2019.05.30 21:10 原創：新能源小生 歡迎關注
一、新能源電池的簡介
動力電池是電動汽車的動力源，也是一直制約電動汽車發展的關鍵技術。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關鍵就是要開發出比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低的高效電池。但目前還沒有任何一種電池能達到純電動汽車普及的要求。
電池性能直接影響整車的加速性能、續航里程以及制動能量回收的效率等。電池的成本和循環壽命直接影響車輛的成本和可靠性，所有影響電池性能的參數必須得到優化。
二、新能源電池的主要性能指標
1.端電壓和電動勢
動力電池的端電壓是指動力電池正極和負極之間的電位差。
動力的電動勢等於組成電池的兩個電極的平衡電極電位差。
2.放電電流
動力電池在放電時所輸出的電流稱為放電電流。
3.電池容量
電池容量是指充滿電的電流在指定的條件下放電到終止電壓時所輸出的電量，單位為A•h。電池容量又分為理論容量、額定容量和實際容量。
4.電池能量密度
電池能量密度是衡量動力電池性能的一項重重要指標。能量密度又分為質量能量密度和體積能量密度。質量能量密度是指電池單位質量所能輸出的電能，單位為瓦•時/千克（W•h/kg).體積能量密度是指電池單位體積所能輸出的電能，單位為瓦•時/升（W•h/L)。電池的質量能量密度影響電動汽車的整車質量和續航里程，而體積能量密度影響電池的佈置空間。
5.電池功率密度
電池功率密度是評價能量源能否滿足電動汽車加速和爬坡性能的重要指標。與電池能量密度一樣，功率密度又分為質量功率密度和體積功率密度。質量功率密度是指電池單位質量所能輸出的功率，單位為瓦？/千克（W/kg)。體積功率密度是指電池單位體積所能輸出的功率，單位為瓦/升（W/L)。
6. 荷電狀態
荷電狀態（state of charege SOC)a描述了電池的剩餘電量，一般用百分比表示，其值為電池在一定放電倍率下，剩餘電量與相同條件下的額定容量的比值
7.放電深度
放電深度（depth of discharge DOD)是放電容量與額定容量之比的百分數。
8.電池循環使用壽命
電池的循環使用壽命是指以電池充電和放電一次為一個循環，按一定的測試標準，當電池容量降到某一規定值（一般規定為額定值得80%）以前，電池所經歷的充放電循環總次數。
9.電池一致性
對於同一類型，統一規格型號的電池之間在電壓、內阻、容量等參數方面存在的差別稱為電池的一致性。電池組的壽命在很大程度上取決於電池組的一致性，由於電動汽車的動力電池都是成組使用的，因此電池的一致性是評價電池組性能的關鍵指標之一。
10.電池的抗濫用能力
電池的抗濫用能力是指電池對短路、過充電、過放電、機械振動、撞擊、擠壓及遭受高溫和著火等非正常使用情況的容忍程度。
三、新能源電池的種類和原理
1. 鉛酸電池
鉛酸電池由法國物理學家Gaston Plane 於1859年發明，是最早出現並投入使用的可充電動力電池。鉛酸蓄電池不僅具有化學能和電能轉換效率高、充放電循環次數多、端電壓高及容量大等特點，而且還具有放酸、防爆、消氫及耐腐蝕等性能，但目前在電動汽車已經淘汰使用。
工作原理：鉛酸電池是以二氧化鉛（Pbo2）作為正極，海棉狀金屬鉛作為負極，濃度為27%~37%的硫酸水溶液作為電解質的電池。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，
（1）、鉛酸蓄電池充電後，正極板是二氧化鉛（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水天生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（Pb）留在正極板上，故正極板上缺少電子。
（2）、鉛酸蓄電池充電後，負極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發生反應，變成鉛離子（Pb 2），鉛離子轉移到電解液中，負極板上留下多的兩個電子（2e）
2.鎳氫電池
鎳氫電池（NI-MH)是由氫離子和金屬鎳合成的，是一種鹼性電池。鹼性電池是以氫氧化鉀等鹼性水溶液作為電解液的二次電池的總稱，包括鎳鎘電池、鎳氫電池和鎳鋅電池等，1984年，飛利浦公司成功研製出LaNi5儲氫合金併成功製備出鎳氫電池。
工作原理：鎳氫電池主要由氫氧化鎳正極、儲氫合金負極、隔膜紙、電解液、銅殼、頂蓋及密封等組成。鎳氫電池的正極活性炭物質為氫氧化鎳，負極活性炭物質為金屬氫化物，也稱為儲氫合金，電解液為30%的氫氧化鉀水溶液。
充電時，負極析出的氫氣儲存在容器中，正極由氫氧化鎳變成氫氧化鎳和水；放電時，氫氣在負極被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。氫氧電池的開路電壓為1.2~1.3V，因材料不同而異。
3.鋰離子電池
鋰離子電池是繼鎳隔和鎳氫電池之後出現的新一代綠色可充電電池，鋰離子最早由M.Armand 在1981年提出，鋰離子電池在短短十幾年的時間中得到了空前的發展，被認為是未來極具發展潛力的動力電池，目前正在被電動汽車廣泛使用。
電動汽車的動力電池目前使用的有兩種，分別是磷酸鐵鋰鋰離子電池和三元鋰電池
磷酸鐵鋰電池全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池，由於其性能特別適於做動力方面的應用，故多稱為磷酸鐵鋰動力電池。磷酸鐵鋰動力電池是用磷酸鐵鋰（LIFepo4)材料作電池的正極，石墨作為負極材料。目前作鋰離子電池的正極材料有鈷酸、鎳酸、錳酸、磷酸和鈦酸等材料。
工作原理：如下圖左邊是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳(石墨)組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。
三元鋰電池又稱三元聚合物鋰電池，指的是以鎳鈷錳三元材料作為正極材料，石墨作為負極材料的電池，其把鎳鹽、鈷鹽、錳鹽作為三種不同的成分比例進行不同的調整，所以稱為三元。三元鋰電池最大的優勢在於電池儲能密度高，其儲能密度通常在200WH/kg，更適合乘用車市場對續航里程的需求，但是三元鋰電池電池材料分解溫度在200℃左右，它會釋放氧分子，在高溫作用下電解液會迅速燃燒，引發電池自燃和易爆風險，因此它對電池管理要求很高，需要做好過充保護（OVP)、過放保護（UVP)、過溫保護（OTP)和過流保護(OCP)。
三元鋰電池按形狀來區分：
1. 軟包電池
2.圓柱電池
3.方形硬殼電池
4.燃料電池
燃料電池是一種將化學能直接轉變為電能的點化學反應裝置，通常由多孔滲透的陽極、陰極和電解質組成。按所用原始燃料類型的不同，燃料電池大致可分為氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和汽油燃料電池等幾種類型。
工作原理：燃料電池（以氫燃料電池為例）類似於燃油發動機，燃料和氧化劑不儲存在電池內部，而是儲存在電池外的儲罐中。燃料電池通常由三部分組成，分正極、負極和電解質。燃料電池的正極為燃料電極，在催化劑作用下發生氧化反應並輸出電子到外電路，負極（氧氣電級）在催化劑作用下發生還原反應，並從外電路接受電子。
5.鋅空氣電池
1932年G.W.海澤與E.A.舒梅赫爾發明了採用鹼性電解液的鋅空氣電池。鋅空氣電池是利用金屬鋅與空氣中的氧氣發生化學反應產生的電能的裝置，由空氣極、鋅板極及氫氧化鉀電解液組成。當電池放電時，空氣極中的氧氣發生還原反應，而鋅電極發生氧化反應並溶解，生成氧化鋅，同時鋅電級進行電化學氧化反應，產生電流。
6.超級電容
超級電容又稱電化學雙層電容，是一種20世紀60年代發展起來的通過極化電解液來儲存電能的一種新型儲能裝置。
工作原理：超級電容中能量的儲存主要是基於在高比表面積炭電極/電解液界面形成的雙電層或者是基於過渡金屬氧化物或導電聚合物的表面及體相所發生的氧化環氧反應來實現。超級電容的構造和電池類似，主要包括正負電極、電解液、隔膜和集流體。傳統電容器由電極和電解質構成並通過電極間的電解質在電場作用下產生的極化效應來儲存能量，而超級電容則是依靠電解質與電極接觸面上形成的特有雙電層結構來儲存能量。
四、新能源電池成組應用技術
1.電池成組應用技術
動力電池是各種電動車輛的主要能量載體和動力來源，也是電動車輛成本的主要組成部分，其壽命直接影響電動車輛的成本。由於單體電池的能量、功率等性能參數不能直接滿足電動汽車的使用要求，所以發展動力電池成組應用技術是電動車輛市場化和商業化的關鍵因素之一。
2.電池成組特性的影響因素：
1.不一致性 2.環境溫度
3.充放電率 4.連接方式
五、新能源汽車的充電方式
不同類型的新能源汽車的充電需求和運行特點決定各自不同的能量補充方式。下面我們就來介紹一下電動汽車的充電方式。
根據電動汽車充電時動力電池是否與車體分離，電動汽車的電能補充方式可以分為：
1.整車充電方式
整車充電主要是指採用交流/直流充電樁、車載充電機、非車載充電機等充電設備直接對電動汽車車載動力電池進行充電。當車輛採用整車充電方式進行電能補給時，充電機或者充電樁與車輛通過專用充電插頭進行連接，並與車載電池管理系統主機通信，自動完成充電控制。
整車充電方式根據充電裝置與車輛接受裝置連接方式的不同可以分為接觸式和感應式兩種。其特點是：簡單、效率高、不足主要是充電電流小，充電時間長。
①接觸式充電根據充電時間的長短又可以分為交流慢充和直流快充兩種。
1）交流慢充
交流慢充是指採用小電流在較長時間內對車載動力電池進行慢速充電，充電功率一般不高於3.7KW，故又稱為普通充電或者常規充電，在常規充電中，動力電池均採用小電流的恆壓恆流三段式充電方式，充電時間一般需要5～10h。
2）直流快充
直流快充又成為應急充電，是指採用較大電流，在1h的時間內為電動汽車充滿電，由於直流快充的充電功率一般比較大，因此充電時間明顯少於交流慢充方式，便於電動汽車的運行，但是直流快充需要配備專門的非車載充電機，安裝成本和工作成本相應提高，並且快速充電對電池壽命的影響也較大，大電流會顯著降低電池的使用壽命，存在一定的安全隱患。
②感應式充電方式，通過電磁感應耦合的方式進行能量轉換從而給電池充電。其特點是：使用方便，在惡劣的氣候環境下進行充電也無觸電的危險。充電器將50～60Hz的普通電轉換成80～300Hz的高頻電，然後將高頻交流電感應到電動汽車上。充電時間大大縮短。
②電池更換方式。
在電池更換方式中，由於電池在充電時與車體分離，因而在充電時段的選擇上相對自由，即可利用電網低谷時段給電池充電，同時又能在很短的時間內完成電動汽車的電能補給，整個電池更換過程可以在10min內完成，與現有傳統汽車的加油時間大致相當。
六、新能源電池的發展趨勢
大力發展電動汽車是國際社會有效應的對能源危機和環境汙染，實現汽車工業可持續發展的重要戰略舉措。電動汽車的應用可有效地減少對石油資源的依賴，而電動汽車技術關鍵是發展高性能的動力電池。電池的比能量決定了汽車在一次充電後的續航里程，而續航里程又決定了電動汽車駕駛的便利性，並最終影響到電動汽車的市場接受度。因此，在確保電池具有高安全性、長壽命、低成本及良好的高低溫性能和倍率性能等技術經濟指標的前提下，大幅度提升動力電池的能量密度對電動汽車的發展和普及十分重要。