任务二　蓄电池的结构原理

一、铅酸蓄电池

1.铅酸蓄电池的种类

以酸性水溶液作为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于酸蓄电池电极是以铅及其氧化物作为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池于1859年由法国科学家普兰特（G.Plante）发明。1881年法国人发明的电动汽车就是以铅酸蓄电池作为动力的，铅酸蓄电池广泛用于燃油（气）汽车的启动。铅酸蓄电池按其工作环境的不同可分为移动式和固定式两大类。固定型铅酸蓄电池按电池槽结构的不同可分为半密封式和密封式，半密封式又分为防酸式和消氢式。根据排气方式的不同，密封式铅酸蓄电池可分为排气式和非排气式两种。

铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。因此，近十年来，国内外开发的称之为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸蓄电池。在电动汽车上使用的铅酸蓄电池的类型及其主要特点见表2-2。

电动汽车牵引用动力铅酸蓄电池（简称动力铅酸蓄电池）的性能与启动用铅酸蓄电池的要求是不同的。动力铅酸蓄电池要求有高的比能量和比功率，高的循环次数和使用寿命，快速充电性能等。目前，已经有很多专业公司研制和开发了多种新型铅酸蓄电池，使得铅酸蓄电池的性能有了较大的提高。

2.铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池放电和充电的反应过程是铅酸蓄电池活性物质进行的可逆化学变化过程，可以用下列化学反应方程式表示：

PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O

正极　负极　　　　　正极　负极

铅酸蓄电池放电过程中，化学反应由左向右进行，其相反的过程为充电过程的化学反应。由于放电过程中，铅酸蓄电池中H2SO4的浓度会逐渐减小，因此，可以用比重计来测定H2SO4的密度，再由铅酸蓄电池电解液的密度确定铅酸蓄电池电解液的放电程度。单体铅酸蓄电池的电压为2V，在使用或存放一段时间后，电池的电压可能降低到1.8V以下，或H2SO4溶液的密度下降到1.2g/cm3时，铅酸蓄电池就必须充电；如果电压继续下降，则铅酸蓄电池将损坏。

3.铅酸蓄电池的构造

图2-3所示为普通铅酸蓄电池的结构。铅酸蓄电池的基本单元是单体电池（Batterycell），每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。每个单体电池的基本电压为2V，然后将不同容量的单体电池按使用要求进行组合，装置在不同的塑料外壳中，来获得不同电压和不同容量的铅酸蓄电池。铅酸蓄电池总成经过灌装电解液和充电后，就可以从铅酸蓄电池的接线柱上引出电流。阀控铅酸蓄电池通常采用密封、无锑网隔板等技术措施；并在普通铅酸蓄电池的电解液中加入硅酸胶（Na2SiO3）等凝聚剂，使电解质成为胶状物，形成一种“胶体”电解质，采用“胶体”电解质的铅酸蓄电池使用起来更加方便。硅酸胶（Na2SiO3）与硫酸的反应如下：

H2SO4+Na2SiO3H2SiO3+Na2SO4

图2-4所示为排气阀式铅酸蓄电池的结构。该种蓄电池的特点是带有催化剂，可以使充电时产生的氢气和氧气反应生成水流回蓄电池，因而可以防止充电时产生的氢气和氧气逸散，控制水的消耗。

二、镍镉蓄电池

1.镍镉蓄电池的原理

镍镉蓄电池（Ni-Cd）是一种碱性蓄电池，是电动汽车首选电池之一。镍镉蓄电池的比能量可达到55W·h/kg（普通铅酸电池的能量密度约为40W·h/kg），比功率可超过225W/kg，极板强度高，工作电压平稳，能够带电充电，并可以快速充电。镍镉蓄电池过充电和过放电性能好，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大，深度放电性能也好。镍镉蓄电池循环使用寿命长，可达到2000次或7年以上，是铅酸蓄电池的2倍。镍镉蓄电池采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作，低温性能较好，能够长时间存放。

镍镉蓄电池以羟基氢氧化镍为正极，金属镉为负极，水溶性氢氧化钾溶液为电解质。在镍镉蓄电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。为了延长使用寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。镍镉蓄电池的化学反应方程式如下：

正极　　　　　负极　　　　正极　　　　负极

2Ni（OH）3+2KOH+Cd2Ni（OH）2+2KOH+Cd（OH）2

2.镍镉蓄电池的结构

图2-5所示为镍镉蓄电池的结构。镍镉蓄电池的每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。将单体电池按不同的组合装置在不同塑料外壳中，可得到所需要的不同电压和不同容量的镍镉蓄电池总成。在市场上有多种不同型号规格的镍镉蓄电池总成可供选择。在灌装电解液并经过充电后，就可以从电池的接线柱上引出电流。

3.镍镉蓄电池的特点

镍镉蓄电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为1.2V，循环使用寿命在2000次以上；可以进行快速充电，充电15min可恢复50%的容量，充电1h可恢复100%的容量，但一般情况下完全充电需要6h；深度放电达100%，自放电率低于0.5%/天；可以在-40～80℃的环境温度条件下正常工作；快速充电能力强，充电18min即可从40%达到80%容量。镍镉蓄电池有记忆效应，镍镉蓄电池中采用的镉（Cd）是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效的回收，这点在国外已能实现。镍镉蓄电池的成本约为铅酸蓄电池的4～5倍，初始购置费用较高，但镍镉蓄电池的比能量和循环使用寿命都大大地高于铅酸蓄电池，因此，在电动汽车实际使用时，总的费用不会超过铅酸蓄电池的费用。由于镍镉蓄电池使用性能比铅酸蓄电池好，在电动汽车上得到广泛的采用。克莱斯勒公司的TE小型汽车、标致106型EV、雪铁龙AX-EV以及日本本田汽车公司、日产汽车公司等生产的EV上都采用了镍镉蓄电池。

三、镍氢蓄电池

镍氢（Ni-MH）蓄电池也是一种碱性蓄电池，其标称电压为1.2V，比能量可达到70～80W·h/kg，有利于延长EV的行驶里程，镍氢蓄电池比功率可达到200W/kg，是铅酸蓄电池的2倍，能够提高车辆的启动性能和加速性能。镍氢蓄电池有高倍率的放电特性，短时间可以以3C放电，瞬时脉冲放电率很大。镍氢蓄电池的过充电性能和过放电性能好，能够带电充电，并可以快速充电，在15min内可充60%的容量，1h内可以完全充满，应急补充充电的时间短。在80%的放电深度下，镍氢蓄电池循环寿命可达到1000次以上，是铅酸蓄电池的3倍。镍氢蓄电池采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作，低温性能较好，能够长时间存放。镍氢蓄电池中没有Pb和Cd等重金属元素，不会对环境造成污染，镍氢蓄电池可以随充随放，不会出现镍镉蓄电池在没有放完电后即充电而产生的“记忆效应”。

1.镍氢蓄电池的工作原理

镍氢（Ni-MH）蓄电池的正极是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属、塑料和黏合剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni（OH）2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的改进：采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂时，可以提高大电流时的放电性能。

镍氢蓄电池的负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金的晶格基块，用钛、钒、锆、镍、铬（Ti、V、Co、Ni、Cr）五种基本元素，并与钴、锰等金属元素烧结的合金。经过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能对镍氢蓄电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加储氢合金的防腐性能，这有利于提高镍氢蓄电池的比能量、比功率和延长其使用寿命。

电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在蓄电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极从金属转化为氢氧化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。图2-6为镍氢电池工作原理。

正极Ni（OH）2+OH--eNiOOH+H2O

负极H2O+e1/2H2+OH-

总反应Ni（OH）2NiOOH+1/2H2

2.镍氢蓄电池的结构

镍氢蓄电池正极是活性物质氢氧化镍Ni（OH）2，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正、负极之间有隔膜，共同组成镍氢单格电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍氢蓄电池的特性与镍镉蓄电池基本相同，但氢气是没有毒性的物质，无污染，安全可靠。镍氢蓄电池使用寿命长，而且不需要补充水分。

镍氢蓄电池的极板有发泡体和烧结体两种。发泡体极板的镍氢蓄电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，特别是存放一段时间后，会有20%的电荷流失，老化现象比较严重。为避免镍氢蓄电池老化所造成的内阻增高，镍氢蓄电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的镍氢蓄电池的烧结体极板本身就是活性物质，不需要进行活性处理，也不需要进行预充电，电压平衡、稳定，具有低温放电性能好、不易老化和使用寿命长的优点。

镍氢蓄电池的基本单元是单体电池，每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。每节电池的额定电压为13.2V（充电时最大电压为16.0V），然后将电池按使用要求组合成不同电压和不同容量的镍氢蓄电池总成。该种镍氢蓄电池比能量达到70W·h/kg，能量密度达到165W·h/L，比功率在50%的放电深度下为220W/kg，在80%的放电深度下为200W/kg。可以更大地提高电动汽车的动力性能。通常镍氢蓄电池的外形有圆形和方形两种。镍氢电池的结构如图2-7所示。

3.镍氢蓄电池的充、放电特性

以松下电池工业公司生产的电动汽车镍氢蓄电池为例。

（1）放电特性　D型镍氢蓄电池（由6个单电池组件）放电时，2（为按额定电流放电时的实际放电容量）的功率输出时质量比功率可达600W/kg以上，3的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对电动汽车动力性能的控制是十分有利。

（2）充电特性　D型镍氢蓄电池的充电接收性很好，充电效率几乎达到100%，能够有效地接收电动汽车在制动时反馈的电能。另外，由于能量损耗较小，镍氢蓄电池的发热量被抑制在最小的极限范围内，可以有效地控制荷电状态，并用电流来显示电池的荷电状态。

（3）使用寿命　电动汽车动力电池组经常处于充、放电状态，而且充、放电是不规则进行的，这给电池的使用寿命带来严重的影响。松下电气公司用模拟电动汽车行驶工况对镍氢蓄电池进行仿真试验，证实镍氢蓄电池的特性几乎不发生变化，镍氢蓄电池用于电动汽车是比较合适的。

4.镍氢蓄电池的特点

镍氢蓄电池单体电池的电压为1.2V，3h比能量为75～80W·h/kg，能量密度达到200W·h/L，比功率为160～230W/kg，功率密度为400～600W/kg；充电18min可恢复40%～80%的容量，应急补充充电性能好，一次充电后续驶里程长，而且启动加速性能较好。镍氢蓄电池可以在环境温度-28～80℃条件下正常工作，循环寿命可达到6000次或7年，但在高温条件下使用时电荷量急剧下降，自放电损耗较大，价格较贵。镍氢蓄电池的比功率和放电能力不及镍镉蓄电池。镍氢蓄电池在使用时还应充分注意各个单体电池之间的一致性（均匀性），特别是在高速率、深度放电情况下，各个单体电池之间的容量和电压差较明显。

镍氢蓄电池的成本很高，约600～800美元/kW。不同的储氢合金具有不同的储存氢的能力，价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金，已达到世界水平，为我国生产镍氢蓄电池的推广提供了有利条件。

镍氢蓄电池用于电动汽车的主要优点是：启动加速性能好，一次充电后的续驶里程较长，不会对周围环境造成污染，易维护，快速补充充电时间短。

镍氢蓄电池在充电过程中容易发热，发热产生的高温会对镍氢蓄电池产生负面影响。高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的使用寿命缩短。镍氢蓄电池在充电后期，会产生大量的氧气，在高温的环境条件下，将加速负极储氢合金氧化，并使储氢合金平衡压力增加，使储氢合金的储氢量减少而降低镍氢蓄电池的性能。若用尼龙无纺布做隔膜，在高温的作用下会发生降解和氧化。尼龙无纺布隔膜发生降解时，产生氨离子和硝酸根离子，加速了镍氢蓄电池的自放电。尼龙无纺布隔膜发生氧化时，氧化成碳酸根，使镍氢蓄电池的内阻增加。在镍氢蓄电池充电的过程中，电池温度迅速地升高，会使充电效率降低，并产生大量氧气，如果安全阀不能及时开启，则会产生爆炸的危险。

为此在镍氢蓄电池的制造技术上做一些改进，例如：正极板采用多极板技术，负极板采用端面焊接技术，在电解液中适当加入LiOH和NaOH，采用抗氧化能力强的聚丙烯毡做隔膜等，可以有效地提高镍氢蓄电池耐高温能力。在镍氢蓄电池动力电池组的单体镍氢蓄电池之间，加大散热间隙，采取有效的散热措施和建立自动热管理系统，以保证镍氢蓄电池的正常工作和延长使用寿命。

四、锂离子电池

锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界最新一代的充电电池。目前比较成熟的锂离子电池的能量密度约在100～150W·h/kg左右，这个值比铅酸电池高出2～3倍，且锂离子电池的循环性要远远高于铅酸电池，所以目前锂离子电池是开发电动汽车的首选电池。

与其他蓄电池相比，锂离子电池还具有电压高、比能量高、充/放电寿命长、无记忆效应、无污染、充电快速、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，它已成为未来电动汽车较为理想的动力电源。相比于镍氢蓄电池，混合动力汽车采用锂离子电池可使电池组的质量下降40%～50%，体积减小20%～30%，能源效率也有一定程度的提高。

1.锂离子电池的分类

按外形的不同，锂离子电池可分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。按正极材料的不同，锂离子电池主要分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。

第一代车用锂离子电池是锰酸锂离子电池，成本低，安全性较好，但循环寿命欠佳，在高温环境下循环寿命更短，高温时会出现锰离子溶出的现象。第二代锂离子电池是具有美国专利的磷酸铁锂离子电池，是锂离子电池的发展方向，由于原材料价格低且磷、铁、锂的资源丰富，工作电压适中，充、放电特性好，放电功率高，可快速充电且循环寿命长，高温、高热稳定性好，储能特性强，完全无毒。

为了避开磷酸铁锂离子电池的专利纠纷，一些国家开发了镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。由于钴的价格昂贵，所以这些替代锂离子电池成本较高，安全性比磷酸铁锂离子电池稍差，循环寿命优于锰酸锂离子电池。

2.锂离子电池的结构

锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。圆柱形锂离子电池的结构如图2-8所示。

（1）正极　在锰酸锂离子电池中正极物质以锰酸锂作为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中正极物质以磷酸铁锂作为主要原料，在镍钻锂离子电池中正极物质以镍钴锂作为主要材料，在镍钴锰锂离子电池中正极物质以镍钴锰锂作为主要材料。在正极活性物质中加入导电剂、树脂黏合剂，并涂覆在铝基体上，呈细薄层状分布。

（2）负极　负极活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基体上，呈薄层状分布。

（3）隔板　隔板的功能是关闭或阻断通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜、所谓关闭或阻断功能，是指电池出现异常温度上升时，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充/放电反应。隔板可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热的现象。这种现象即使产生一次，电池就不能正常使用。

（4）电解液　电解液是指以混合溶剂作为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率。并且具有与锂离子相容性好的溶剂，即不阻碍离子移动的低黏度的有机溶液为宜，而且在锂离子电池的工作温度范围内，必须呈液体状态，凝固点低，沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性，必须良好地适应充、放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。由于使用单一溶剂很难满足上述严酷条件，因此电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用。

（5）安全阀　为了保证锂离子电池的使用安全性，一般对外部电路进行控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能因其他原因引起蓄电池内压异常上升，这样安全阀释放气体，以防止蓄电池破裂。安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，一旦进入工作状态即可保护蓄电池使其停止工作，因此，安全阀是蓄电池的最后保护手段。

3.锂离子电池的特点

锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现如下。

①工作电压高。锂离子电池的工作电压为3.6V，是镍氢蓄电池和镍镉蓄电池工作电压的3倍。

②比能量高。锂离子电池比能量已达到150W·h/kg，是镍镉蓄电池的3倍、镍氢蓄电池的1.5倍。

③循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种电池。

④自放电率低。锂离子电池的自放电率仅为6%～8%，远低于镍镉蓄电池（25%～30%）和镍氢蓄电池（15%～20%）。

⑤无记忆性。锂离子电池可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。

⑥对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。

⑦能够制造成任意形状。

锂离子电池也有一些不足，主要表现在以下几个方面。

①成本高。成本高主要是因为正极材料LiCoO2的价格高，但按单位能量（W·h）的价格来计算，已经低于镍氢蓄电池，与镍镉蓄电池持平，但高于铅酸蓄电池。

②必须有特殊的保护电路，以防止过充电。

4.锂离子电池的工作原理

锂离子电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液。典型的电池体系为

（-）C|LiPF6——EC+DEC|LiCoO2（+）

式中，（-）C表示石墨为负极材料；LiCoO2（+）表示LiCoO2（钴酸锂）为正极材料；LiPF6（六氟磷酸锂）为电解质；EC（碳酸乙烯酯）+DEC（碳酸二乙酯）为混合电解液。

图2-9所示为锂离子电池的工作原理。电池充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜嵌入到正极材料晶格中。在整个充、放电过程中，锂离子往返于正、负极之间。

以LiCoO2为正极材料、石墨为负极材料的锂离子电池的正、负极电化学反应为

总反应为

LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6

由于锂离子电池只涉及锂离子而不涉及金属锂的充、放电过程，从根本上解决了由于锂枝晶的产生而带来的电池循环性和安全性的问题。

5.锂离子电池的充放电特性

（1）电压方面。锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的1%。如果终止电压过高，则会影响锂离子电池的使用寿命，甚至造成过充电现象，对蓄电池造成永久性的损坏；如果终止电压过低，则会使充电不完全，蓄电池的使用寿命变短。

（2）充电电流方面。锂电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2，但常用的充电率为（0.5～1）。在采用大电流对锂离子电池充电时，因充电过程中蓄电池内部的电化学反应会产生热，因此有一定的能量损失，同时必须检测蓄电池的温度以防过热损坏蓄电池或产生爆炸。此外对锂电池充电时，若全部用恒定电流充电，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证蓄电池充满，如果对充电结束控制不当还会造成过充电现象。

（3）放电方面。锂离子电池的最大放电电流一般被限制在（2～3）左右。更大的放电电流会使蓄电池发热严重，对蓄电池的组成物质造成损坏，影响蓄电池的使用寿命。同时，由于大电流放电时，蓄电池的部分能量转换成热能，因此蓄电池的放电容量将会降低。在造成过放电（低于3.0V）时，还会造成蓄电池的失效。对于过放电的锂离子电池，在充电前需要进行预处理，即使用小电流充电，使蓄电池内部被过放电的单元激活。在蓄电池电压被充电到3.0V后再按正常方式充电，通常将这一阶段的充电称为预充电。

锂电池的充电温度一般应该被限制在0～60℃的范围内。如果电池温度过高，则会损坏电池并可能引起爆炸；如果温度过低，则虽然不会造成安全方面的问题，但也很难将蓄电池充满。由于充电过程中蓄电池内部将有一部分热能产生，因此在大电流充电时，需要对蓄电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时停止充电以保证安全。

6.锂离子电池的充电方法

锂离子电池可以采用不同的充电方法，其中最简单的充电方法是恒压充电。采用恒压充电时，蓄电池电压保持不变，而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于0.1A时，就认为蓄电池被充分充电了。为了防止有缺陷的蓄电池无休止地进行充电，采用了一个备用定时器来终止充电周期。恒压充电是一个相对节省成本的方法。但是这种方法却需要很长的蓄电池充电时间。蓄电池充电期间，充电电压保持一定，充电电流降低得很快，因而充电速率也降低得很快。这样，蓄电池就只是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。

为了兼顾充电过程的安全性、快速性和蓄电池使用的高效性，锂离子电池通常都采用恒流恒压充电方法，其充电过程可分为预充电、恒流充电和恒压充电三个阶段，如图2-10所示。

（1）预充电阶段　在该状态下，首先检测单节锂离子电池电压是否较低（小于3.0V），如果是，则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对蓄电池进行充电，直至蓄电池电压上升到一个安全值；否则，可省略该阶段，这也是最普遍的情况。因为预充电主要是对过放电的锂电池进行修复。

（2）恒流充电阶段　涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。该状态下，充电电流保持不变的较大的值，蓄电池的最大充电电流决定于蓄电池的容量。在恒流充电和预充电状态下，通过连续监控蓄电池的电压和温度，可以采用以下两种恒流充电终止法，终止恒流充电。

①电池最高电压终止法。当单节锂电池电压达到4.2V时，恒流充电状态应立即终止。

②电池最高温度终止法。在恒流充电过程中，当蓄电池的温度达到60℃时，恒流充电状态应立即终止。

（3）恒压充电阶段　恒流充电结束后，则转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压保持恒定。因为锂离子电池对充电电压精度的要求比较高，单节蓄电池恒压充电电压应在规定值的±1%之间变化，因此要严格控制锂离子电池的充电电压。在恒压充电过程中，充电器连续监控蓄电池的电压、温度、充电电流和充电时间。常用的恒压充电终止方法有以下四种方法。

①电池最高电压。当单节锂离子电池的电压达到4.25V时，恒压充电状态自动终止。

②电池最高温度。当锂离子电池的最高温度达到60℃时，恒压充电状态自动终止。

③最长充电时间。为了确保锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和最高温度外，还应设置最长恒压充电时间，在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电。

④最小充电电流。在恒压充电过程中，锂离子电池的充电电流逐渐减小，当充电电流下降到一定数值（通常为恒流充电电流的1/10）时，恒压充电状态自动终止。

此外，蓄电池充足电后，若蓄电池仍插在充电器上，则蓄电池会由于自放电而损失电量。充电器应以非常小的电流对蓄电池充电或是监测蓄电池电位以备对蓄电池再充电，这种状态称为维护充电状态。

五、其他类型的蓄能装置

在新能源汽车上用到的蓄能装置除蓄电池外，还有超级电容、飞轮电池和压缩空气等几种储能装置。这三种蓄能装置的蓄能方式、充放电原理与前面所述的蓄电池均不相同。

1.超级电容

超级电容器简称超级电容，又称为双电层电容器（ElectricalDoubleLayerCapacitor）。它具有超强的储存电荷的能力，是一种介于蓄电池和普通电容器之间的新型蓄能装置。

（1）超级电容的工作原理　超级电容的主要组成部件是集电极（电容板）电解质和绝缘层，其工作原理如图2-11所示。

电解质和绝缘层装在两活性炭多孔化电极之间，电荷沿集电极和电解液成对排列，形成双层电容器，这样就扩大了电容器的电荷储存量。当充电电源加在两电极上时，在靠近电极的电介质界面上产生与电极所携带的电荷极性相反的电荷并被束缚在电介质界面上，形成事实上的电容器的两个电极。两个电极的距离非常小，只有几纳米，而活性炭多孔化电极可以获得极大的电极表面积，可以达到200m2/g。因此，超级电容具有极大的电容量，可以储存很大的静电能量。目前单体超级电容的最大电容量可达5000F。

当两电极板间的电动势低于电解液的氧化还原电极电势时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容处于正常工作状态（通常在3V以下）。如果电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位，则电解液将发生分解，处于非正常工作状态。随着超级电容的放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷相应地减少。由此可以看出，超级电容的充、放电过程始终是物理过程，没有化学反应，因而性能较化学蓄电池稳定得多。

（2）超级电容的特点　与蓄电池相比，超级电容具有以下几点优势。

①充、放电循环寿命很长。超级电容的充、放电循环寿命可达500000次，或使用时间可达90000h，而蓄电池的循环寿命很难超过1000次。

②可以提供很大的放电电流。例如，2700F的超级电容额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，而蓄电池通常不可能有如此高的放电电流。一些高放电电流的蓄电池，在如此高的放电电流下，其使用寿命也会明显缩短。

③可以实现快速充电。超级电容可以在数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池的可接受充电电流是有限的，因此不可能在如此短的时间内充足电。

④工作温度范围很宽。超级电容可以在很宽的温度范围内正常工作（-40～70℃），而蓄电池在高温或在低温环境下不能正常工作。

⑤安全无毒。超级电容的材料是安全和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。

虽然超级电容的能量密度不能与蓄电池相比，但是其大电流充放电的特点使超级电容特别适合用作电动汽车的辅助电源。在车辆起步、加速、爬坡等行驶工况时，由超级电容提供大电流，在确保电动汽车动力性的同时，可有效地保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。在车辆制动时，超级电容可接受大电流充电，能很好地回收制动能量。超级电容不仅可以用作电动汽车的辅助蓄能装置，而且可以用作电动汽车主要的或唯一的蓄能装置。

2.飞轮电池

飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池。它突破了化学电池的局限，用物理方法实现蓄能。

（1）飞轮电池的工作原理　飞轮电池主要由飞轮、轴、轴承、电动机、真空容器和电力电子转换器等组成，如图2-12所示。当飞轮以一定的角速度旋转时，就具有了一定的动能。飞轮是整个蓄能装置的核心部件，它直接决定了整个装置的蓄能量。对飞轮电池充电时，通过电力电子转换器从外部输入电能而使电动机旋转，电动机（此时作为电动机）驱动飞轮加速旋转，飞轮储存的动能（机械能）就增大。飞轮电池向外放电时，由高速旋转的飞轮带动电动机（此时作为发电机）旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子转换器将电能转换为负载所需的频率和电压。

飞轮工作时的转速很高（可达40000～50000r/min），用一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，因而飞轮一般都采用碳纤维制成，使之在满足强度要求的同时，可减小飞轮电池的质量。

电动机用于电能与机械能的相互转换，实现充电（储存机械能）和放电（释放机械能）过程。飞轮电池通常采用永磁式电动机，在充电时用作电动机，在外电源的驱动下，带动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能进行储存；在放电时用作发电机，在飞轮的带动下发电而向外输出电能。

飞轮电池通常使用非接触式的磁悬浮轴承，以减小飞轮运转时的摩擦损耗，提高飞轮电池的能量储存效率。

飞轮在高速旋转时，周围的空气会形成强烈的涡流，造成巨大的空气阻力。因此，飞轮电池通常将电动机和飞轮都密封在一个真空容器内，以减少风阻。

（2）飞轮电池的特点　飞轮电池具有以下优点。

①能量密度高。飞轮电池的能量密度可达100～200W·h/kg，功率密度可达5000～10000W/kg。

②能量转换效率高、充电快。飞轮电池工作时的能量损失很小，其能量转换效率高达90%以上。由于飞轮电池无最大充电电流的限制，其充电速度取决于飞轮的角加速度，因而充电很快。

③体积小、重量轻。飞轮采用了碳纤维材料，直径一般也不大。因此，与化学电池和燃料电池相比，飞轮电池的体积小、重量轻。

④工作温度范围宽。飞轮电池对环境温度没有严格限制。

⑤使用寿命长。飞轮电池无重复深度放电的影响，其循环充放电次数可达数百万次，预期寿命可达20年以上。

⑥维护周期长。飞轮电池的轴承采用磁悬浮形式，飞轮在真空环境下运转，其机械损耗微乎其微，因而其维护周期长。

与超级电容一样，飞轮电池特别适合用作电动汽车的辅助蓄能装置，在车辆起步、加速、爬坡等行驶工况时，协助蓄电池供电，可提高电动汽车的动力性，并能延长蓄电池的使用寿命。在车辆制动时，飞轮电池可很好地回收制动能量。用飞轮电池作为蓄能装置的电动汽车也早被世界各国所关注，美国飞轮系统公司用其最新研制的飞轮电池将一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，速度从0加速至96km/h的时间仅为6.5s。

3.压缩空气

（1）压缩空气汽车　压缩空气汽车（AirPoweredVehicle，简称APV）也称气动汽车，是一种利用高压压缩空气为动力源的汽车。

（2）压缩空气汽车的基本结构与工作原理　APV在整车结构上与传统内燃机动力汽车差别不大，同样由车身、底盘、动力系统和辅助设备等部分组成，但因为使用的动力与传统汽车不同，在整车的集成技术上与内燃机汽车有一定的差异，主要差异如下。

①压缩空气存储　APV能量来自于车载的高压压缩空气，车上存储压缩空气的耐高压气罐，其作用相当于内燃机汽车的油箱。为保证汽车有足够的续驶能力，满足日常行驶的需要，需要汽车装载足够的压缩空气。由于汽车的车内空间有限，这就要求车载的能量具有尽可能高的能量密度。压缩空气的能量密度与存储时的压力成正比，压力越高，单位容积内存储的能量越大。经过测算，车载300L、压力为30MPa的压缩空气，在理想情况下，可以驱动一辆质量为1t的轿车以时速50km/h行驶，基本可以满足日常城市交通的需要。

存储压力为30MPa的压缩空气，其安全性是压缩空气动力汽车集成中必须要考虑的。一般工业生产中使用储气瓶存储高压压缩空气，价格便宜，安全可靠，但是重量太大，不适宜用作车载的压缩空气存储容器使用，这也是一直制约压缩空气动力汽车发展的重要因素。随着现代科技的发展，铝合金内胆碳纤维缠绕的超高压的储气罐，具有重量轻、耐高压、安全耐用的特点，使用压力达50MPa以上，50L容积的气罐自重20kg左右，非常适合当成车载压缩空气存储容器使用，但价格较高。为减少气罐对汽车空间的占用，在汽车车身和底盘的设计中，可以将定制的多个细长气罐嵌于车厢地板下的底盘之中，留出车厢空间为乘客使用。

②动力系统

a.压缩空气动力发动机及传动系统。压缩空气动力发动机（气动发动机）是气动汽车的核心，减压到工作压力的高压空气进入气动发动机气缸内膨胀做功，类似于内燃机在燃料爆炸燃烧产生高温高压气体后推动活塞对外做功的过程，因此，在基本结构上也接近于内燃机，包括机体、气缸、活塞、连杆、曲轴和配气机构等部分。但气动发动机的工作循环为简单的二行程，即高压压缩空气进入气缸膨胀做功行程和将膨胀后的低压气体排出气缸的排气行程。由于没有燃烧过程，气动发动机机体不承受高温和超高压，机体强度也可减小，结构简单，重量轻，在汽车中也不再需要集成水冷系统，制造及使用维护成本低。

气动发动机进气为高压气体，且进气道压力始终高于气缸内压力，类似内燃机气门向气缸内开启的配气结构，进气门将始终承受高压气体很大的背压。在压力超过气门弹簧的预紧力情况下，即使进气门处于关闭状态，高压气体也会将进气门顶开，发生泄漏，造成耗气量增大，排气行程缸内气压升高，负功增加，整体功率和效率下降等不良效果。因此，在结构上，气动发动机的配气机构必须适应高压进气的要求，合理高效的配气机构的设计也是气动发动机研究的重点之一。

压缩空气动力发动机的工作特性具有启动及低速转矩大，随发动机转速升高输出转矩逐渐减小，而耗气量逐渐增大的特点，通常情况下进气阀打开后发动机即可运转并输出最大转矩，直接驱动汽车起步行驶。

b.气动动力系统。APV本质上是一套气动设备，与常规的气动系统的构成只是一些元器件上的差别，也包括了气源、气阀、气动管道、执行机构（在此为压缩空气动力发动机）和控制元件等。但在压缩空气动力汽车的气动回路中，气体介质的存储压力达到数百个大气压，工作压力为几十个大气压，整个气动回路工作在超高压、中低压的不同压力等级上，所以气动回路与汽车的集成有其特殊性。

APV气动回路示意图如图2-13所示。动力回路的一端接高压储气罐，接触压力为超高压，另一端为中高压，接发动机的工作腔，两者间压差非常大，因此必须实行分级减压。常规气动系统的减压控制都采用气动减压阀进行节流减压方式。由于在节流减压过程中，通过节流口高速流动的气体的摩擦作用，能量损失较大，而且压力越高，损失越大。而对于压缩空气动力汽车来说，必须尽可能减小压缩空气在气动回路传输过程中的能量损失，因此，普通的节流减压方式不适宜压缩空气汽车气动回路高压减压段。

APV气动回路高压减压段采用了高压容积减压方式，使用气体膨胀减压的方法使压力降低到设定值。高压容积减压方式在回路中设置了一个一定容积的减压气罐，设定好减压气罐的控制压力范围后，使用压力传感器检测气罐气压，当罐内气压低于设定压力下限时，控制器发出控制信号开启高压大流量高速气动开关阀，让储气罐中的超高压气体通过大截面的阀口冲入减压罐膨胀减压。而当气罐中进入足够的高压气体，罐内压力升高到设定压力上限时，控制器根据压力传感器的反馈关闭高压大流量高速气动开关阀。通过开关阀的断续开启，维持减压气罐中的压力在设定压力范围内，保证次级气动系统的正常工作。

高压大流量高速气动开关阀减小了阀口节流过程中的摩擦能耗损失，所以，对于高压气动动力系统的节能，这是一种很好的方式。

在汽车行驶的过程中，要适应不同载重、速度和路况等不同工况的要求，应对发动机的动力输出进行调节。试验表明，在配气机构参数不变的情况下，气动发动机的输出功率和转矩随压缩空气进气压力及流量的增加而增大，因此，对发动机动力输出的调节需要对发动机进气压力及流量进行调节。而在压缩空气动力汽车的气动回路中，次级减压后的气体将作为发动机的进气与发动机进气道连接，所以，对发动机进气压力和流量的调节将在次级减压过程完成。为调节的方便，在次级减压环节使用了比例流量调节阀，同时在气动汽车的集成中，考虑到一般驾驶人驾驶习惯，设计连接机构将发动机进气流量调节阀与汽车加速踏板联接，按驾驶人踏下加速踏板的深度提高发动机进气压力及流量，瞬时提升发动机转矩和功率，满足不同工况的需要。

在气动回路的设计中，考虑到高压气体在减压后温度大幅降低，与环境温度将形成较大温度差。如果从环境中给低温的气体补充热量，根据热力学规律，气体的温度和压力将升高，能量增大，最终使发动机输出更多的机械能，整车效率提高，也将获得更长的续驶能力。因此，集成到汽车上的气动回路在两级减压环节后都设置了热交换器，让减压后的气体尽可能充分地从环境中吸热，并可充当制冷空调的冷源，减少发动机动力的消耗。热交换器的结构形式和基本参数设计根据发动机对供气量的要求和汽车总体布局来确定。

c.辅助设备。在压缩空气动力汽车的辅助设备中，主要的电器设备与普通汽车相同，但在仪表板将集成气源压力表和进气压力表，替代油箱指示表。

在汽车辅助设备中，空调已经是乘用车的基本配置之一，而普通车用空调使用压缩机制冷，需要消耗较大的发动机功率。对于压缩空气动力汽车来说，因为发动机排出的尾气是膨胀做功后的压缩空气，压力减小了，温度也远低于环境温度，通过热交换器可以为汽车提供冷源，再加上减压环节后的两个热交换器，在整车的集成中合理配置，完全可以满足制冷的需要，而不再额外消耗发动机功率。同时，室外新鲜空气由热交换器冷却后当成冷气供给室内，更带来自然清新的效果。当需要在严寒环境使用时，只需再选装电热供暖即可，成本较低。

③压缩空气汽车的分类

按压缩空气的动力分配方式有串联方式、并联方式和串并联混合方式。串联分配方式，其缸与缸之间的空气动力管道是串联的（见图2-14），上一级缸的剩余压力是下级缸的始动力。该方式的下级作用缸的结构尺寸较大，但动力利用率较高，热交换较充分。

并联分配方式是缸与缸之间的空气动力管道是并联的（见图2-15），不同的缸的初始动力相同，并联方式的缸的结构尺寸相同，动力输出平稳，但剩余压力稍高。

串并联混合方式是缸与缸之间的空气动力管道部分串联、部分并联（见图2-16）。

六、蓄电池的管理

电动汽车除由动力电池组提供主要电源外，还有一个发动机发电机组向动力电池组通过转换器不断地补充电能。

根据电动车辆所采用电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括热（温度）管理系统、电池组管理系统和电路管理系统，如图2-17所示。

1.热管理系统

电动汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象，不同蓄电池的发热程度各不相同，有的蓄电池可以采用自然通风即可满足电池组的散热要求，有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却才能保证电池组正常地工作和延长蓄电池的寿命。另外，在电动汽车上由于动力电池组的各个蓄电池或各个分电池组布置在车架的不同位置上，各处的散热条件和周围环境都不同，这些差别也会对蓄电池充、放电性能和蓄电池的使用寿命造成影响。为了保证每个蓄电池都能有良好的散热条件和环境，将电动汽车的动力电池组装在一个强制冷却系统中，使各个蓄电池的温度保持一致或相接近，以及各个蓄电池的周边环境条件相似。

根据动力电池组在电动车辆上的布置，动力电池组的温度管理系统中，首先应合理安排动力电池组的支架，要求便于动力电池组或其分组能够便于安装。能够实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组支架的位置和形状确定后。设计通风管道、风扇，动力电池组ECU和温度传感器等，电动汽车上水平布置的温度管理系统如图2-18所示，垂直布置的温度管理系统如图2-19所示，在某些蓄电池工作时，会产生较高的温度，可以充分利用其产生的热量用于取暖和风窗玻璃除霜等，使热量得到管理和应用。

2.动力电池管理系统

动力电池管理系统的作用是对蓄电池的组合、安装、充电、放电、蓄电池组中各个电池的不均衡性、蓄电池的热管理以及电池的维护等进行监控和管理。使蓄电池组能够提高工作效率，保证正常运转并达到最佳状态，避免发生蓄电池的过充电和过放电，有效地延长蓄电池的使用寿命，以及动力电池组的安全管理和保洁等。蓄电池管理系统主要包括以下方面。

（1）蓄电池的技术性能　不同类型和不同型号、不同使用程度的蓄电池都具有不同的性能，包括蓄电池的容量、工作电压、终止电压、质量、外形尺寸和蓄电池特性（包括记忆特性）等，因此，要对动力电池组建立技术档案。实际上即使是同一型号、同一批量的蓄电池，彼此之间由于制造原因、电解质的浓度差异和使用情况的不同，都会对整个动力电池组的性能带来影响，因此，在安装蓄电池组之前，应对各个蓄电池进行认真的检测后，将性能差异不大的蓄电池组成动力电池组。

（2）蓄电池状态的管理　电动汽车的动力电池组由多个单节蓄电池组成，其基本状态包括在充电和放电双向作业时的电压、电流、温度、SOC的比例等。在正常情况下动力电池组的电压、电流、温度、SOC的比例等应能够进行双向计量和显示。

由于多种原因在动力电池组中个别蓄电池会出现性能的改变，使得动力电池组在充电时动力电池组不能充足，而在放电时很快地将电能放尽。这就要求蓄电池管理系统能够及时地自动检测各个单节蓄电池的状态，当检测出某节蓄电池出现损坏状态时，及时进行报警，以便将“坏”蓄电池剔出、更换。

（3）动力电池组的组合　动力电池组需要8～32节12V的单节蓄电池串联起来（指铅酸电池）或更多节单节（指其他蓄电池）串联而成，为了能够分别安装在电动汽车的不同位置处，通常动力电池组上分为多个小的蓄电池组分散地进行布置，这样有利于蓄电池组的机械化安装、拆卸和检修。

在蓄电池与蓄电池、蓄电池组与蓄电池组之间需要用导线连接。当动力电池组的总电压较高时，导线的截面积比较小，有利于电线束的连接和固定，但高电压要求有更可靠的防护。当动力电池组的总电压较低时，则电流比较大，导线比较粗，安装较不方便。在各个电池组之间还需要安装连接导线将各个电池组串联起来。一般在电池组与电池组之间，装有手动或自动断电器，以便在安装、拆卸和检修时切断电流。另外，在蓄电池管理系统中还有各种传感器线路等，因此在电动汽车上有尺寸很长的各种各样的电线束，要求电线之间有可靠的绝缘，并能快速进行连接。

（4）动力电池组的安全管理　动力电池组的总电压可以达到90～400V，高电压对人体会造成危险，应采取有效的隔离措施，一般是将动力电池组与车辆的乘坐区分离，将动力电池组布置在地板下面或车架的两侧；在正常的情况下，车辆停止使用时，通常会自动切断电源，只有在电动汽车启动时才接通电源。当电动汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能立即切断电源，防止高压电引起的人身事故和火灾，并防止电解液造成的伤害，以保证人身安全。

3.电路管理系统

动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶人随时都能掌握动力电池组的情况；另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。在此电路管理起着至关重要的作用。

（1）电路管理系统的基本功能　动力电池组电路管理系统一般采用先进的微处理器进行控制，通过标准通信接口和控制模块对动力电池组进行管理，一般有以下几方面。

①动力电池组管理。监视动力电池组的双向总电压和电流、动力电池组的温升，并通过液晶显示或其他显示装置动态显示总电压、电流、温升的变化，避免动力电池组过充电或过放电，使动力电池组不会受到人为的损坏。

②单节电池管理。对动力电池组中的单节电池的管理，可以及时发现单节电池的电状态，对单节电池动态电压和温度的变化进行实时测量，以便及时发现单节电池存在的问题，并采取有效的预防措施。

③荷电状态的估计和故障诊断。动力电池组管理系统应具有对荷电状态（SOC）的估计和故障诊断的功能，能够有效地反应和显示荷电状态（SOC）。目前对荷电状态（SOC）的估计误差一般在10%左右。配备故障诊断专家系统可以早期预报动力电池组的故障和隐患。

（2）电路管理系统的组成　电路管理系统的基本组成如图2-20所示。

带有温度测量装置的电路管理系统的基本组成如图2-21所示。

带有温度测量装置的动力电池组电路管理系统，利用充电过程中损坏的电池的温度高于正常电池温度的原理，用温度传感器来测定和监控每一个电池在充电过程中的温度是否在允许的正常范围内。如果温度测量装置发现某个电池的温度处于不正常状态，充电状态（SOC）显示也不正常，即刻向动力电池组管理系统反馈某个电池在线的响应信息，并由故障诊断系统预报动力电池组的故障。