y , p o w e r ；a d a p tt h em e t h o do f e c m e t h o dt od e t e c tt h es o c ，b y v a l i d a t i n g ，t h e m e t h o dc a nw e l lm e e tw i t ht h en e e do f u s i n gt h i st y p eo f b a t t e r yi ne v a tl a s t ，a u t h o rg i v e st h e d e t a l ls o l u t i o no fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) b a s e do nt h ee l e c t r i c a lc i r c u i tu s e di nt h i s s u b j e c t ， 第一章电动汽车用动力电池及其电量预测综述 1 1 电动汽车 1 1 1 传统燃油汽车对环境的影响1 交通系统消耗了全球约1 3 的能源。以石油产品为燃料的汽车是最主耍的现代交通运输 一具，它给人们带来方便和快捷的同时，也带来了无法回避的问题。根据上个世纪七八卜年 代美国、日本对城市空气污染源的调查，城市空气中9 0 以上的一氧化碳、6 0 以上的碳氢 化台物和3 0 以上的氯氧化物来自汽车排放出的气体。这些污浊的气体使人类的生存环境 受到极大威胁a 汽车污染已成为世界性公害，其对了i _ 温室气体浓度增加的“贡献，不容忽视。 汽车的内燃机实际上是一座小型化工厂，消耗着大量石油资源。汽油燃爆后产生驱车动 力，同时也产生了许多复杂的化学反应排放出大量温室气体，加剧了温室效应。 汽车每燃烧i 公厅汽油排出0 0 8 公斤的二氧化碳。当二氧化碳含量升高时，会增强大 气对太阳光中红外线辐射的吸收，阻止地球表面的热量向外散发，使地球表面的平均气温上 升，这就是所谓的温室效应。 全球变暖使水蒸发加快，进而改变气流的循环，使气候变化加剧，引发热浪、飓风、洪 涝及干旱。此外，汽油燃烧释放出的二氧化硫和氮氧化物在大气中分别转化成硫酸和硝酸， 导致酸雨。酸雨不仅增加土壤酸度、破坏生态系统的平衡，而且还腐蚀建筑材料、金属构件 和油漆等等，侵建筑物、公路以及名胜古迹遭受损害。欧洲经济委员会的报告书称，因酸雨 危害造成的经济损失额相当于全世界每人损失2 到1 0 美元。 大气环境是人类赖以生存的可贵资源，因此，减少温室气体排放、防止全球气候变暖是 世界各国共同关注的问题。目前解决环境污染问题的汽车技术主要有三类：替代燃料车、电 池电动车和氢燃料电池车。我国正在加快这些方面的开发步伐，使新技术同合理的规划、完 善的政策和管理、可持续的交通体系相结合，同人类理性的发展方式和生活方式相结合，相 信我国的科研人员能为我们寻求一个可持续发展的未来。 1 1 2 电动汽车与燃油汽车的环保性能比较眈1 随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，新一代电动车作为无污染、能源可多样化配 置的新型交通工具，引起了人们的普遍关注并得到了极大的发展。电动车具有电力驱动，行 驶无排放( 或低排放) 、噪声低、能量转化效率高等特点。它们在环保性能上的比较如表1 1 1 、 表1 1 2 、表1 1 3 、表1 1 4 所示。 废气组成燃油汽车电动汽车 c o1 7 0o h c2 70 n m0 7 41 ( 0 0 2 3 ) c o ：3 2 00 ( 1 3 0 ) ( 注) 括号中的数据考虑到电厂的排放废气 表1 _ 1 1 电动汽车与燃油汽车的废气排放比较( k m ) 排放物质燃油汽车排放系数电动汽车排放系数 甲醛o 8 70 一氧化碳 4 6 5 0o 碳氢化合物 3 5 2o 氮氧化和物 2 4 00 硫氧化和物 o1 6 80 有机酸( 醋酸) o 8 70 颗粒物质0 2 2 4 o 表1 1 2 未安装防护设各汽车的排放系数( g 车，k i n ) 驱动系统燃油汽车( 无钳汽油)电动汽车( 火力) 电动汽车( 天然气) 发电厂 类型 质量1 0 0 0 k g1 2 0 0 k g1 2 0 0 k g h co 0 1 80 0 0 0 80 0 0 2 2 c o0 9 lo 0 0 9 1 0 0 1 8 2 n 0 2o 0 7 7 1 0 2 9 4 8o 1 8 1 4 c 如8 3 9 14 1 s 0 20 0 0 4 5 0 4 5 3 6 0 1 8 1 4 0 7 7 1 10 0 0 0 3 表1 1 31 0 0 0 k g 燃油汽车与电动汽车排放比较 噪声燃油汽车电动汽车 车内车外车内 车外 匀速3 5 ( 3 速) 7 36 7 6 76 6 5 0 ( 4 速) 7 06 97 06 6 加速3 5 ( 3 速) 8 l7 57 26 6 5 0 ( 4 速) 7 87 2 7 l6 6 ( 速度单位为：k m h ) 表l _ 1 4 燃油汽车和电动汽车在不同车速下的噪声( d b ) 从上述4 个表中可得到电动汽车在环保方面比燃油汽车有着不可比拟的优点。 电动汽车与燃油汽车( 又称内燃机汽车) 相比，有其自身的许多特点，表1 1 5 中给出 了电动汽车与内燃机汽车性能和用途方面的比较。电动汽车的价格比内燃机汽车高，决定了 电动汽车的初期投入大、费用支出多。但是电动汽车的维修保养费用低，随着使用年限的延 长，其使用费用支出会逐渐降低，甚至会低于内燃机汽车使用成本。 无污染，噪声低 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净 是十分有益的，有“零污染”的美称。众所周知，内燃机汽车废气中的c o 、h c 及n o x 、 微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。 2 性能 用途 项废噪操能购维 大 不 低 易 目 机 气 亩 作源置修 范 连 通噪 狱低 动 排震难补费 费 围 续 风 士窄 燃 温 户 场 爆 场 性作 作 场场场 放 动易给用用业所所 业 所所所 电 动 ooooooo 0oo 汽 奎 汽 油 oo00o 汽 主 柴 油 oooo 汽 车 ( 注：o 一好( 适用) ；一一般；一差( 不适用) ) 表1 1 ，5 电动汽车与内燃机汽车性能和用途比较 电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听觉、神经、 心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。 但是，使用电动汽车并非绝对无污染，例如使用铅酸蓄电池做动力源，制造、使用中要 接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染。蓄电池充电所用的电力，在用煤炭作燃料 时会产生c o 、s 0 2 、粉尘等。但它的污染较内燃机的废气要轻得多。更何况随着科学技术 的发展，可以用其它电池或新i 耗源做电动汽车的电源，如发展水电、核电、太阳能充电等。 能源效率高，多样化 电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停 停，行驶速度不高等环境下，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程 中，电动机可自动转化为发电机，以实现制动减速时能量的再利用。 另一方面，电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重 要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等 能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负苟， 减少费用。 结构简单，使用维修方便 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小，当采用交流 感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。 动力电源使用成本高，续驶里程短 目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，主要原因是动力电源( 电池) 的寿命短，使 用成本高。另外电池的储能容量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格也较贵等。 但从发展的角度看，随着科技的进步，电动汽车目前存在的问题将会逐步得到解决t 其价格 和使用成本必然会降低，价廉物美的电动汽车就会出现 1 1 3 电动汽车发展的现状和前景1 早在2 0 世纪初划，在欧洲和美国的轿车驱动系统上，曾使用过电力驱动系统，当时的 电动车以取代了昔日的马车和自行午成为主要交通工具。由于电池等关键技术的困扰，以及 燃油车的发展，1 0 0 年来电动汽车的开发一直受到限制。 当今环境、能源两大难题摆在全世界面前，电力驱动车辆又成为西方发达国家进行研究、 开发和使用的热点，有些国家已经开始批量生产和销售电动轿车。 在美国，已有几个州要求汽车制造上发展和销售零排放汽车( z e v s ) 。加利福尼亚航空 资源委员会( c a r b ) 和7 个主要汽车制造商( 克莱斯勒、福特、通用、本田、马自达、尼 桑和丰田) 在1 9 9 6 年签订协议，要求在这个州销售新的汽车和轻型卡车中必须有2 为零 排放到2 0 0 3 年应有1 0 为零排放。同样在马萨诸塞、h l l 纽约及缅因州、马里兰卅1 和新泽 西州，也要求到1 9 9 8 年至少有2 的汽车为零排放，到2 0 0 3 年有1 0 为零排放。估计到2 0 1 8 年，e v s 将超过7 0 0 万辆。 日本国际贸易与工业厅( m i z i ) 在东京发起一个大的丁程一锂电池贮能及技术联合会 ( l i b e s ) ，发展电动车用二次电池。日本电动车协会予1 9 9 1 年1 0 月制定了2 0 0 0 年电动汽 车普及计划，到2 0 0 0 年日本电动汽车达到2 0 万辆，为1 9 9 1 年的2 0 0 倍。 我国也在国家“八五”、“九五”计划中安排了电动车辆的研究开发项目，并提出了国家 “清洁车辆行动计划”，开发和使用电力驱动车辆。 电动汽车除了在能源、环保、节能和降噪方面显示出优越性和具有强的竞争能力外，电 动汽车能够更快地实现机电一体化和采用现代电子控制技术。电动汽车利用电动机的无极调 速特性，可以取代传统汽车的变速器。电动汽车采用轮毂电机驱动，完全取消了传统汽车的 机械传动系统。在电动汽车上实现汽车制动能量回收的反馈制动，改变了传统汽车将全部制 动能量转化为热能而消耗的状况并且提高了电动汽车制动的安全性和可靠性。 由于电动汽车的能量基本上是通过柔性的电线传输的。因此，电动汽车各部件的布置具 有很大的灵活性，从而可以大幅度地提高车辆的机共性和通过性。电动汽车由于结构简单， 不需要更换机油、油泵、气化器以及消声装置等等，无需添加冷却水，它的日常维修保养工 作极少，这些有利条件都促使我们必须加快开发电力驱动车辆。 尽管现代电动车以其相当高的技术性能而媲美与传统的燃油汽车，从世界各国的电动车 发展现状来看，还不能说电动车己具备了全面普及的条件。普及电动车的关键在于：降低电 动车的价格，提高一次充电后的行驶里程，延长蓄电池的使用寿命，发展包括充电设施在内 的基础设施。普及电动车所必须解决的主要技术难题是：马达的高效化，空调器的节能化， 降低空气阻力减小车身质量，降低轮胎的滚动摩擦阻力，蓄电池的高能化，通过回馈制动器 同收能源。 据预测，到2 0 0 5 年电动车年销售量为7 2 万辆，占总销售量的1 2 ：2 0 1 0 年为1 7 0 万 辆。占总销售量的2 6 。 4 1 2 电动汽车用动力电池 1 2 。1 电动汽车用动力电池的现状及前景4 1 电动车通常包括电动汽车、混合动力源电动车、电动摩托车、电动自行车及一切电动代 步的休闲车等。目前全世界汽车厂家纷纷开发并推广使用电动车，电动车的蓬勃发展及远火 前景，促进了电池技术的发展，世界各大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类 型的电池。 1 2 1 1 铅酸电池( 第一代电池) 铅酸电池的应用历史最长，也是最成熟，成本售价最低廉的电池。肖前存在的主要问题 是一次充电的行程短，一般约在3 0 4 0 k m ；就是快速充电也要4 6 h ，且质量能只有3 0 w h k g 。 为此人们一直探索着如何改进铅酸屯池的性能，开发能量效率更高、稳定性更好，电荷容量 更大的新电池。这里讲的电池都是指可通过相应手段使电池能恢复性能的电池，即可充电的 各种二次电池，可加注燃料的燃料电池，以及可通过更换锌片的锌空气二次电池等。 在改进铅酸电池性能方面，人们已在广泛使用免维护电池。免维护电池给人们带来了使 用的方便性。为了使用铅酸电池更可靠，人们开发了胶体电池。胶体电池也是铅酸电池范畴 的二次电池。它依然用密度为1 2 8 9 c r n 3 的硫酸水溶液，但在其中添加了n a ：z o s i 0 2 ，电解液 呈胶体状一乳白色的凝胶，构成了胶体电解质。胶体的状况会随着温度和电场的作用而变化。 当电池放屯时，胶体的凝聚性会变明显：温度降低胶体内部溶液扩散迁移及传导性变差， 内电阻增加。在温度升到3 0 以上，外旋单格电压超过2 6 v ，要产生充电气泡；充电时间 过长，温度过高，特别是单格电压超过2 7 v ，胶体常常会发生水解，放出大量h 2 和0 2 ，并 伴有硫酸和水外溢，胶体变成了液态。如及时停止充电，下降温度，去掉外电压，胶体还可 重新恢复。它的性能、价格与铅酸电池差不多，只是由于胶体电解质具有不易渗漏性能保 证电源使用的可靠性。即使电池壳体产生了裂纹也可继续使用，不会产生对车辆的腐蚀作用。 因此其可适用于道路状况差( 乡间土路) 和用电负荷变化大的车辆，如在中西部地区的山区、 半山区、乡村使用车辆的电池，军用车辆的起动用电池，以及由于环保要求，限制酸腐蚀的 特种车辆等用的电池。由于电解质中有n a z s 0 4 存在，在极板硫化过程中，会同时产生硫酸 铅、硫酸锅结晶从而防止了极板生成粗大的硫酸铅结晶体，使极板不易硫化。容易再次充 电活化；不易丧失极板的多孔性；还能防止正极板上生出尖锐的硫酸铅突起，避免隔板被刺 穿形成极板间短路。从寿命讲，胶体电池是现在泛用铅酸电池的4 倍以上，在5 0 。c 一8 0 c 仍 能很好工作，且工作性能相当稳定，比铅酸电池性能有了大幅度提高。估计此电池还能比普 通铅酸电池能多存在一段时间，但此电池毕竟是铅酸电池。随着人们对环保要求的深入，含 铅的重金属产品将会在2 0 0 4 年随着世界禁铅运动的深入而逐渐被淘汰。尽管胶体电池有许 多优点，但终归也葵退出历史舞台。 1 2 1 2 第二代电池 1 ) 镍氢电池 镍氢电池是目前人们看好的第二代电池之一，是取代镍镉电池的产品，当然也是取代铅 酸电池的产品。 镍氢电池的生产过程中，存在着烧结体技术和发泡体技术两种。一般的生产厂家都经历 了一个从发泡体向烧结体技术发展的过程。以烧结体技术对镍氢电池正板进行处理，电池的 山电阻会大幅度减少，具有放电电压稳定和能进行大电流放电的特性。 烧结体镍氢电池还具有电池不易老化，不需要预充电，以及低温放电特性比较好等优点。 经烧结处理的正极，其镍化合物粒子会转换成活性的镍化合物，能确保电池有平衡的输出电 压，且具长时间的性能稳定性、长寿命和电池不老化。以发泡镍技术生产的电池在放置一段 时间后，要有2 0 左右的电荷量流失。将这样的电池装车会发现与装新电池的差距很大 也说明其老化现象十分明显。为避免发泡镍电池的老化所造成的内阻增高，发泡镍电池在出 厂时必须进行预充电且要提醒用户，使用此融电池的放电电压不能低于o 9 v ( 单元体电池) ， 给用户的使用带来了极大的不方便。除此外，发泡镍电池的工作电压极不稳定，不能进行长 时间存放和流通。这也给销售和用户造成了很大负担。 烧结体镍电池由于镍极本身就是活性体，无需进行任何活性处理，不用进行预充电，能 长时间的搁置和流通，从而为电池的使用提供了方便条件。烧结镍电池同样具备镍电池的低 电阻和大电流，还具有发泡体镍电池所无法达到的低温工作特性。因此可以说，存在着重金 属镉污染的镍镉电池终究要被镍氢电池所取代。而镍氢电池中的烧结体技术，镍氢电池将以 其优异的性能取代发泡体技术镍氢电池，发泡镍氢电池在电池发展史上将仅是昙花一现的产 品而己。镍氢电池现在正得到广泛应用，但由于其存在着高温使用电荷量急剧下降等缺点， 所以并非是- - e e 理想电池。 2 ) 镍锌电池 新型密封镍锌电池具有高质量能、高质量功率和大电流放电的优势。这种优势使得镍锌 电池能够满足电动车辆在一次充电行程、爬坡和加速等方面对能量的需求。镍锌电池是美国 国家能源研究公司( e r c ) 开发和生产的产品，厦门电池总厂已与其合作引进了此产品。镍锌 电池是一种极具竞争力的电池。其质量能与镍氨电池相当，体积能量已超过镍镉电池，小于 镍氢电池。大电流放电下，电池的电压将在宽广的范围是平衡的，且具很长的使用寿命f 面以1 2 v - 3 0 a h 密封镍锌电池为例，介绍下镍锌电池性能。如以c 3 放电，电池电荷容 量 ，3 0 a h 。以c 3 大电流连续放电2 2 5 a h ；以c 3 放电，质量能5 0 w h m g ，体积能 9 0 w h l ：瞬间质量功率1 5 0 w k g ( 2 0 荷电状态，5 c 放电3 0 s ) ，体积功率一 2 5 0 w l ( 2 0 荷电状态，5 c 放电3 0 s ) ：瞬间再生质量功率8 0 w 瓜甙8 0 荷电状态，2 c 放电1 0 s ) ，体积 功率1 5 0 w l ( 8 0 荷电状态，2 c 放电1 0 s ) ；充电时间运3 5 h ，快速充电l h ( 4 0 荷电状 态，2 0 a 充电或8 0 荷电状态，7 a 充电) ；循环寿命 5 0 0 次( c 3 放电，8 0 放电深度) 或 c 3 4 5 0 次( c 3 放电，1 0 0 放电深度) 。特别值得一提的是自放电抗电荷量衰减性十分好， 在室温下搁置一个月，自放电量不到3 0 额定电荷量。在5 0 c ：高温，以c 3 放电，电池电 荷量衰减1 0 额定电荷量，而在1 5 c ，c 3 放电3 0 。此电池与铅酸电池外廓上具有很 好的兼容性。1 2 v 3 0 a h 电池的长宽高= 3 2 5 m m x 9 4 r a m x l 6 3 m m ，质量8 k g ，体积4 9 8 l 。 1 2 v 1 0 a h 电池的长宽高= 1 5 2 r a m x 9 8 m m 9 9 m m ，质量2 7 k g ，体积1 4 7 l a 凡现在应 用铅酸电池的车辆，均可换用镍锌电池。从现在的价格看，镍锌还显稍贵些，但相信待其应 用量上去后，价格自然会降下来，由此可以说，镍锌电池有可能成为电动车的理想动力电源。 6 3 ) 锂电池 1 9 9 0 年以后，由丁日本开发成功镍氢电池得到了人们的高度重视，应用量急速增加。 但自1 9 9 4 年日本新力电池公司推出锂离子电池后，人们又开始认同锂电池，一些镍氢电池 企业纷纷转产生产锂电池。一时间人们所热崇的镍氢电池似有被冷落的意思。 锂屯池可分为锂离子电池利锂分子( 高聚合物) 电池两种。锂电池具有体积小，质量能和 质量功率高、电压高、高安全性( 固态) 、环保性好和无污染性等优点。锂电池的能量密度f 体 积能和质量能) 几乎是镍镉电池的1 5 - 3 倍，也就是说在同样大小能量的情况f ，锂电池的体 积和质量可减小l 2 左右。单元电池的平均电压为3 6 v ，相当于3 个镍镉或镍氢电池串接起 来的电压值。能减少电池组合体的数量，从而因单元电池电乐差所造成的电池故障的概率可 减少许多，也就是说大大延长了电池组合体的寿命。 相对于镍镉电池和镍氢电池，充电时不用先进行放电( 因锂电池无记忆性) ，给使用带 来了极大的方便性，同时也节省了电能。锂电池还具备自放电低的优点，在非使用状态下贮 存，内部几乎不发生化学反应。相当稳定。锂电池的自放电率仅为5 1 0 。由于锂电池不 含有镉、汞和铅等重金属，因此可以说是一绿色的环保电池。 由于锂离子( 分子) 电池的负极采用的是硬石墨电极，从端子电压的测定就能清楚知道 电池所剩的电荷量，具有检测精度高等实际应用上的优点。据报道，现一般的锂离子电池质 量能为1 0 0 w h k g ，质量功率高达1 5 0 0 w k g ，是镍氢等电池无法与之相比的。这也是人们所 以看中锂电池的根本所在。 然面，在开发锂电池过程中，也是经历了一些技术进步和不断完善的过程。 首先，锂电池处于过充电状态时，钴系锂电池要将正极材料氧化锂钻分解成强还原剂氧 化钴，会使锂在极板上形成树枝状的针尖状物质。此树枝状针尖状物质极易刺穿正极板间厚 度仅数微米的隔离膜而造成短路。造成强还原剂和强氧化剂发生化学反应，从而急剧释放出 大量能量，引起电池爆炸和引发火灾。为此人们将钴系改成锰系，有效解决了上述问题。其 狄是选择特殊的隔离膜材料，使之能在过充电，电池温度上升到一定温度时熔融，起到保护 作用。第三是加装安全阀，防止高温环境下电解液汽化，以避免压力升高造成意外。人们在 解决了这个难题后，现锂电池安全性也就可有了保证。 为进一步增进锂电池的安全性，人们在实际应用锂电池时往往还要加装钮电池保护电路 模块( p c m ) 。它由i c 和m o s f e t 开关等主要元件组成，具有过充电( 小于42 5 4 3 5 v ) 保护和过放电( 大于2 7 5 2 8 v ) 保护，以及过电流保护功能。 此外，在p c m 上还可加p t c 或n t c 等温度传感器进一步监控充电时的温度是否正常。 还可加上i d 码识别电池种类，以确定适合的充电方式，或加上显示灯，给予显示电池剩余 电荷量。 总之，锂电池已日臻完善，在电动车上它大有取代铅酸电池、镍镯电池、镍氢电池之势， 它将随着电动车的普及发展而成长壮大。在环保日渐人心，在为子孙后代节省化石能源的责 任感f ，电动车定会得到较大发展，锂电池也将呈亮丽的发展之势，它将与燃料电池一并成 为2 1 世纪电动车的主要电池。 4 ) 燃料电池及其技术发展状况 燃料电池是人们努力开发的一种电池。各公司都在致力于开发甲醇改质氢燃料电池、汽 7 油改质氢和纯氢燃料屯池且将其装车进行实验，有可能在2 0 0 4 年比较成熟和具有实用意 义的燃料电池车将投放市场。特别是燃料电池的过渡型车型一燃料电池混用锂离子电池的电 动车，如三菱的m f c v 是极有成功希望的电动车。三菱已设定了2 0 0 5 年达到实用化。 常用的燃料电池较多，主要有这两种。 a m k 9 0 0 燃料电池组 曰前加拿大巴拉德( b a t l a r d ) 动力系统公司又推出了功率最大的m k 9 0 0 燃料电池组，并 已着手进行批量生产后，投放市场。 m k 9 0 0 的体积只有现产品m k 7 0 0 的一半，一般的车辆只用一个燃料电池组即可，其功 率为7 5 k w ，质量比用m k 7 0 0 减少3 0 ；其体积功率为1 3 k w l 。m k 9 0 0 型燃料电池能在 一2 5 。c 的低温下能正常工作。m k 9 0 0 燃料电池采用甲醇改质供氢。它将取代当今世界一些燃 料电池车所装片jm k 7 0 0 ，如n e c a r 4 、p 2 0 0 0 、本田f c x 和日本f c v 等车。从现在看，m k 9 0 0 大有席卷燃料电池车用燃料电池之势，然而它毕竟还是甲醇改质氢燃料电池范畴。从燃料供 应、生产和使用成本上看价格还显高一些，使用起来还很不方便。 美国宾两法尼亚大学已开发出甲烷等碳氢化合物燃料的新型燃料电池，其成本大大低于 以氢为燃料的燃料电池。该燃料电池的最大特点是甲烷气体与氧直接反应产生电能，其效率 高，安全性好，便于储存运输，成本低廉。 产品开发过程中，也试用过其它碳氢化合物，但由于其化学反应后很容易在镍正电极上 产生积碳等集聚物，故被放弃。在改用铜和陶瓷混合物制造的正极后，有效解决了一些燃料 的积碳等集聚物问题，同时也最后才确定了甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、r 烷等5 种气体燃料 为最佳燃料。 目前此燃料电池的能量转换效率还比较低。但其工作原理已有了很大发展，已从燃料电 池只能由氢和氧结台生成电和水，发展到了利用甲烷等气体与氧化合生成电和水。此电池经 改进后，还可直接使用汽油和柴油。据此，此燃料电池的发展，极具实际使用意义。一旦以 原理燃料电池开发成功，并经不断完善后，极有可能成为燃料电池的主流，进而取代生产成 本和使用成本都很高的氢燃料电池。 b 。锌空气电池 锌空气电池亦称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空气电池现在的质量能已达到了 2 3 0 w h k g ，几乎是铅酸电池的8 倍。也就是在相同质量的情况下，电动车“充”一次电的 行程是钳酸电池的8 倍。根据计算锌空气电池质量能的理论值是1 3 5 0 w h k g 。可见锌空气 电池的发展空间非常大。 锌空气电池只能采取抽换锌电极的办法进行“机械式充电”。更换电极的时阃在3 分钟 即可完成。换上新的锌电极，“充电”即告结束。它是一种有别于利用市电充电的常规二次 电池的新型二次电池。“充电”时间极短。非常方便。可随车携带一些锌电极，为使用带来 了极大方便。如此种电池得到发展，省去了充电站等社会保障设施的兴建。锌电极可在超市、 电池经营点、汽配商店等购买，对普及锌空电池电动车十分有利。 锌空气电池是以活性物质锌作为正极，以空气中的氧作为负极的电池。在原理上等同于 锌一固体燃料在燃烧，从此意义上理解也可称其为燃料电池。负极活性物质氧直接来源于空 气，不受电池体积大小的影响，电池的体积只取决于正极材料的大小。因此其体积能和功率 相当高。 空气是无形的，不能直接构成电板，需利用多孔的石墨作为负极。空气中的氧要溶解到 电解液中，随后为石墨吸附。止极锌与吸附的氧产生电化学反应，产生电流。锌不间断进行 氧化，不间断释放山电流。只要有锌和空气，就能进行锌氧化“燃烧”。从理论上讲石墨电 极不损耗，只参予工作，因此可不必更换。锌要随所提供电能的增加而减少，直至耗尽。此 时要换装新的锌电极。从正电扳看，锌空气电池是一个完整的电池，而对于负极来说，其充 其量只是个能量转换器，但锌空气电池确确实实是二次电池。现在实验电池的电荷容量仅是 铅酸屯池的5 倍，不甚理想。但5 倍于铅酸电池的电荷量已引起了世人的关注。美国、墨西 哥、新加坡及一些欧洲国家都已在邮政车、公共汽车、摩托车上进行试用。 锌空气电池于1 9 9 3 年始于德国，经过几年的努力现已基本成熟，且也可工业化生产。 美国的锌空气电池采用的锌粉，配合液体氢氧化钾使锌粉在空气中进行氧化生成电能。这种 电池具有体积小，电荷容量大，质量小，能在宽广的温度范围内正常工作。且无腐蚀，工作 安全可靠，成本低廉等优点，也是一极有前途的电动车用电池。 1 2 2 电动汽车用动力电池的相关指标5 6 1 1 2 2 1 容量( c a p a c i t y ) 电池的容量是指在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，有理论容量、实际容量、 额定或公称容量和额定储备容量之分。用a h ( 安时) 数、m a h ( 毫安时) 表示。 理论容量：理论容量是假设电池内产生电量的化学反应式左边的物质全部参加反映生 成的电量。它是根据活性物质的质量按照法拉第定律计算得到的。为了比较不同电池用比容 量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，常以a h k g 或a h l 表示。 实际容量：实际容量是指电池在一定的放电条件下电池实际所能输出的电量，等于放 电电流对放电时间的积分。 恒流放电时， c = i + tf 1 2 1 1 变流放电时， c ：f 。i d t ：上f 。呦( 1 2 2 ) 0 0 r 0 0 式中，i 为放电电流，r 为放电电阻，t 为放电至终止电压的时间。 额定容量：额定容量也叫公称容量，是指设计和制造电池时，按国家或有关部门颁布 标准规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。 额定储备容量：国际电工学会( c ) 标准中规定汽车型蓄电池的容量用额定容量和储备 容量表示均可。对铅酸蓄电池而言，我国采用额定容量，指不分电池规格大小，一律以2 5 a 电流放电，到终l t 电压1 7 5 v 时的放电时间，以分钟计时。对规格不同的电池，规定了不同 的放电时间。 电池的实际容量除了与其本身的结构与制造工艺有关以外，还受其放电制度的影响，放 电制度包括放电速率、放电形式、终止电压大小和温度等因素。 放电速率，简称放电率，常用时率表示。时率是以放电时间表示的放电率，即以某电流 放电放完额定容量所经历的时间。例如电池三小时额定容量为1 2 0 a h ( 用c 3 = 1 2 0 a h 表示) ， 则电池在充满电后，以1 2 0 3 = 4 0 a 的恒流放电，在其电压不低于某一规定值以前，能连续放 电达到三小时者为合格。 1 2 2 2 能量( e n e r g y ) 电池容量是按一定标准规定的放电条件下，电池所能输出的电能，单位为w h ( 瓦时) 或k w h ( 千瓦时) 。 电池有实际能量和标称能量之分。实际能量为电池处于一定的放电条件下的实际容量与 平均工作电压的乘积。 恒流放电下： e = c + vf 1 2 3 ) 变流放电下： e 2 f 。7 ，+ v d t ”( 1 2 4 ) 式中，i 为放电电流，v 为电池放电电压，r 为放电电阻，t 为放电至终止电压的时间。 标称能量是指电池的额定容量与其额定电压的乘积。 e s = c s * v s( 1 2 5 ) 式中e s 指标称能量，c s 指额定容量，v s 指额定电压。 1 2 2 3 比能量( s p e c i f i ce n e r g y ) 比能量作为衡量各种电池性能的一项重要指标。比能量也称为能量密度。比能最有重量 比能量和体积比能量之分。重量比能量指电池单位质量所输出的电能，单位为w h k g ( 瓦时 千克) ；体积比能量是电池单位体积所能够输出的电能，单位为w h l ( 瓦时，升) 。 1 2 2 4 功率( p o w e r ) 电池的功率是指在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量大小，单位为w ( 瓦) 或k w ( 千瓦) 。 1 2 2 5 比功率( s p e c i f i cp o w e r ) 单位质量或单位体积的电池所输出的功率称为比功率，单位为w k g 或w l 。 1 2 2 6 循环使用寿命( c y c l el i f e ) 电池充电和放电一次称为一个循环，按一定的测试标准，当电池容量下降到某一规定值 以前，电池能承受的充、放电循环次数，称为电池的循环使用寿命，循环使用寿命是衡量电 池寿命性能的一项重要的指标。 1 2 2 7 自放电率( s e l f - d i s c h a r g e ) 自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速 度，自放电率用单位时间内容量下降的百分数表示，其表达式为： 撇率2 等等。 q z 6 ， c s 电池存放前的容量； c r 一电池存放后的容量，其放电条件与c 。的相同； c 。电池额定容量； t - 电池存放的时间。 1 2 2 8 输出效率( o u t p u te f f e c t i v e ) 蓄电池实际上是一个能量存储器。充电时将能量转变为化学能存储器来，放电是把化学 能转变为电能释放出来。但蓄电池并不能作为理想的储能器，它在工作过程中有一定的能量 消耗。通常用容量效率和能量效率来表示。 容量效率是指蓄电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比，即 ”孕+ 1 0 0 l 册 ( 1 2 7 ) 式中， 玎。为蓄电池容量效率 c 。为蓄电池输出的容量 c 。为蓄电池输入的容量 能量效率也称电能效率，指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比，即 ”等。 式中， r 。为蓄电池能量效率 w o u ，为蓄电池输出的能量 w i 。为蓄电池输入的能量 ( 1 2 8 ) 影响电池容量效率的主要因素是副反应。当电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解 上。此外，白放电、电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也会降低电池的容量输出。 同时，影响能量效率的原因是电池存在内阻，它使电池充电电压增加，放电电压下降。 内阻上的能量损耗会以电池发热的形式损耗掉，从两使得本身可用的电池能量减少。 1 2 2 9 充电率( c h a r g e - r a t e ，c - r a t e ) 它表示电池充放电时电流的大小。例如：充电电池的额定容量为1 1 0 0 m a h 时，即表示 以1 1 0 0 m a h ( 1 c ) 放电时间可持续1 小时。如以2 0 0 m a ( o 2 c ) 放电时间可持续5 小时， 充电亦如此计算。 1 2 2 1 0 终止电压( o f f - c u t v o l t a g e ) 指电池放电时，其电压下降到电池不允许再继续放电的最低工作电压值。目前电动汽车 动力电池使用的判断放电终止状态的方法主要有3 种。1 ) 固定终止电压法。特点是终止电 压是人为设定的。一般小电流放电时，终止电压应规定高些，大电流放电时，终i