第2章　新能源汽车动力电池

2.1　动力电池的分类与性能要求

2.1.1　动力电池的分类

电动汽车使用的动力电池可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类（图2-1-1）。

（1）化学电池

化学电池是指将化学能直接转变为电能的装置。其主要部分是电解质溶液及浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。

按工作性质分为原电池、动力电池、燃料电池和储备电池四种。

按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。

按电池的特性分为高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池等。

按正、负极材料分为锌锰电池系列、镍镉和镍氢电池系列、铅酸电池系列、锂离子电池系列等。

（2）物理电池

物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳能电池、超级电容器、飞轮动力电池等。

太阳能电池又称太阳能芯片或光电池，是指通过光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。利用太阳光直接发电的光电半导体薄片只要被太阳光照到，短时间内就可输出电压及电流，在物理学上称为太阳能光伏，英文缩写为PV，简称光伏。

太阳能电池以依据光电效应原理工作的薄膜式太阳能电池为主流，而依据光化学效应原理工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。

（3）生物电池

生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴含的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。常见的生物电池有微生物电池、酶电池、生物太阳能电池等。

2.1.2　对动力电池的性能要求

动力电池最重要的特点就是高功率和高能量。高功率意味着更大的充放电强度，高能量表示更高的质量比能量和体积比能量。这两个指标的要求其实是矛盾的，为了提高功率也就要提高充放电电流，电池结构设计要求增大等效反应面积和减小接触阻抗，要求增大体积和重量，从而降低比能量。动力电池系统设计需要按照最优化的整车设计应用指标设计电池系统。

从使用角度而言，动力电池的应用可以总结为以下七个特点。

（1）高能量

高能量对于电动车辆而言，意味着更长的纯电动续驶里程。作为交通工具，续驶里程的延长可有效提升车辆应用的方便性和适用范围，因此电动汽车对动力电池能量密度的追求是永不会停下的。锂离子动力电池能够在电动车辆上广泛推广和应用，主要原因就是其能量密度是铅酸动力电池的3倍，并且还有继续提高的可能性。

（2）高功率

车辆作为交通工具，追求高速化，也就是对车辆动力性提出了高的要求，实现良好的动力性要求驱动电机有较大的功率，进而要求动力电池组能够满足驱动电机高功率输出的要求。长期大电流、高功率放电对于电池的使用寿命和充放电效率会产生负面影响，甚至影响电池使用的安全性，因此在功率方面还需要一定的功率储备，避免使动力电池在全功率工况下工作。

（3）长寿命

现有铅酸动力电池使用寿命在深充深放工况下可达到400次，锂离子动力电池可以达到1000次以上。据日本丰田公司报告，混合动力汽车用镍氢电池现在的使用寿命已经可以达到10年以上。动力电池长寿命，直接关系到动力电池的成本。车辆应用过程中电池更换的费用，是电动汽车使用成本的重要组成部分。在动力电池成组集成应用方面，考虑动力电池单体寿命的一致性以保证电池组的使用寿命与单体电池相近也是研究的主要内容之一。

（4）低成本

动力电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量的电池成本较高，使电动汽车的造价也较高，开发和研制高效、低成本的动力电池是电动汽车发展的关键。

（5）安全性好

动力电池为电动汽车提供了高达300V以上的驱动电压，可能危及人身安全和车载用电设备的使用安全。用电安全是电动汽车区别于传统内燃机汽车的重要特点之一。除此之外，动力电池作为高能量密度的储能载体，自身也存在一定的安全隐患。现以锂离子电池为例具体说明如下。

① 充放电过程如果发生热失控反应，可能导致电池短路起火，甚至爆炸。

② 锂离子电池采用的有机电解质，在4.6V左右易发生氧化，并且溶剂易燃，若出现泄漏等情况，也会引起电池着火燃烧，甚至爆炸。

③ 发生碰撞、挤压、跌落等极端的状况，导致电池内部短路，也会引起危险状况的出现。

基于上述原因，对于车用动力电池的检验非常严格，我国已经制定了动力电池及电池模块进行安全性检验的标准。对动力电池在高温、高湿、穿刺、挤压、跌落等极端状况下进行检验，要求在这些状况下不发生动力电池的燃烧、起火现象。

（6）工作温度适应性强

车辆应用一般不应受地域的限制，不同的空间和时间应用，需要车辆适应不同的温度。仅以北京地区的车辆应用为例，北京夏季地表温度可达50℃以上，冬季可低至-15℃以下，在该温度变化范围内，动力电池应可以正常工作，因此动力电池需要具有良好的温度适应性。现在的动力电池系统设计，考虑到电池的温度适应性问题，一般都需要设计相应的冷却系统或加热系统来达到动力电池的最佳工作温度。

（7）可回收性好

按照动力电池使用寿命的标准定义，电池在其容量衰减到额定容量的80%时，确定为动力电池寿命终结。随着电动汽车的大量应用，必然出现大量废旧动力电池的回收问题。对于动力电池的可回收性，在电化学性能方面，首先要求做到电池电极及电解液等材料无毒，对环境无污染。其次是研究电池内部各种材料的回收再利用。对于动力电池的再利用还存在梯次利用问题，即按照动力电池寿命标准，将达到额定容量80%以下而被淘汰的电池转移到对电池容量和功率要求相对较低的领域继续使用。