电动汽车-论文

目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 3前言 5第一章电动汽车发展概况 61.1电动汽车的定义及简介 61.2电动汽车的结构 61.3电动汽车的发展史 6第二章混合动力电动汽车 82.1混合动力电动汽车的特点 82.2混合动力电动汽车的能量管理策略 82.3混合动力汽车分类及各类型的工作原理 92.3.1串联式混合动力汽车的结构特点 92.3.2并联式混合动力汽车的结构特点 92.3.3混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点 10第三章燃料电池电动汽车 113.1燃料电池电动汽车的特点以及特性分析 113.2燃料电池的简介 113.3燃料电池汽车的优缺点 123.4燃料电池的种类 123.4.1固体氧化物燃料电池 123.4.2甲醇燃料电池 123.4.3甲烷燃料电池 123.4.4氢燃料电池 133.4.5微生物燃料电池 133.4.6质子交换膜燃料电池 13第四章纯电动汽车（EV） 144.1纯电动汽车的特性分析 144.1.1纯电动汽车的简介 144.1.2纯电动汽车的优缺点 144.2纯电动汽车蓄电池的简介 154.2.1蓄电池结构图 154.2.2蓄电池主要部件 164.3蓄电池的种类 174.3.1铅酸蓄电池 174.3.2镍镉蓄电池 184.3.3镍氢蓄电池 184.3.4钠硫蓄电池 194.3.5锂离子电池 194.3.6锌空气电池 194.3.7飞轮电池 204.3.8燃料电池 204.3.9太阳能蓄电池 204.4动力电池的工作原理 214.4.1铅酸电池的工作原理 214.4.2镍镉蓄电池的工作原理 234.4.3镍氢蓄电池的工作原理 254.4.4钠硫蓄电池的工作原理 264.4.5锂离子电池的工作原理 274.4.6锌空气电池的工作原理 304.4.7飞轮电池的工作原理 324.4.8燃料电池的工作原理 344.4.9太阳能蓄电池的工作原理 364.5纯电动汽车的发展情况 37第五章动力电池组特性的分析与均衡管理分析 405.1动力电池主要性能参数 405.1.1电压 405.1.2内阻 405.1.3温升 415.1.4内压 415.1.5电量 415.1.6荷电 415.1.7容量 415.1.8功率 425.1.9效率 425.1.10寿命 425.1.11安全 425.2动力电池组充放电特性 435.2.1充电 435.2.2过充电 445.2.3放电 445.2.4过放电 445.2.5经济速度与续驶里程 455.2.6加速与爬坡 455.2.7刹车制动与逆变 455.2.8先进的电池组使用方法 455.3动力电池组的均衡控制和管理 465.3.1断流与分流 465.3.2能耗与回馈 465.3.3能量变换器 475.3.4静态与动态 475.3.5单向和双向 485.3.6集中与分散 485.3.7独立与级联 495.3.8效率与安全 505.3.9控制与管理 505.3.10均衡小结 505.4动力电池的选用策略 51总结 53致谢 54参考文献 55

电动汽车动力电池的特性分析学生：李帅指导老师：皮胜文学院：机电工程学院摘要本文介绍了电动汽车发展状况，电动汽车的工作原理和动力电池的特性分析。在本课题的设计中，笔者研究的内容主要包含了国内外电动汽车的发展状况，电动汽车的结构、工作原理，动力蓄电池的种类、工作原理及特性分析。随着汽车拥有量逐年增加，汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题日益严重，电动汽车是目前最具开发潜力的绿色交通工具，发展电动汽车必是日后汽车发展的主要方向。研究低成本高效电池和社会充电系统是今后我国电动汽车的发展趋势。关键词：低碳经济、电动汽车、动力电池

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

前言能源危机和日益严重的环境污染使汽车技术正经历着燃料多元化、动力电气化等重大技术变革。具有高效节能、低排放或零排放优势的电动汽车重新获得了生机，并受到世界各国的广泛重视，是国际节能环保汽车发展的主攻方向，世界上许多国家都开始投入大量资金开发新能源汽车。新能源汽车已成为世界各大汽车公司21世纪初激烈竞争的焦点，动力技术革命将彻底改变2l世纪汽车业的面貌。电动汽车实现产业化的关键在于电池，铅酸、镍氢、锂电池在成本、稳定性、性能指标等方面各有优势，也一直存有争议。依据2009年工信部公布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，新能源汽车产品划分为起步期、发展期、成熟期三个不同的技术阶段，燃料电池汽车属于起步期，锂电池电动汽车属于发展期，铅酸蓄电池电动汽车属于成熟期产品。从动力电池技术路线的发展历程看，最早是铅酸电池，后来是Ni-MH电池，再进一步是锂离子电池。由于磷酸铁锂安全性和性能都非常好，现在各国都在重点技术攻关，普遍认为是今后动力电池的一个主导方向。但据统计，目前全球90%的电动车车型使用的是日韩的电池，技术路线以锰酸锂加三元材料为主。国内上市公司中，德赛电池、华芳纺织等生产电池，中国宝安等生产磷酸铁锂，杉杉股份主攻三元材料和锰酸锂，中信国安、西藏矿业等拥有上游锂资源。

第一章电动汽车发展概况1.1电动汽车的定义及简介电动汽车（ElectricVehicle）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源。电动汽车无需再用内燃机，因此，电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。传统燃油汽车的传能方式为刚性的物理齿轮传动装置，而电动车的传能方式为电导线，这就使电动车的布局更加自由化，结构更加简单，维修更加容易，使用寿命更长，并可直接利用电子技术进行传动、显示和控制，使风阻系数大大减少，还易于实现自动控制，同时安全性也优于内燃机汽车。电动汽车主要包括有：纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCEV)等。1.2电动汽车的结构电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等，分别是电源、驱动电动机、电动机调速控制装置、传动装置、行驶装置、转向装置、制动装置、工作装置。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。1.3电动汽车的发展史一百多年来，电动汽车在汽车发展史中经历了三次重大机遇。第一次发生在一百余年前。由于当时电池和电机的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。第一辆电动汽车（3轮）由法国人古斯塔夫?土维（GustaveTrouve）在1881年制造出来，此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。19世纪末期到1920年是电动车发展的一个高峰。在早期的汽车市场上电动车比内燃机驱动车辆有着更多优势：无气味、无震荡、无噪音、不用换挡和价格低廉，这使得当时的市场是以电动车为主导。随着美国德州石油的开发和内燃机技术大大提高，电动车在1920年之后渐渐地失去了优势。汽车市场逐步给内燃机驱动的汽车所取代。第二次是在70年代石油危机的爆发时.由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性，电动汽车渐渐被人们忽视。直到上世纪70年代石油危机的爆发，给世界各国政界一次不小的打击，开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。因此从政治经济方面考虑，才又给了电动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。第三次机遇开始于20世纪90年代，各个主要的汽车生产厂家开始关注电动车的未来发展并且开始投入资金和技术在电动车领域。在1990年1月的洛杉矶汽车展上，通用汽车的总裁向全球推介Impact纯电动轿车。1992年福特汽车使用钙硫电池的Ecostar，1996年丰田汽车使用镍氢电池的RAV4LEV，1996年法国雷诺汽车的Clio，1997年丰田的Prius混合动力轿车下线，1997年日产汽车推出世界上第一辆使用锂离子电池的电动车PrairieJoyEV，1999年本田汽车发布、销售混合动力Insight。

第二章混合动力电动汽车2.1混合动力电动汽车的特点混合动力电动汽车是将电力驱动与传统的内燃机驱动相结合，充分发挥了二者的优势。同时，它可以从根本上解决现在纯电动汽车动力性能差和续驶里程短的问题。混合电动汽车与纯电动汽车相比，其主要优势是：电池容量大为减少，进而可以降低整车重量，为提高动力性作出贡献。由于采用辅助动力驱动，打破了纯电动汽车续驶里程的限制，其长途行驶能力可与传统汽车相媲美。在混合动力电动汽车上采用高度实时和动态的优化控制策略，优化控制的结果尽量使动力系统各部件工作在最佳状态效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的尾气排放，大大提高了混合动力汽车的燃油经济性。在排放限制严格的地区，还可关闭辅助动力，以纯电动方式工作，成为零排放汽车。空调系统等附件由内燃机直接驱动，有充分的能源供应，保证了汽车的乘坐舒适性。在控制策略的作用下，辅助动力可以向储能装置（一般为电池组）提供能量，从而保证混合动力电动汽车无需停车充电，因此可利用现有加油站，不需要进行专用充电设施的建设。由于混合动力汽车的电池组在使用过程中是浅充浅放，所以可以延长电池的使用寿命。2.2混合动力电动汽车的能量管理策略混合动力电动汽车具有两个以上的动力源，因此为了解决混合动力汽车多动力源所引起的模式切换和功率分配，需要引入一个能量管理系统对系统的能量流动进行合理的分配。管理系统应遵循选定的能量管理策略并对其进行优化，以实现混合动力电动汽车要达到的目标。一般来说，应达到的几个主要设定目标是：（1）使燃油经济性最优；（2）使排放最低；（3）为了保持整车价格能够被市场接受，使驱动系统的成本最小化；在实现上述三点的同时，维持或者提高整车的性能（加速性能、续驶性能、操作灵活性等）。2.3混合动力汽车分类及各类型的工作原理2.3.1串联式混合动力汽车的结构特点HYPERLINK串联混合动力电动汽车SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。2.3.2并联式混合动力汽车的结构特点图3.1并联式混合动力汽车HYPERLINK并联式混合动力汽车的组成1、发动机2、电动机/发动机3、机械传动系统4、驱动电动机5、逆变器6、蓄电池组PHEV是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。如上图所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可分为：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。上图是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；3）在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。2.3.3混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点图3.2混联式混合动力汽车混联式混合动力汽车的组成:1、发动机2、电动机/发动机3、变速器或减速器4、驱动桥5、逆变器6、电动机7、蓄电池组PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。

第三章燃料电池电动汽车3.1燃料电池电动汽车的特点以及特性分析燃料HYPERLINK电池十分复杂，涉及HYPERLINK化学热力学、HYPERLINK电化学、HYPERLINK电催化、材料科学、HYPERLINK电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电HYPERLINK效率高、环境污染少等优点。总的来说，HYPERLINK燃料电池具有以下特点：（1）HYPERLINK能量转化效率高，他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧HYPERLINK过程，因而不受HYPERLINK卡诺循环的限制。（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低，HYPERLINKCO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。（3）燃料适用范围广。（4）积木化强、规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。（5）负荷响应快，运行质量高。燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。3.2燃料电池的简介能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。1839年HYPERLINK英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了HYPERLINK伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于HYPERLINK发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代这种电池成功地应用于HYPERLINK阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的HYPERLINK磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在HYPERLINK宇航、HYPERLINK军事、HYPERLINK交通等各个领域中得到应用。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（HYPERLINKAFC）、磷酸型燃料电池（HYPERLINKPAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。3.3燃料电池汽车的优缺点燃料电池汽车与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：（1）零排放或近似零排放。（2）减少了机油泄露带来的水污染。（3）降低了温室气体的排放。（4）提高了燃油经济性。（5）提高了发动机燃烧效率。（6）运行平稳、无噪声。3.4燃料电池的种类3.4.1固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。3.4.2甲醇燃料电池HYPERLINK直接甲醇燃料电池是HYPERLINK质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过HYPERLINK外电路到达阴极，并做功。较其它电池能量转化率高。直接甲醇燃料电池技术困难1.催化剂：采用贵金属纳米催化剂，成本高。活性及稳定性达不到理想要求；2.质子交换膜：杜邦公司Nafion膜甲醇透过很严重，造成燃料浪费，阴极混合电位，性能下降；3.电池集成：针对DMFC的集成技术还不完善,这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。3.4.3甲烷燃料电池甲烷燃料电池是化学电池中的HYPERLINK氧化还原电池。燃料电池是燃料和氧化剂(一般是氧气)在电极附近参与原电池反应的化学电源。HYPERLINK甲烷（CH4）燃料电池就是用沼气（主要成分为CH4）作为燃料的电池，与氧化剂O2反应生成CO2和H2O.反应中得失电子就可产生电流从而发电。美国科学家设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。燃料电池使用气体燃料和氧气直接反应产生电能,其效率高、污染低,是一种很有前途的能源利用方式。但传统燃料电池使用氢为燃料,而氢既不易制取又难以储存,导致燃料电池成本居高不下。科研人员曾尝试用便宜的碳氢化合物为燃料,但化学反应产生的残渣很容易积聚在镍制的电池正极上,导致断路。美国科学家使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极,解决了残渣积聚问题。这种新电池能使用甲烷、乙烷、HYPERLINK甲苯、丁烯、丁烷等5种物质作为燃料。3.4.4氢燃料电池氢燃料电池是使用HYPERLINK氢这种化学元素，制造成储存能量的HYPERLINK电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。 氢燃料电池的存在优势无污染：燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述,燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过HYPERLINK可再生能源产生的(光伏电池板、HYPERLINK风能发电等),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。无噪声：燃料电池运行安静，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。高效率：燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将HYPERLINK化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能(发电机)的中间变换。3.4.5微生物燃料电池微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。3.4.6质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池-概述：质子交换HYPERLINK膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由HYPERLINK阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为HYPERLINK氢燃料发生氧化的场所，HYPERLINK阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极HYPERLINK电化学反应的HYPERLINK催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一HYPERLINK直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

第四章纯电动汽车（EV）4.1纯电动汽车的特性分析4.1.1纯电动汽车的简介纯电动汽车（BEV）：由电动机驱动的汽车。电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显着减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排放量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。4.1.2纯电动汽车的优缺点优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车能量转换效率更高。因电动车的能量来源——电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。因此纯电动汽车使用成本在下降。纯电动汽车以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱。相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪声低。缺点：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，其次电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本、使用价格比汽车贵，不过有些价格仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一能源，使电控系统大大减少，汽车内部机械传动系统结构简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪声，节省了汽车内部空间，减轻了重量。4.2纯电动汽车蓄电池的简介蓄电池是电动汽车的动力源泉。目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想。电动汽车蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等。要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。4.2.1蓄电池结构图铅酸密封蓄电池由正、负极板、隔板和电解液、电池槽及连接条(或铅零件)、接线端子和排气阀等组成。如图4.1、图4.2所示：图4.1蓄电池结构图4.2蓄电池实体一只蓄电池一般由3个单格(6V电池)或6个单格(12V电池)组合而成。每个单格由若干片正极板与若干片负极板(负极板比正极板多一片)，间隔重叠而成，中间用超细玻璃纤维隔板隔离。数片正极板用铅合金焊接在一起组成正极群，同样数片负极板用铅合金焊接在一起组成负极群，正、负极群装于电池槽内组成单体蓄电池。单体电池之间用铅零件或连接条从单格之间的电池槽隔板顶端以串联形式连在一起。电池槽盖用密封胶粘结。首尾单格作引出端子，引出正负极。4.2.2蓄电池主要部件极板是蓄电池的核心部件，被誉为蓄电池的“心脏”。目前电动助力车电池绝大多数采用涂膏式正、负极板。隔板被誉为蓄电池第三电极。它用以隔离正、负极，防止短路。作为电解液的载体，它能够吸收大量电解液，起到离子良好扩散(离子导电)的作用。对密封蓄电池而言，隔板还作为正极板产生氧气到达负极板的通道，使其顺利地建立氧循环，减少水损失。采用超细玻璃纤维让隔板式蓄电池实现免维护的关键。电解液主要由纯水与硫酸组成，配以一些添加剂混合而成。主要作用：一是参与电化学反应，是蓄电池活性物质之一；二是起导电作用，蓄电池使用时通过电解液中离子迁移，起到导电作用，使电化学反应得以顺利进行。安全阀是蓄电池的关键部件之一，它位于蓄电池顶部，作用有三个：安全使用。即当蓄电池使用过程中内部产生气体气压达到安全阀压时，开阀将压力释放，防止产生电池变形、破裂等发生。密封作用。当蓄电池内压低于安全阀的闭阀压时安全阀关闭，防止内部气体酸雾往外泄漏，同时也防止空气进入电池造成不良影响。保证蓄电池有一定内压，促进蓄电池内氧复合，减少失水。防爆作用。某些安全阀装有防酸、爆片。安全阀结构类型较多，主要有帽式、伞状、片状等几种。帽式阀技术比较成熟，阀结构简单，制作工艺也比较简单，使用故障率低。但阀的开启压力和关闭压力变化范围较大，开闭阀压重现性差，这是阀与阀座配合状态不易完全恢复所致，安装时可采取专用工具将阀帽定位安装，使阀帽顶面与顶部盖片靠紧，予以解决(开关阀压力测试时也需采取定位安装方法)。安装配合尺寸对阀的开闭阀压影响较大，需采取提高配合精度的措施。在电动车电池上使用，因电解液浓度高，还时有粘连的缺陷，必须采取表面浸渍特殊油的办法，起防酸、防老化腐蚀作用。伞状阀与阀座接触方向与帽式阀不同，开阀压较低，开阀压重现性较好，可靠性较高。4.3蓄电池的种类蓄电池是电动汽车的动力源泉。目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想。电动汽车蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等。要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。4.3.1铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池，目前约有80％－90％的采用率。它可靠性好、原材料易得、价格便宜，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点：一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。主要特性:1)安全密封:在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出。2)没有自由酸:特殊的吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。3)泄气系统:电池内压超出正常水平后，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体。4)维护简单:由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池的过程中不需要加水。5)使用寿命长:采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池可浮充使用10-15年。6)质量稳定，可靠性高:采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写)电池的质量稳定，性能可靠。电压、容量和密封在线上进行100%检验。我们常用的铅酸HYPERLINK蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、HYPERLINK干荷蓄电池和HYPERLINK免维护蓄电池三种。1）普通蓄电池；普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁。2）干荷蓄电池：它的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是HYPERLINK负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过20—30分钟就可使用。3）免维护蓄电池：免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。市场上的免维护蓄电池也有两种：第一种在购买时一次性加电解液以后使用中不需要维护(添加补充液)；另一种是电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液.4.3.2镍镉蓄电池目前，镍镉蓄电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池其比能量可达55W·h/kg，比功率超过190W/kg，可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4－5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染。4.3.3镍氢蓄电池镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱性电池，其特性和镍镉蓄电池相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问题。目前生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie公司，它现有80A·h和130A·h两种单元电池，并由此构成30kw·h和50kw·h两种规格的电池。其比能量达75-80W·h/kg，比功率达160-230W/kg，循环使用寿命超过600次。这种蓄电池曾装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶345km，有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。估计随着镍氢蓄电池技术的发展，其比能量可超过80w·h/kg，循环使用寿命可超过2000次，远景价格可降至150美元/Kw·h。通用汽车公司已把它作为今后几年电动汽车优先考虑蓄电池。4.3.4钠硫蓄电池钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池，美国福特汽车公司的Mnivan电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体（USMABC）列为中期发展的电动汽车蓄电池，德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池，其质量为17.5kg，蓄电量19.2Kw·h，比能量达109W·h/kg，循环使用寿命1200次，装车试验时最好的一辆车无故障地行驶了2300km。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。4.3.5锂离子电池锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的一种新型电池。作为一种小型轻量、高容量、对环境安全的新型电池,锂离子电池主要用于便携式摄放一体机、CD游戏机、移动电话机、笔记本电脑等家用小型电器设备,随着这些电器的迅速发展,锂离子电池的生产及需求量也会与日俱增。磷酸铁锂电池于1997年由美国德克萨斯州大学JohnGoodenough教授的研究小组最早发明，发明之初并没有得到太多的关注。2006年春天，全球最大的电动手工具大厂Black&Decker推出一款电压为36V的无电线新型电动手工具，这款工具的特点是采用了可lh高速充电、具有强大的功率性能、高安全性及2000次以上循环寿命的磷酸铁锂电池，电池由A123公司提供。这款产品的热卖引起许多相关业者的关注，包括磷酸铁锂电池的专利拥有者一一美国德州大学。由于磷酸铁锂具有安全、稳定性高，环保、原料无毒，价格便宜等优势，已经成为未来锂离子电池的发展方向。4.3.6锌空气电池锌空气电池的潜在比能量在200W·h/kg左右。美国DEMI公司为电动汽车开发的锌空气电池的比能量已达160W·h/kg左右。但它目前尚存在寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电等缺点。美国的CRX电动汽车装的就是锌空气电池，该车为弥补它的不足，还装有镍镉蓄电池以帮助汽车起动和加速CRX车的锌空气电池组质量为340kg，充足电后可存储45kw·h的能量，同时装备CRX的重达159kg的镍镉蓄电池充足电后有4kw·h能量。充电12分钟可使CRX电动汽车行驶65km，充电一小时则可行驶160km。4.3.7飞轮电池飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池充电增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池供出电时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能可达150W·h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，由0到96km/h加速时间为6.5秒。4.3.8燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。它不经历热机过程，不受热力循环限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100％，实际效率已达60％－80％，是普通内燃机热效率的2－3倍。现在应用于电动汽车中的燃料电池是一种被称为质子交换膜燃料电池（PEMFC），它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂。在1993年加拿大温哥华科技展览会上，加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一辆以PEMFC电池为动力的电动公共汽车，载客20人，可行驶160km，最高速度72.2km/h。德国奔驰汽车公司也研制了以PEMFC电池为动力的电动汽车。4.3.9太阳能蓄电池太阳能作为一种新型清洁能源备受环保人士的推崇，但“月有阴晴圆缺，天有刮风下雨”，在没有太阳时，又该怎么办呢？太阳能蓄电池就是为了这种情况而存在的。光伏离网发电系统是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统，通常由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成。计划，太阳能电池组件的作用是将太阳能转化为电能，供给负载工作或给蓄电池组充电;控制器的作用是对蓄电池组的充放电进行保护;蓄电池组用于存储电能;逆变器的作用是将直流电变换为交流电。在夜晚或阴雨天，太阳电池组件无法工作时，由蓄电池组供电给负载工作。蓄电池的工作方式可分为循环使用和浮充使用两种。经常处于频繁的充放电工作状态，即循环使用;经常处于充电状态则为浮充使用，能弥补蓄电池因自放电而造成的容量损失。光伏发电系统用VRLA蓄电池属于循环使用方式。4.4动力电池的工作原理4.4.1铅酸电池的工作原理图4.3铅酸蓄电池的结构原理图铅酸蓄电池主要由正极极群、负极极群、电解液和容器组成。它的正极是PbO2，负极是金属Pb，正负极板放在硫酸的水溶液。铅酸蓄电池单体工作电压2V，工作电压范围为1.7～2.2V,最佳放电电流为2C。铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子。铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极)(电解液)(阴极)PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)(过氧化铅)(硫酸)(海绵状铅)(阳极)(电解液)(阴极)PbSO4+2H2O+PbSO→PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应)(硫酸铅)(水)(硫酸铅)铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（Pb2）与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板的铅离子（Pb4）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价铅离子（Pb2），与电解液中的硫酸根离子（SO4-2）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（PbSO4）。正极板水解出的氧离子（O-2）与电解液中的氢离子（H）反应，生成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。放电时H2SO4浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（PbSO4）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。充电时，应在外接一直流电源（充电器或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（Pb2）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（Pb4），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（PbO2）。在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（Pb2）和硫酸根负离子（SO4-2），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（Pb2）被中和为铅（Pb），并以绒状铅附着在负极板上。电解液中，正极不断产生游离的氢离子（H）和硫酸根离子（SO4-2），负极不断产生硫酸根离子（SO4-2），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。4.4.2镍镉蓄电池的工作原理4.4镍镉蓄电池4.5镍镉蓄电池的充电示意图镍镉蓄电池的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由镉制成的一种碱性HYPERLINK蓄电池。正极为氢氧化镍，负极为镉，电解液是氢氧化钾溶液，充电、放电的化学反应是：放电反应式：负极反应：Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e-正极反应：2e-+NiO2+2H2O→Ni(OH)2+2OH-反应：Cd+NiO2+2H2O→Cd(OH)2+Ni(OH)2充电反应式：正极反应：Ni(OH)2+2OH-→2e-+NiO2+2H2O负极反应：Cd(OH)2+2e-→Cd+2OH-总反应：Cd(OH)2+Ni(OH)2→Cd+NiO2+2H2O蓄电池充电终了时，充电电流将使电池内发生分解水的反应，在正、负极板上将分别有大量氧气和氢气析出。从上述电极反应可以看出，氢摒化钠或氢氧化钾并不直接参与反应，只起导电作用。从电池反应来看，充电过程中生成水分子，放电过程中消耗水分子，因此充、放电过程中电解液浓度变化很小，不能用密度计检测充放电程度。镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用。其内部抵制力小，既内阻很小，可快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。与其它类型的电池比较，镍镉电池可耐过充电或过放电。镍镉电池的放电电压根据其放电装置有所差异，每个单元电池(Cell)大约是1.2V，电池容量单位为Ah(HYPERLINK安时)、mAh(HYPERLINK毫安时)，放电终止电压的极限值称为“放电终止电压”，镍镉电池的放电终止电压为1.0/cell(cell为每一单元电池)。自放电率低，镍镉电池在长时间放置的情况下，特性也不会劣化，充分充电后可完全恢复原来的特性，它可在－20℃+60℃的温度范围内使用。由于单元电池采用金属容器，坚固耐用；采用完全密封的方式，不会出现电解液泄漏现象，故无须补充电解液。提高电池性能及延长电池使用寿命的关键在于避免记忆效应和过度放电。镍镉电池有记忆效应，即镍镉电在几次低容量下的充放电工作之后。如果要进行一次较大容量的充放电，电池将无法正常工作，这种情况即为记忆效应(Memoryeffect)。记忆效应使得放电终止电压被设定的较高的录像机、摄像机上，随着工作电压的降低，电池容量表面上也随着降低，但放电电压的降低可能是一至二次完全放电而造成的暂时现象。记忆效应使得电池的性能不能得到充分发挥，也给拍摄带来极大的不便。因此，在使用中应注意使用带充放电性能的充电器，如Sony公司的BC－1WDCE，避免记忆效应的产生，使用一般充电器的如BC－1WA、BC－1WB时，可在10次左右的充电以后进行一次放电，也可以达到防止记忆效应的目的。镍镉蓄电池容量与下列因素有关：①活性物质的数量；②放电率；③电解液。放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，蓄电池的容量越小。使用不同成分的电解液，对蓄电池的容量和寿命有一定的影响。通常，在高温环境下，为了提高电池容量，常在电解液中添加少量氢氧化锂，组成混合溶液。实验证明：每升电解液中加入15~20g含水氢氧化锂，在常温下，容量可提高4%~5%，在40℃时，容量可提高20%。然而，电解液中锂离子的含量过多，不仅使电解液的电阻增大，还会使残留在正极板上的锂离子（Li+）慢慢渗入晶格内部，对正极的化学变化产生有害影响。电解液的温度对蓄电池的容量影响较大。这是因为随着电解液温度升高，极板活性物质的化学反应也逐步改善。电解液中的有害杂质越多，蓄电池的容量越小。主要的有害杂质是碳酸盐和硫酸盐。它们能使电解液的电阻增大，并且低温时容易结晶，堵塞极板微孔，使蓄电池容量显着下降。此外，碳酸根离子还能与负极板作用，生成碳酸镉附着在负极板表面上，从而引起导电不良，使蓄电池内阻增大，容量下降。4.4.3镍氢蓄电池的工作原理4.6镍氢蓄电池的结构原理图镍氢蓄电池是正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成的一种HYPERLINK碱性HYPERLINK蓄电池。目前，镍镉蓄电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池其比能量可达55W·h/kg，比功率超过190W/kg，可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4－5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污染。电化学原理主要为KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）充电时正极反应：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-HYPERLINK负极反应：M+H2O+e-→MH+OH-总反应：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放电时正极：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-负极：MH+OH-→M+H2O+e-总反应：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2以上式中M为储氢合金，MH为吸附了HYPERLINK氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为LaNi5。镍镉电池NiCd电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和HYPERLINK石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率)适中。NiCd电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，放出80%电量后再充足电，该电池只能放出80%的电量。这就是所谓的记忆效应。当然，几次完整的放电/充电循环将使NiCd电池恢复正常工作。由于NiCd电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至1V以下。镍氢电池NiMH电池正极板材料为NiOOH，负极板材料为吸氢合金。电解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。HYPERLINK隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。NiMH电池有圆柱形和方形两种。圆柱形密封NiMH电池的结构如图所示。iMH电池具有较好的低温放电特性，即使在－20℃环境温度下，采用大电流(以1C放电速率)放电，放出的电量也能达到标称容量的85%以上。但是，NiMH电池在高温(+40℃以上)时，蓄电容量将下降5～10%。这种由于自放电(温度越高，自放电率越大)而引起的容量损失是可逆的，几次充放电循环就能恢复到最大容量。NiMH电池的开路电压为1.2V，与NiCd电池相同。NiCd/NiMH电池的充电过程非常相似，都要求恒流充电。两者的差别主要在快速充电的终止检测方法上，以防止电池过充电。充电器对电池进行恒流充电，同时检测电池的电压和其它参数。当电池电压缓慢上升达到一个峰值，对NiMH电池快速充电终止，而NiCd电池则当电池电压第一次下降了一个－△V时终止快速充电。为避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，电池温度Tmin低于10℃时，应转入涓流充电方式。而电池温度一旦达到规定数值后，必须立即停止充电。4.4.4钠硫蓄电池的工作原理钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池，美国福特汽车公司的Mnivan电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体（USMABC）列为中期发展的电动汽车蓄电池，德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池，其质量为17.5kg，蓄电量19.2Kw·h，比能量达109W·h/kg，循环使用寿命1200次，装车试验时最好的一辆车无故障地行驶了2300km。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，电池寿命较短，性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。钠硫电池具有许多特色之处：一个是比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高。其理论比能量为760Wh/Kg，实际已大于100Wh/Kg，是铅酸电池的3-4倍；另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100％。当然，事物总是一分为二的，钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300-350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列诱人特点，所以一开始不少国家就首先纷纷致力于发展其作为电动汽车用的动力电池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但随着时间的推移表明，钠硫电池在移动场合下(如电动汽车)使用条件比较苛刻，无论从使用可提供的空间、电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年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，并越来越显示其优越性。如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平(即起削峰平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，已建成世界上最大规模(8MW)的储能钠硫电池装置，截止2005年10月统计，年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。4.4.5子电池的工作原理4.7锂离子电池结构示意图锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的HYPERLINK电池。是现代高性能电池的代表。钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：1）正HYPERLINK极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，现在又出现了镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和HYPERLINK磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔（2）HYPERLINK隔膜——一种特殊的金属复合膜，可以让离子和电子自由通过（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用HYPERLINK凝胶状电解液（5）电池外壳——分为钢壳（现在方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（HYPERLINK圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端锂电池的工作原理当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。正极正极材料：如上文所述，可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照：正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。充电时：LiFePO→Li-xFePO+xLi+xe放电时：Li1-xFePO+xLi+xe→LiFePO负极负极材料：多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。充电时：xLi+xe+6C→LixC6放电时：LixC6→xLi+xe+6C主要优点1）电压高:单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍2）比能量大:目前能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。3）循环寿命长:一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的HYPERLINK电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。4）安全性能好:无公害，无HYPERLINK记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。5）自放电小:室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。6)可快速充放电:1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，现在磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。7)工作温度范围高:工作温度为-25~45°C，随着HYPERLINK电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。新发展1）聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以HYPERLINK导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种HYPERLINK新型电池。2）动力锂离子电池动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高HYPERLINK功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于HYPERLINK混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。3）高性能锂电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此，改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安·菲希特纳博士说，如果能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高5倍。4.4.6锌空气电池的工作原理4.8锌空气电池的结构图锌空气电池（zincairbattery），用HYPERLINK活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种HYPERLINK原电池。又称锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池，分别用字母A和P表示，其后再用数字表示电池的型号。锌空气电池都充电过程进行得十分缓慢，为解决这一问题，通常锌空气电池锌空气电池的负极锌板或锌粒，被氧化成氧化锌而失效后，一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法，使锌空气电池得到完全更新。放电时正、负极和总反应的化学方程式为化学方程式负极：Zn+2OHˉ=ZnO+H2O+2eˉ正极：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ总反应：2Zn+O2=2ZnO电池类型主要有4种类型。①中性锌空气电池:结构与锌锰圆筒形电池的类同，也采用氯化铵与氯化锌为电解质，只是在炭包中以活性炭代替了二氧化锰，并在盖上或周围留有通气孔，在使用时打开；②纽扣式锌空气电池：结构与HYPERLINK锌银扣式电池基本相同，但在正极外壳上留有小孔，使用时可打开；③低功率大荷电量的锌空气湿电池：将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入盛有氢氧化钠溶液的容器中（见图）；④高功率锌空气电池：一般是将薄片状粘结式活性炭电极装在电池外壁上，将锌粉电极装在电池中间，两者之间用吸液的隔膜隔离，上口装有注液塞。使用时注入氢氧化钾溶液。这种电池便于携带。低功率锌空气湿电池和高功率锌空气电池属于临时激活型，活性炭电极能反复使用，因而电池在耗尽电荷量以后，只要更换锌电极和碱液，就可重复使用锌空气电池原理锌空气电池的电化学反应如下：在中性溶液中：2Zn+4NH4Cl+O2→2Zn(NH3)2Cl2+2H2O在碱性溶液中：2Zn+2NaOH+O2→2NaHZnO2性能特征和用途锌空气电池的电压为1.4V左右，放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制约。每一型号的电池有其最佳使用电流值，超过极限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的荷电量一般比同体积的锌锰电池大3倍以上。大型锌空气电池的电荷量一般在500～2000Ah，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200～400mAh，已广泛用于助听器中。4.4.7飞轮电池的工作原理4.9飞轮电池的结构原理图飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池"充电"增加了飞轮的转速从而增大其功能；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min，使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能呈可达150W·h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，由到96km/h加速时间为6.5秒。工作原理何谓飞轮储能电池飞轮储能电池系统包括三个核心部分：一个飞轮，电动机—发电机和电力电子变换装置。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。由于输入、输出是彼此独立的，设计时常将电动机和发电机用一台电机来实现，输入输出变换器也合并成一个，这样就可以大大减少系统的大小和重量。同时由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，既轻又强，进一步减少了整个系统的重量，同时，为了减少充放电过程中的能量损耗（主要是摩擦力损耗），电机和飞轮都使用磁轴承，使其悬浮，以减少机械摩擦；同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率（输入输出）达95%左右。实际使用的飞轮装置中，主要包括以下部件：飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器。飞轮是整个电池装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少，它储存的能量由公式E=jw^2决定。式中j为飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和重量有关；为飞轮的旋转角速度。电力电子变换器通常是由MOSFET和IGBT组成的双向逆变器，它们的原理不再叙述，它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。优点飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表现在如下几个方面：(1)能量密度高：储能密度可达100～200wh/kg，功率密度可达5000～lO000w/kg。(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。(4)HYPERLINK工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。(5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。(6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，HYPERLINK系统维护周期长。4.4.8燃料电池的工作原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、HYPERLINK汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率；具有很强的过负载能力；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；用天然气和HYPERLINK煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型HYPERLINK质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用HYPERLINK可燃气体作为其发电用的燃料。燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池氢-氧燃料电池反应原理这个反映是电解水的逆过程。电极应为：负极：H22OH-→2H2O+2e-正极：1/2O2+H2O-2e-→2OH-电池反应：H2+1/2O2→H2O另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的HYPERLINK辅助系统，包括反应剂供给系统、HYPERLINK排热系统、HYPERLINK排水系统、电性能HYPERLINK控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成HYPERLINK离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和HYPERLINK空气（HYPERLINK氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H++2e-（1）空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O（2）全体：H2+1/2O2=H2O（3）在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的HYPERLINKO2发生反