发布时间 : 星期三 文章电动汽车原理分析毕业论文更新完毕开始阅读93509c79e2bd960591c67714
第三章 电动汽车动力蓄电池及储能装置
3.1 电池的分类及有关术语
常见的电池可区分为大约4000种，较详细地划分的话也可区分为约38种。
但若按电池的原理区分的话仅可分为物理电池、生物电池和化学电池三大类。生物电池有利用酶、微生物或叶绿素分别做成的酶电池、微生物电池和生物太阳电池等，其工作的物理基础是生物表现出来的带电现象。生物电池能在常温、常压等温条件下进行能量转换，它们体积小、功率大、效率高（如以酶催化的生物电池的效率可达60%～70%）、无污染。物理电池指利用物理原理制成的电池，其特点是能在一定条件下实现能量的直接转换。常见的物理电池有太阳能电池、核能电池和温差电池。太阳能电池有利用大面积的半导体P-N结把光能直接转换为电能的硅太阳能电池和化合物（砷化镓、磷化铟等）太阳能电池两类。温差电池是一种直接将热能转换为电能的电池。核能电池依靠核子发生裂变或者聚变工作。化学电池是一种直接把化学能转变为电能的装置，其学名为化学电源。通常所说的电池即指的是这类电池，故在以下若无特殊说明时，提到“电池”一词时均指化学电池。化学电池常见的分类方法有三种：
第一种是按电解液种类分类，可把常见的电池分为碱性电池、酸性电池、中性电池及有机电解液电池四类。碱性电池，其电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的电池，如碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镉镍电池及氢镍电池等；酸性电池，主要以硫酸水溶液为介质,如铅酸蓄电池；中性电池，以盐溶液为介质，如锌锰干电池（有的消费者也称之为酸性电池、海水电池等）；有机电解液电池，主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。
第二种是根据电池所用正、负极材料的不同，可把常见的电池分为锌系列电池、镍系列电池、铅系列电池、锂系列电池、二氧化锰系列电池及空气（氧气）系列电池等。锌系列电池，如锌锰电池、锌银电池等；镍系列电池，如镍镉电池、
17
镍氢电池等；铅系列电池，如铅酸电池等；锂系列电池，如锂离子电池、锂锰电池；二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等，空气（氧气）系列电池，如锌空电池等。第三种是根据工作性质和储存方式的不同，可把常见的电池分为一次电池、二次电池、燃料电池、储备电池四类。一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池，如锌锰干电池等；二次电池，亦称可充电电池，如氢镍电池、锂离子电池、镉镍电池等；蓄电池习惯上指铅酸蓄电池，也属于二次电池；燃料电池指活性材料（反应物）从外部连续不断地送入内部而产生电能的一种电池，其特点是只要反应物从外部连续不断地送入且内部电极及其他成分不发生变化，电池就能连续不断地工作，提供电能，常见的有氢氧燃料电池等；储备电池是一种特殊的一次电池，常见的有两种。一种是电池储存时，电池本体与电解液分开，当电解质注入电池本体时即可工作，如镁氯化银电池（海水电池）等。另一种常称为热电池，其特点是电池储存时，作为电解质的无机盐呈固态，并且不导电，因而电池也不工作，但当电解质被加热熔化后，电池即可工作，如锂合金热电池等。作为电动汽车动力能源使用的电池主要指二次电池（蓄电池）、燃料电池两类，因此可以根据电动汽车使用的化学电源种类将其区分为蓄电池汽车、燃料电池汽车等。
3.2化学电池的组成
电池由电极（正极、负极）、电解质、隔膜和容器（外壳）四部分组成（参见图3-1）[5]。
图3-1 化学电池的组成
其中最主要的是正（电）极（电源内部称阴极）、负（电）极（电源内部称阳极）和电解质三个部分。电极是电池的核心部分，一般由活性物质和导电骨架组成，活性物质是能够通过化学变化释放出电能的物质，导电骨架主要起传导电
18
子和支撑活性物质的作用。在电池上标出“＋”的一端为正极，标出“－”电路获得电子的电极；负极则被定义为电池放电时向外电路输送电子的电极。应该注意的是，对电池的内部而言，则经常使用阳极、阴极的说法。在电池发生反应时，发生氧化反应、失去电子的电极为阳极，而发生还原反应、得到电子的电极为阴极。因此对电池的内部而言的阳极、阴极通常对应的是对外部电路而言的负极、正极。像交流电启动日光灯发光需要闭合的电路一样，电池带动用电器工作时也需要闭合的回路。在电池的外部是由电子导电来完成，而在电池的内部靠导电离子的定向移动来完成，电解质的作用就是在电池内部阴、阳极间担负传递带电离子的作用。在有些电池系列中，电解质还参与电化学反应，如干电池中的氯化铵（NH4CL），铅酸电池中的硫酸（H2SO4）等。电解质通常为固体或液体，液体电解质常称为电解液或电液，电解液一般是酸、碱、盐的水溶液，当构成电池的开路电压大于2.7V时，水易被电解成氢气和氧气，故一般采用非水溶剂的电解质。电解质为不能流动的固体的电池常称为干电池，很多电池系列的电解液有较强的腐蚀作用，活性物质也有很强的腐蚀作用，因此，使用或处理电池时应注意安全。当用一根导线连接电池的正极和负极时，电池就会被短路，电池所储存的电量就会很快被消耗。在电池内部，如果阴、阳两极材料相接时，电池就会出现内部短路，其结果同外部短路是一样的，电池储存的电也被消耗。所以说在电池内部也就需要一种材料或物质将正极和负极隔离，防止两极在储存和使用过程中被短路，这种隔离阴极和阳极的材料被称作隔离物或隔膜。对于大多数电池系列，隔离物还能够阻挡电池储存或使用过程中的活性物质微粒的迁移和所形成的枝晶穿透。隔离物大体上可分为三大类：板材，如铅酸电池用的微孔橡胶隔板和塑料隔板；膜材，如浆层纸、无纺布、玻璃纤维等；胶状物如糨糊层、硅胶体等。电池的外壳是一个可盛放电池电极、电解液、隔离物等的容器，起到保护和容纳电池组分的作用。一般要求壳体有足够的机械性能和足够的化学稳定性，以保证壳体不影响到电池其他组分的性能。为防止电池内外的相互影响，通常将电池进行密封，以还要求壳体便于密封。但也有例外，如锌锰干电池的壳体锌筒，它既是阳极活性材料，又是壳体，这就要求它有相应的厚度。
3.3 电池的工作原理
一般而言，电池的工作过程就是电池放电过程。电池放电时在阳极上进行氧化反应，向外提供电子，在阴极上进行还原反应，从外电路接受电子，电流经外电路从正极流向负极。但并不是所有的电池都是按氧化还原反应进行，有的电池
19
是以“嵌入—脱嵌”的方式进行的。电解质是离子导体，离子在电池内部的阴阳极之间定向移动而导电，正离子（阳离子）流向阴极，负离子（阴离子）流向阳极。在阳极的导体界面发生氧化反应，在阴极的导体界面上发生还原反应。整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解质（液）的离子体系构成的完整放电体系，从而产生电能供电。放电：电池向外电路输送电流的过程。放电方法可分为恒流放电和恒阻放电，也可分为连续放电与间断放电。连续放电是在规定放电条件下，连续放电至终止电压的放电方法。间断放电是电池在规定的放电条件下，放电间断进行，直到所规定的终止电压为止的放电方法。放电容量：电池在标准规定条件下的放电电量或有效工作时间。储存寿命：电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能的储存期限。电池极端：电池连接外电路的部件。电动势：组成电池的两个电极的平衡电位之差。它反映电池对外作电功大小的可能性。短路：电池正、负极直接连通。短路电流：电池短路后一瞬间流过的电流。放电率：放电率指放电时的速率，常用“时率”和“倍率”表示。时率是指以放电时间（h）表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数。例如，电池的额定容量为30 An，以2 A电流放电，则时率为30 Ah/2 A=15 h称电池以15小时率放电。倍率指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值L等于额定容量的倍数。例如，2倍率的放电，表示放电电流数值为电池容量的2倍。如电池容量为3An，那么放电电流应为2X3=6A。可见，如果将2倍率放电换算成小时率，则是3Ah/6A=1/2小时率。时率和倍率在数值L互为倒数。放电深度DOD：放电容量与额定容量之比的百分数。活性物质：电池放电时，能进行氧化或还原反应而产生电能的电极材料。充电：将外电路输入蓄电池的电能转化为化学能储存起来的操作过程。充电率：蓄电池在规定时间内充到额定容量所需的电流值，或在一定电流下充到额定容量所需的时间。与放电率类似，一般用倍率（若干C）或时率表示。恒压充电：充电时，保持充电器端电压始终不变的一种充电方法。恒流充电：充电时，充电电流保持不变的一种充电方法。极化：极化是电池由静止状态（电流 i= 0）转入工作状态（i>0）产生的电池电压、电极电位的变化现象。电压与电流的乘积等干功率，再乘以电池运行时间即为输出电能，所以极化现象反映了由静止状态转入工作状态的能量损失大小，因此极化损失越小越好。常见的极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、浓差极化和电化学极化等。极化现象也可以理解为对平衡现象的偏离。热力学平衡过程与可逆现象紧密相连。可逆过程或平衡过程的变化率是很
20