第3章 电动汽车能量源2

第3章电动汽车能量源3.1动力电池概述3.2铅酸蓄电池3.3二次锂电池3.4镍氢蓄电池3.5钠硫蓄电池3.6燃料电池3.7其它储能装置3.8电池性能的检测方法3.9电池组的选择与设计3.10电池的技术水平和发展方向电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池3.7.2超级电容3.7.3飞轮储能器3.7其它储能装置电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池空气电池（AirCell）是以空气中的氧气作为正极活性物质，以金属为负极活性物质的一类电池。空气电池的电解液常用氢氧化钾溶液。空气电池的种类也较多。一般以负极材料的金属名为电池的第一个字，后加空气电池即为电池名。常见有锌空气电池、铝空气电池、锂空气电池等。电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池1.锌空气电池1）锌空气电池的原理锌空气电池以锌为负极，以氧为正极，氢氧化钾溶液为电解质。在催化剂的催化作用下，当电池放电时，锌摄取疏松碳块内从空气中吸附到的氧气，锌和氧发生化学反应生成氧化锌。电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池1.锌空气电池1）锌空气电池的原理正极:负极:总反应:电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池1.锌空气电池2）锌空气电池的特性优点：（1）比能量大；180～230）W·h/kg，230W·h/L

（2）性能稳定；（-20～80）℃（3）安全性好；没有腐蚀（4）充电时间快；几分钟（5）使用成本低。资源丰富电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池1.锌空气电池2）锌空气电池的特性不足：锌空气电池的主要问题是对空气湿度和二氧化碳非常敏感；另外锌空气电池释放电流速度缓慢，比功率较低，对车辆的动力驱动影响较大。电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池1.锌空气电池3）锌空气电池的应用大型锌空气电池的电荷量一般在（500～2000）A·h，主要用于铁路和航海灯标装置上。纽扣形锌空气电池的电荷量在（200～400）mA·h，广泛用于助听器中。因比功率较低，对于车速较高、爬坡等工况的应用不够理想。关于电动汽车用锌空气电池，寿命约为300次，与其它电池相比，寿命还是太低。电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池2.铝空气电池1）铝空气电池的原理铝空气电池以高纯度铝Al（含铝99.99%）为负极；氧为正极；氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。化学反应方程式为：

电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池2.铝空气电池2）铝空气电池的特点优点：（1）比能量大；8100Wh/kg（理论）350Wh/kg（实际）（2）质量轻；13.7kWh45kg375kg(铅酸电池)（3）铝没有毒性和危险性。电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池2.铝空气电池2）铝空气电池的特点不足：比功率较低；充电和放电速度比较缓慢；电压滞后；自放电率较大；需要采用热管理系统来防止铝空气电池工作时过热。

电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池3.锂空气电池1）

锂空气电池的原理以金属锂为负极，由碳基材料组成的多孔电极为正极。放电过程中，金属锂在负极失去电池成为锂离子，电子通过外电路到达多孔正极。充电过程正好相反，在充电电压的作用下，放电过程中产生的放电产物首先在多孔正极被氧化，重新放出氧气，锂离子则在负极被还原成金属锂。电动汽车技术与原理

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页3.7.1空气电池3.锂空气电池2）

锂空气电池的特点锂空气电池与锂离子电池相似，区别在于前者的能源密度更大，而后者主要问题在于成本高且储能表现不佳。目前电池的能源密度比化石能源要低很多，如果要获得与50L化石燃料相当的能量，相应的电池系统总质量大致可达1.5t至2t。锂基电池要想达到商用要求，必须变得小型轻便，并且拥有良好的储能表现，这是锂空气电池优势所在。电动汽车技术与原理

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页3.7.2

超级电容1.超级电容的基本原理超级电容的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。超级电容器的充放电过程是一种物理反应，电池内部的隔板是储能能力的关键。超级电容器工作时，电池负极的电子通过用电器流动向正极，释放能量，充电时则反之。电动汽车技术与原理

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页电容器单体电容器模块超级电容电动汽车技术与原理

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页双电层双电层电容是由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。充电时，在固体电极电荷引力的作用下，电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的表面；放电时，阴阳离子离开固体电极的表面，返回电解液本体。这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。电动汽车技术与原理

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页双电层原理示意图电动汽车技术与原理

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页3.7.2

超级电容2.超级电容的优点（1）功率密度高；kw/kg（2）充放电循环寿命长；万次（3）充电时间短；

几分钟到几十分钟

（4）特殊的功率密度和适度能量密度；5--20wh/kg（5）储存寿命长；（6）工作温度范围宽。-50--70℃电动汽车技术与原理

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页3.7.2

超级电容3.超级电容的在电动车上的应用1）在纯电动车上的应用及发展2）在混合动力车上的应用3）作为辅助启动装置电动汽车技术与原理

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页上海电容公交车四、超级电容器的应用到站充电约30S充满电行驶约20km电动汽车技术与原理

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页HONDA燃料电池/超级电容器小轿车1回收能量2辅助启动3稳定电源四、超级电容器的应用电动汽车技术与原理

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页北京集星联合电子科技有限公司超级电容器电动汽车技术与原理

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页锦州富辰公司超级电容器电动汽车技术与原理

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页电容充放电基本原理(补充知识)CREK12充电过程由初始条件：解微分方程得：电动汽车技术与原理

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页电容充放电基本原理放电过程由初始条件：解微分方程得：

CREK12电动汽车技术与原理

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页充放电过程相关参数：

时间常数τ：τ=RC半衰期T1/2：电容放电过程中，其电压衰减到初始值的一半（或充电过程中，电压上升到终值的一半）所需要的时间电容充放电基本原理电动汽车技术与原理

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页充电曲线T1/2电动汽车技术与原理

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页放电曲线电动汽车技术与原理

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页1.飞轮储能器的结构与原理3.7.3

飞轮储能器（1）结构核心部分：飞轮、电动机—发电机、电力电子变换装置主要部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器、电力电子变换器电动汽车技术与原理

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页1.飞轮储能器的结构与原理3.7.3

飞轮储能器结构示意图电动汽车技术与原理

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页1.飞轮储能器的结构与原理3.7.3

飞轮储能器（2）原理电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能）；当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。电动汽车技术与原理

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页2.飞轮储能器的优点3.7.3

飞轮储能器1）能量密度高；100～200W·h/kg5000～10000W/kg

2）能量转换效率高；90%3）体积小、重量轻；如：直径20cm质量15kg

4）工作温度范围宽；5）使用寿命长；几百万次，20年6）低损耗、低维护。电动汽车技术与原理

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页3.飞轮储能器的应用3.7.3

飞轮储能器美国TEXAS大学已研制出一种汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时，可提供150KW的能量，能加速满载车辆到100km/h。德国西门子公司也已研制出长1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率。作为一种新兴的储能方式，飞轮电池拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。返回电动汽车技术与原理

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页3.8电池性能的检测方法3.8.1电池充放电性能测试3.8.2电池容量测定3.8.3电池循环次数测试3.8.4电池内阻的测定3.8.5自放电及储存性能测试3.8.6安全性测试3.8.7超级电容器性能检测方法电动汽车技术与原理

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页基本电路

电源、电流电压检测设备、控制设备及记录设备电池的性能测试3.8.1电池充放电性能测试电动汽车技术与原理

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页主要参数3.8.1电池充放电性能测试充电效率是指在充电时充入电池的电能与所消耗总电能的百分比。充电的最高电压是充电过程的另一个重要指标。充电电压低，说明电池在充电时极化小，充电效率高，使用寿命长。电池的耐过充能力是说明电池在处于极端充电的条件下，也有较好的使用性能。放电制度主要指放电时间、电流、环境温度及终止电压等。电动汽车技术与原理

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页放电方式3.8.1电池充放电性能测试1.恒流放电法恒流放电系统由恒流源、电流及电压检测记录装置组成。恒流源可以由电子稳流电路组成或用恒压源与大电阻构成。2.恒阻放电法恒阻放电是指放电过程中保持负荷电阻为一定值，放电至终止电压的放电方法。用放电过程中电压随时间的变化表示放电特性。恒阻放电有连续放电、间歇放电和交替放电三种方式。电动汽车技术与原理

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页检测电路（恒阻放电）3.8.1电池充放电性能测试电动汽车技术与原理

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页中点电压与放电时间率中点电压指放电

50%

容量时电池电压。Ni-MH电池1C放电，即指放电30min后所测电池电压。衡量电池高倍率放电能力。放电时间率是指电池放电至标称电压值的放电时间占总放电时间的比值。如Ni-Cd电池以1C放电至1.0V放电时间为60min；电池放电至1.2V的时间为48min；放电至1.2V时间与总放电时间比率为80%（即48/60）。称为电池的电压特性，反映电池输出功率。电动汽车技术与原理

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页电池容量------指活性物质参加电池成流反应时所有的电量；分为理论容量、实际容量和额定容量。3.8.2

电池容量测定理论容量是指电池活性物质全部参加成流反应时的电量，用法拉第定律计算，是理想值。额定容量是指设计和制造电池时，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电量，又称标称容量。实际容量是指在一定放电条件下，电池放出的实际电量。因放电条件不同，实际容量也会不同。电动汽车技术与原理

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页测定方法3.8.2

电池容量测定恒流放电法恒阻放电法恒压放电法定电压放电法定电流放电法连续放电法间歇放电法容量表达式：C=It（恒流）C=Ut/R（恒阻）影响因素：放电电流、放电温度、充电制度、搁置时间电动汽车技术与原理

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页循环寿命在一定的充放电制度下，电池容量降至某一定值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。影响因素

电极材料、电解液、隔膜、制造工艺、环境温度

过高或过低的充电电压、放电深度等，将大大缩短电池的使用寿命。3.8.3

电池循环次数测试电动汽车技术与原理

第42

页放电深度对使用寿命影响

3.8.3

电池循环次数测试电动汽车技术与原理

第43

页温度对使用寿命影响

3.8.3

电池循环次数测试电动汽车技术与原理

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页测试规定3.8.3

电池循环次数测试Ni-H2电池按GB/T15100-1994标准；Ni-Cd按GB/T10013-1996标准；铅酸蓄电池按GB5008.1-1997标准进行。电动汽车技术与原理

第45

页3.8.3

电池循环次数测试快速检测方法以Ni-MH电池为例，一单体Ni-MH电池，标称容量为1200mAh，快速循环寿命测试。循环条件为1200mA充电75min，充电结束条件为电压降10mV，搁置10min后，再以1200mA放电至1.0V；搁置10min，这样反复循环，直至容量衰减至其标称容量的80%为止，同时记录其中值电压第30min的放电值。电动汽车技术与原理

第46

页3.8.3

电池循环次数测试检测结果电动汽车技术与原理

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页电流通过电池时所受到的阻力称为电池内阻。同类电池，一般说来，内阻小则电池的电压特性好。电池内阻大小随电池类型不同而不同。

Ni-MH电池（15～50）mΩ

铅酸电池10mΩNi-Cd电池（30～100）mΩ在工程检测中多用专门内阻仪检测，常见的内阻检测仪原理一般采用交流法。电池等效于一个有源电阻，给被测电池通以恒定交流电流（一般为1000Hz、50mA），然后对其进行电压采样。3.8.4

电池内阻的测定电动汽车技术与原理

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页自放电静止开路状态时，电能容量下降现象称为自放电。产生的原因有电极的腐蚀、活性物质的溶解、电极上发生的歧化反应、活性物质的钝化、电池组成材料的分解变质等。自放电速率用单位时间内容量降低的百分数表示：3.8.5

自放电及储存性能测试

锂离子电池6-8%；镍镉电池25-30%；镍氢电池15-20%电动汽车技术与原理

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页电池的储存性能电池的储存性能是指电池开路时，在一定温度、湿度条件下，储存时能量下降率的大小。电池保持率也称电池容量剩余百分比、荷电保持能力。3.8.5

自放电及储存性能测试计算公式：

电动汽车技术与原理

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页1.耐过充、过放能力的测试2.短路测试3.耐高温测试4.钻孔试验5.机械性能试验6.抗腐蚀性能测试3.8.6

安全性测试电动汽车技术与原理

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页我国电动道路车辆蓄电池规定的耐振动性能试验分三步进行：3.8.6

安全性测试（1）用生产厂家提供的专用充电器，按规定的充电方法将电池充满电；（2）将充满电的电池安装在振动试验台上，使电池以I3（A）电流放电；（3）使蓄电池以（30～35）Hz频率上下方向振动，振动的蓄电池最大加速度为30m/s2，时间为2h，并观察电池放电电压是否有异常变化及泄漏等情况。电动汽车技术与原理

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页1.容量检测方法

3.8.7超级电容器性能检测方法1）恒流放电法放电充电电动汽车技术与原理

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页恒流放电法检测步骤

（1）恒流/恒压源的直流电压设定为额定电压。（2）设定恒电流放电装置的恒定电流值。（3）将开关S切换到直流电源，除非分立标准中另有规定，在恒流/恒压源达到额定电压后恒压充电30min。（4）在充电结束后，将开关S变换到恒流放电装置，以恒定电流进行放电。（5）测量电容器两端电压充U1到U2的时间t1和t2。计算电容量：电动汽车技术与原理

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页恒定电流设定

分类分类1分类2分类3分类4应用后备记忆能量存储功率瞬时功率充电时间（min）30303030I（mA）1C0.4C4C40CU1（V）充电电压的80%值（0.8×UR）U2（V）充电电压的40%值（0.4×UR）电动汽车技术与原理

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页测量电容器ESREquivalentSeriesResistance电动汽车技术与原理

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页1.容量检测方法

3.8.7超级电容器性能检测方法2）恒电阻充电法电动汽车技术与原理

第57

页恒电阻充电法检测步骤

将电容器两端短路30min以上进行充分放电；当施加直流电压UR时，测量时间常数τ

；通过下列等式计算电容量值τ为充电至0.632×UR的时间电动汽车技术与原理

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页2.内阻检测方法

3.8.7超级电容器性能检测方法1）交流阻抗方法计算公式：测量电压的频率1kHz；交流电流（1～10）mA。（交流）电动汽车技术与原理

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页2.内阻检测方法

3.8.7超级电容器性能检测方法2）直流阻抗方法计算公式：（恒流）

电动汽车技术与原理

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页

3.自放电检测

3.8.7超级电容器性能检测方法返回电动汽车技术与原理

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页1.生产过程的质量控制2.动态平衡与系统联动3.电池一致性补偿4.电池箱串联个数5.电池箱并联组数6.电池组的热管理7.电池组的安装设计3.9电池组的选择与设计返回电动汽车技术与原理

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页3.10.1当前几种动力电池的技术水平3.10.2动力电池的发展动向3.10电池的技术水平和发展方向电动汽车技术与原理

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页1.镉镍蓄电池3.10.1当前几种动力电池的技术水平高功率输出特性很好，早已试用于混合型电动汽车和卡车。SAFT汽车电池当荷电状态SOC=100%时，在15s内输入功率密度达到500W/kg；即使SOC=50%时也可以达到350W/kg；镉镍电池的高温循环寿命不太好，它在放电过程以及充电末期是放热的，它在52℃以上时很难工作。该型电池具有“记忆效应”，需要经常进行调整。从电池的性能和使用成本来看，镉镍电池可以作为混合型电动车的辅助动力源。但因该电池使用的镉是剧毒物质，现今一些国家已禁止使用镉镍电池。电动汽车技术与原理

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页2.金属氢化物-镍电池该电池具有较高的功率密度、约为（500～1000）W/kg，甚至于在SOC为50%时也具有很好的充电接受能力。但这种电池在高功率输出时比能量下降得很快，即在允许的SOC变化范围内难于满足（300～400）V的要求。另外，它跟镉镍电池一样，在52℃高温时，其循环寿命和充电接受能力都有明显下降，因为它在充电过程中也是放热的。总的看来，这种电池能适用于混合型电动车中的辅助动力源，此时电池的输出较热机小得多，但对于纯电动推进或在混合型电动推进系统中电池输出跟热机相当时，这种电池是接近于DOE电动车发展要求的。3.10.1当前几种动力电池的技术水平电动汽车技术与原理

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页3.密封铅酸蓄电池这种电池的比能量不高，只有（35～50）W·h/kg，比功率为（200～500）W/kg，也不算突出，但是它们之间的平衡关系却是位居各蓄电池之首。例如它的荷电状态从100%降到50%时，其输出比功率仍然可以达到（200～250）W/kg，远优于镉镍电池和金属氢化物-镍电池。因此从比能量与比功率关系的角度来看，这种电池满足了DOE的下限要求。密封铅酸蓄电池的高温和低温状态下的输出功率、比能量、充电接受能力、循环寿命、自放电等特性均满足DOE的要求。另外，密封铅酸蓄电池跟其它电池比起来，它具有得天独厚的价格优势，目前我国投入使用的电动自行车多使用此种电池。3.10.1当前几种动力电池的技术水平电动汽车技术与原理

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页4.锂离子电池近十几年锂离子电池在国内外均发展很快，在手机、笔记本电脑等电气设备中得到了广泛应用。锂离子电池循环寿命高、充电能力很好，其130W·h/kg的比能量也远优于其它蓄电池，其自放电小，因而可以在高荷电状态下工作。以上优势使得锂离子电池在电动车领域也逐渐应用。锂离子电池在使用过程中最大困难是必须严格控制充放电电压和安全性，单电池充电电压必须低于4.2V，否则将会由爆炸危险，因而成组电池的均匀性要求特别严格。目前锂离子电池的价格还很高，若要批量投入市场，必须大幅度降低电池成本。3.10.1当前几种动力电池的技术水平电动汽车技术与原理

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页5.锂聚合物电池它是在锂离子电池的基础上发展起来的新型电池，由于采用滚压式电极制造工艺，电池可以做得很薄，降低了电池内阻，因而高速率放电性能与锂离子电池基本一致。为了提高它的输出特性，则要求在高温下进行工作。锂聚合物电池之所以引起电动车业界的重视，在于它有很高的比能量，日本汤浅公司生产的800mA·h容量的手机电池，其比能量达到180W·h/kg。这种蓄电池开发的时间较短，工艺也不成熟，用作动力电池而必须考核的一些性能指标数据尚且不足。但从目前的分析来看，其电气性能跟锂离子电池相当。3.10.1当前几种动力电池的技术水平电动汽车技术与原理

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页6.超级电容