电动汽车电源概述1 电动车辆的电源 1.1 电源的种类和发展1、电动车辆用动力电池储能电源是制约电动车辆发展的关键因素，要使电动车辆进入实用过程，对储能电源提出的要求是：比能量高，比功率大，使用寿命长，成本低廉。比能量(单位质量或体积输出的电量)决定了电动车辆的续驶里程。电动车辆的储能电源受车重和布置空间的限制，一次充电后的行驶里程决定于电池携带的总电量，比能量提高就可以增加电动车辆的储备能量。 比功率(单位质量或体积输出的功率)则决定了电动车辆的动力性(诸如加速能力、爬坡能力和负载运行能力)。 使用寿命长(电池充放电循环次数多)对延长电池的更换周期是至关重要的，可降低车辆的总使用费用。 成本低廉则降低了电动车辆的初购价格和总的使用费用。 此外，缩短电池的充电时间和使用中电池的安全性也是必须考虑的问题。 目前，电动车辆所采用的储能电源有:铅酸(Pb-H2SO4)蓄电池镍镉(Ni-Ca)电池钠硫(Na-S)电池尚在研究的有:镍氯(Ni-MH)电池锂(Li)电池锌(Sn)空气电池飞轮电池(Flywheel Batteries)燃料电池太阳能电池等。几种储能电源的性能参数如表3-1所示。 表11储能电源的性能参数 电池类别铅酸电池铅酸电池(改进型)镍镉电池镍氢电池锂电池钠硫电池锌空气电池飞轮电池比能量(Whkg)3040555575-80100118 160150比功率(Wkg)150-200225190160-230200243小5000循环寿命(次)500-70020006001200短25年备 注成本低，充电慢准双极且铅布电池成本高，可快速充电无污染，可快速充电充电较快寿命短充电困难可快速充电2、 动力电池的发展铅酸蓄电池是储能电源中最成熟的，它自1859年被发明以来，已有一百四五十年的历史了。因其原料丰富，技术成熟，价格便宜，可靠性高，比功率尚可，仍是电动车辆的首选电源。但它比能量低，难于快速充电，使用寿命不长，难于满足电动车辆的全面要求。铅酸蓄电池仅作为短期发展目标或作为过渡性电源。考虑到对常规铅酸蓄电池的改进，如采用水平电极、准双极性结构、铅丝编制而成的板栅、胶体电解质、免维护型蓄电池，使其比能量、比功率、快速充电性能有较大的改善，但其发展的潜力毕竟有限了。镍镉电池比功率大、比能量高，可快速充电，循环寿命长，成为电动车辆很具吸引力的电源。但价格高，尤其是重金属镉如不能很好地回收，会造成环境污染，这是需要解决的关键问题。钠硫电池也是近期电动车辆看好的电池，它有很高的比功率和比能量，但其工作温度高和基于钠的活化性考虑，要求设计必须保证高度牢固安全。目前尚存在寿命较短，长时间不充电液态钠、硫就会因固化而无法使用的问题。镍氢电池具有许多与镍镉电池相似的特性，但它不存在重金属污染，被称为“绿色电池”，近几年受到国际上的普遍关注，批量生产的成本约为铅蓄电池的4倍，但因循环寿命长，比能量高，做电动车辆的电源的实际费用要低。 锂电池有一次电池和二次电池。电动车上用的是二次电池，有锂离子电池、锂熔盐电池、锂聚合物电池等。它具有比能量高等一系列优点，国际上将它作为电动车辆电源发展的长期目标，并作为电动车辆与内燃机车辆全面竞争中获胜的希望。飞轮电池不同于上述化学电池，它是一只高转速、长时间运转的飞轮带动的发电机，具有比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无污染的特点，在电动车辆上应用有美好的前景。但它是一项高新技术，其应用尚有待发展。燃料电池也是电动车辆上尝试应用的储能电源。它是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成电能的发电装置，也是具有吸引力的发展电源。它与内燃机相比，排放废气少、污染小、噪音低，无二次电池的自放电，但它不能充电，无法利用电动车辆的再生制动能量。太阳能电池纯粹无污染，且太阳能无需购买、但它能量密度低，比能量小，且太阳能电池的成本还较高，尚无法作为电动车辆的电源。它可作为一种辅助电源，成为辅助充电服务的部分内容。针对电动车辆的具体情况，对储能电源提出的要求：能量密度高(2h放电率时不小于45Wh/kg)；制造成本低；寿命长，维护保养工作量小；工作物质寿命长，自放电量少；加速和爬坡性能好；充电快、效率高，设备简单；体积、质量小；发生事故和充电失控时安全性好；电池组更换简捷；无需或少量特殊维护设备。1.2铅酸蓄电池1、铅酸蓄电池的结构 电动车辆的电源即蓄电池，到目前为止仍是以铅酸蓄电池为主。电动车辆用铅酸蓄电池以动力型电池应用最为广泛，图31为动力型铅酸蓄电池的结构图，它由正负极板组、隔板、电解液、壳体等组成。每只蓄电池的输出电压为2v，由多只蓄电池串联成蓄电池组，得到电动机所需的电压。图31 动力型铅酸蓄电池的结构图 铅酸蓄电池的极板由极板栅架和涂覆在极板上的活性物质等组成，正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质是纯铅(Pb)。为了保证正极板的强度，正极板采用排管式结构，负极板多采用板状结构，如图1-2所示。图12动力型蓄电池 的正极板 为了获得更大的输出电量，通常将蓄电池的极板并联成极板组，按蓄电池的输出容量不同，单只蓄电池中极板组的片数不同。图13为蓄电池的极板组。图13 蓄电池的极板组 蓄电池的隔板是为了防止蓄电池极板组中正负极板之间短路而设置的。制成隔板的材料有多孔橡胶和多孔塑料等多种，但只有这两种目前应用最广泛。因为隔板浸泡在电解液中，要求其多孔性好，便于电解液中的离子通过，而且要耐酸，抗腐蚀性、抗氧化性好。铅酸蓄电池的壳体以前用橡胶制造，因其强度低、重量大，目前逐渐被工程塑料所取代。当采用塑料制造蓄电池壳体时，电池的上盖与壳体间采用热塑封装工艺，蓄电池的上盖上有一个加液孔，用于向电池内加注电解液或补充蒸馏水，也可通过密度计检测蓄电池的充放电程度。加液孔用塑料螺塞封住，螺塞上有一个很小的通气孔，要确保该小孔畅通。单体铅酸蓄电池的端电压为2V，为了得到电动车辆所需的电压，应将多只单体电池串联起来。单体电池之间的连接可采用导线和螺母连接，为了减小连接回路的电压损失，采用铅焊的连接更合理。图14为铅焊连接的48V的蓄电池组。 2、铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的原理是人们在普兰特1859年发明的蓄电池的基础上，经过深入研究总结出来的。 其基础是双极硫化理论，即在放电过程中，蓄电池正负极板上的工作物质(PbO2和纯铅)通过电池外电路的电子流动，打破电池内部的电位平衡，负极板失去电子，铅原子变成二价铅离子，尔后与电解液中的硫酸根结合生成硫酸铅；正极板得到电子，四价铅离子还原成二价铅离子，尔后与电解液中的硫酸根结合也生成硫酸铅。用电化学反应方程式表示为：铅酸蓄电池充电过程中电池内部的化学反应与放电时相反，正负极板上的硫酸铅在充电电流的作用下，分别转化成原来的Pb02和纯铅。铅酸蓄电池的充放电过程也可用图15表示。 (a)放电开始(b)放电结束(c)充电结束1二氧化铅 2，硫酸溶液 3纯铅 4.硫酸铅 5稀硫酸溶液 图15 铅酸蓄电池的充放电过程放电过程中，电池内部电解液中硫酸被消耗而生成水，所以电解液的密度减小；充电过程中，电池内部电解液中水被消耗而生成硫酸，所以电解液的密度增大。 3、铅酸蓄电池的性能 铅酸蓄电池的性能参数主要有额定输出容量、蓄电池的比功率、比能量、内阻等。铅酸蓄电池的额定容量是指蓄电池3h或5h的放电率条件下电池输出的电量，现在用得较多的是5h放电率；即，以标称容量l5电流的放电至单格电压为17V时电池的放电时间与放电电流的乘积。如DG-300型蓄电池，以60A的电流放电至单格电压为17V时，蓄电池的放电时间应大于或等于5h。国产的部分动力型铅酸蓄电池的参数见表12。 蓄电池的比功率是指蓄电池的输出功率与电池总质量的比值，单位是W/kg或kW/kg。 输出功率为蓄电池端电压与输出电流的乘积，单位是W或kW。反映出同等质量的蓄电池输出电力的能力，在客观上决定了电动车辆的动力性能，蓄电池的比功率越大，则电动车辆的加速能力越好。蓄电池的比能量是指蓄电池的输出电能量与电池总质量的比值，单位是Whkg或kWhkg。 输出电能量为蓄电池端电压、输出电流和放电时间的乘积，单位是Wh或kWh。反映出同等质量的蓄电池输出电能量的能力，在客观上决定了电动车辆的持续工作性能，蓄电池的比能量越大，则电动车辆的续驶里程越长。1.3 钠硫蓄电池1、钠硫蓄电池的结构 钠硫蓄电池是利用350熔融态钠和熔融态硫作为蓄电池正负极的工作物质，电池的工作温度为350-380。图16为钠硫蓄电池的结构图。2、钠硫蓄电池的工作原理 10e 2Na + 5S Na2S53、钠硫蓄电池的性能图17为钠硫蓄电池的充放电特性。蓄电池的单格电压为19V，电池的比能量可达1OOWhkg，50的放电深度时比功率可达106Wkg，80的放电深度时循环寿命可达600次。1.4 锂蓄电池锂电池具有比能量高、体积小的突出优点，在电动车辆上应用很有前途。但也存在工作温度高、隔板造价高等缺点。1、锂蓄电池的结构 图38为加拿大摩里能源公司研制的锂硫化钼电池的结构，其设计容量为50Ah。图39为美国西屋电气公司生产的比能量1OOWhkg的7片式锂合金硫化铁蓄电池，标称容量200Ah。图18锂硫化钼电池 图19 7片式锂合金硫化铁蓄电池 锂合金硫化铁蓄电池由一硫化三铁做正极，正极由氧化镁隔板隔开，电解液为LiBr、LiCl、LiF的混合物，其熔点为445。因电解质在蓄电池整个寿命期间不能更换，所以在电池制造时就必须熔进电极的隔板中，电极由活性材料和电解质粉末混合挤压构成，隔板由氧化镁和电解质粉末挤压成型。外壳为不锈钢罐，并作为蓄电池的负极，正极端子通过陶瓷导管引出。电池的工作温度为450500之间，高于电解质的熔点，但低于负极锂合金的熔点。2、锂蓄电池的性能锂合金硫化铁蓄电池的单格电压约117V，80的放电深度时可提供100-120Wkg的比功率。当电池以100的放电深度进行循环时，其循环寿命达350次，按6h(C6)和3(C3)h的放电率进行放电时，终止电压分别为15V和09V。图110为7片式锂合金一硫化铁蓄电池的放电特性。1.5 镍(镉、氢)蓄电池镍镉(NiCd)蓄电池比能量较大，比功率可达190Wkg，并可以快速充电。过放电性好，循环使用寿命长(可达2000多次)。在电动车辆应用时初期投入成本较高，但因其寿命长，比能量高，实际使用成本并不比铅酸蓄电池高。但是重金属镉会造成严重的环境污染，为此，美国Ovonic电池公司开发了镍氢(NiMH)蓄电池。镍氢蓄电池也属于碱性电池，许多特性与镍镉电池相近，无重金属污染，被称为“绿色电池”。1、镍蓄电池的结构 镍镉蓄电池的正极工作物质为氢氧化镍，负极为镉和铁的化合物，电解液为氢氧化钾。图111为6V镍镉蓄电池外形图。1提带 2钢制电池箱 3冷却隔板 图111 6v镍镉蓄电池 镍氢蓄电池的正极工作物质仍是氢氧化镍，负极由储氢合金(如钒、锆、钛、镍等)经吸氢处理后的粉末，合成膏状涂覆于极板上。电解液是氢氧化钾中加有少量氢氧化锂混合液。2、镍蓄电池的工作原理镍镉蓄电池的化学反应方程式可表示为：2Ni(OH)3+2KOH+Cd=2Ni(OH)2+2KOH+Cd(OH)2放电过程中蓄电池正负极板上发生的化学反应：正极：2Ni(OH)3+2K+2e=2Ni(OH)2+2KOH负极：Cd+2(OH)- -2e=Cd(OH)2 充电过程中蓄电池正负极板上发生的化学反应：正极：2Ni(OH)2+2(OH)- -2e=2Ni(OH)3 负极：Cd(OH)2 +2K+2e=Cd+2KOH 3、镍蓄电池的性能镍镉蓄电池单格的标称电压为13V，循环寿命长，在电动车辆上使用可达四年之久。美国Ovonic电池公司的镍氢蓄电池3h放电率时的比能量可达75-80Whkg，80放电深度时的比功率可达160230Wkg，从放电程度60到充电80的时间仅为15min，蓄电池的工作温度为-28+80，循环使用寿命超过600次。1.6 燃料电池燃料电池(Fuel Cell简称FC)是一种将储存在燃料和氧化剂的化学能通过电极反应直接转化成电能的发电装置。它不通过热机循环过程，不受热循环的限制，能量转换效率高。燃料可以是氢、甲醇、乙醇、天然气、煤制气等，电池排放废气少，对环境污染小。燃料电池不同于上述蓄电池(二次电池)，它不需要充电，只要外部不断地供给燃料，就能连续稳定地发电。实际上燃料电池可以看作一台发电机，但它比普通发电机更安静、更清洁。燃料电池具有比能量高且能连续大功率供电的特点，在零污染电动车辆的开发中成为一种重要的候选电源。1、燃料电池的结构在燃料电池中，燃料作为负极的工作物质，在负极上发生氧化反应；氧(空气)作为正极的工作物质，在正极上发生还原反应。正极与负极之间由只具离子导电性的电解质隔开，于是燃料的氧化反应和氧的还原反应被分别限制在两个区域，反应物与生成物之间的能差以正负极之间的能差和流过外电路的电流释放出来，就以电能的形式直接释放出来。按照燃料电池惯用的分类方法，依据燃料电池电解质的不同，可以分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等五类。各类燃料电池的有关情况见表13。表13 燃料电池的种类及有关情况 电池类别碱性燃料电池(AFC)磷酸燃料电池(PAFC)质子交换膜燃料电池(PEMFC)熔融碳酸盐燃料电(MCFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度()常温300170-300常温100约650800-1000电解质碱性溶液磷酸熔液质子交换膜熔融碳酸盐固体氧化物电荷转移离子OH-H=H=CO32-O2-燃料纯H2H2H2H2，COH2，CO发电效率()60-75约4045-50456050比功率（W/kg）30-105120-180340-150030-4015-20启动时间几分钟24h10h10h几分钟可应用领域航天、电动车辆、军用、氢能发电局部独立供电、供热电动车辆、军用、便携式不间断电源大规模发电大规模发电 以上燃料电池中适于电动车辆作为电源使用的有碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池两种。尤其是质子交换膜燃料电池，可以用氢气做燃料，空气做氧化剂，近年来的开发应用步伐较快。1997年起，加拿大温哥华的Ballard Power System(BPS)公司研制出供电动车辆使用的PEMFC电池，并被世界上许多大的汽车制造公司作为电动车辆的动力。磷酸燃料电池因可以直接采用甲醇等廉价燃料，在电动车辆上也有广阔的应用前景，美国和日本1987年到1988年就研制过PAFC燃料电池作为电动车辆和机械的动力电源。 图112为质子交换膜燃料电池(PFMFC)单体组成图，图113为质子交换膜燃料电池(PEMFC)电池堆结构图，图114为质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统示意图。图115为磷酸燃料电池(PAFC)的基本单元和电池堆构造示意图。 图112 质子交换膜燃料电池(PEMFC)单体组成图 图113 质子交换膜燃料 图114 质子交换膜燃料电池(PEMFC)电池堆结构图 电池(PEMFC)系统示意图 图115 磷酸燃料电池(PAFC)的基本单元和电池堆构造示意图 2、燃料电池的工作原理 按照一般电池的表达方法，燃料电池可以表示为-燃料电解质氧化剂+在负极上燃料进行氧化反应，失去电子变成燃料离子进入电解质，与电解质中的阴离子化合生成氧化物。在正极上氧化物进行还原反应，得到电子变成负离子进入电解质，或与电解质中的燃料离子化合生成氧化物。电子通过外电路，由负极流向正极。在电池内部电解质作为离子导体，借助离子的流动，形成电的回路。图116为燃料电池在不同电解质时，内部电化学反应的示意图。图116 燃料电池在不同电解质时，内部电化学反应的示意图 当电解质为酸性时，如PAFC、PEMFC燃料电池，燃料氢进行离子化反应，水在正极侧即氧化剂侧产生。当电解质为碱性时，如AFC燃料电池，氧进行离子化反应，水在负极侧即燃料侧产生。当电解质为熔融碳酸盐时，如MCFC燃料电池，氧离子化并与CO2结合成C03-离子，水在负极侧产生，并同时释放出CO2，被循环送回正极。当电解质为固体氧化物时，SOFC燃料电池，氧离子化成O-，水在负极侧产生。 3、燃料电池的性能 单体燃料电池的电动势约为12V，见图1-17。 电池放电时，由于电流流过电极，使电极电位偏离平衡电位，即产生极化。燃料电池与其它电池一样，其工作电压U小于电池的电动势E，所以有 U=E-+- -IR 式中 +正极极化引起的过电压； - 负极极化引起的过电压；IR-电池内阻上的电压降。燃料电池的放电特性如图118所示，图中i1为燃料电池的额定放电电流，i2为电池的极限放电电流，1、2、3分别为电池的电化学极化、浓差极化和欧姆极化时的过电压。设计选择燃料电池时应考虑额定电流时的端电压，在驱动控制系统的允许范围。图117氢氧电他的电极电位图1l8燃料电池的放电特性 1.7 飞轮电池飞轮电池(Flywheel Batteries)并非电化学电池，它实际上是一只高速旋转的飞轮带动的发电机。对外供电时，飞轮中的电机以发电机状态运行，在飞轮的带动下对外输出电压、电流，将机械能转化成电能。飞轮输出电能时，飞轮的转速逐渐降低；充电时，飞轮中的电机以电动机状态运行，将外电源的电能转化成机械能，电机驱动飞轮加速旋转。飞轮电池是美国飞轮系统公司首先提出应用于电动车辆上的，它是一只高技术的产物，图119为飞轮电池的结构示意图。 若飞轮的转动惯量为J，旋转角速度为，则飞轮旋转则的动能为:W=J 22图119飞轮电池的结构示意图 飞轮电池正是靠其动能来转换成电能的，飞轮电池中有一只电机，充电时，飞轮中的电机以电动机的形式运行，在外电源的驱动下，该电机带动飞轮加速旋转，用电给飞轮电池充电就是增加飞轮的速度。放电时，飞轮中的电机以发电机状态运行，在飞轮的带动下对外输出电压、电流，完成机械能到电能的转换。当飞轮电池输出电能时，飞轮的速度逐渐降低。高技术飞轮用于储存电能，很像标准电池。现代高效飞轮，转速很高，通过非接触磁轴承(Magnetic Bearings)在真空中旋转，具有很高的效率，磁轴承利用磁极同极性相互排斥或超导材料抗磁性的原理，当飞轮旋转时，用磁来悬浮飞轮，从而消除传统的轴承(有接触)的摩擦现象。飞轮是用坚实的碳纤维复合材料制成的小的、高速的轮子，有真空外壳，飞轮在真空中旋转，从而大大地降低了飞轮旋转时的空气阻力。磁轴承和真空环境避免了飞轮旋转时其机械动能的耗散，使飞轮电池的能量得以储存起来。飞轮电池具有比能量高，比功率大、充电快、寿命长、无废气污染等特点。它将比传统的化学电池能更好地驱动电动车辆。 飞轮电池的比能量可达到150Whkg，比功率可达到500010000Wkg，飞轮电池不采用化学物质，也无化学反应，故不会引起腐蚀，也无铅酸电池和镍镉蓄电池那样，如回收问题处理得不好会造成环境污染问题。飞轮电池储存的能量是由充电后电能转换过来的机械动能，要想多存储能量，一是要靠增大飞轮的转动惯量J，二是要靠提高飞轮的角速度。增大飞轮的J就是要增大飞轮的质量和飞轮的直径，即增加J会使飞轮的质量和体积增大，用起来就不方便，也对提高其质量比能量和体积比能量不利。显然靠增大飞轮的J来增大飞轮电池储存的能量的方法是不可取的。飞轮的机械动能与飞轮的平方成正比。显然，提高飞轮的转速就能在不增加飞轮体积和质量的情况下，显著地提高飞轮的功能。现代高效飞轮电池的飞轮质量很轻，体积很小，但转速高达200000r/min。 飞轮电池仍需要解决的技术问题有：飞轮材料问题。由于飞轮转速很高，使飞轮材料本身受到很大的离心力的作用，越距边缘处所受的离心力越大，美国的飞轮电池样机上，采取一种以碳素纤维为基础的高强度复合材料，这种材料比重较小，但强度极高，飞轮高速旋转时，即使这种材料遭到破坏，也只会产生“棉花糖”那样的絮状的绒毛，所以，这种材料制成的飞轮是安全可靠的。磁浮轴承问题。由于飞轮的转速很高，要保存其动能，首先必须消除轴承的摩擦损耗(这也是延长飞轮寿命所必需的)，也就是使飞轮的旋转的部分和静止部分没有接触，即使飞轮悬浮起来。目前国外的飞轮样机采取的是磁浮轴承，其原理是根据磁极的同性相斥或超导体的抗磁作用等物理特性，用永磁体制成刚度大、对称性好的磁浮轴承。飞轮在真空环境中旋转问题。为了保存飞轮的动能，还必须消除空气的阻力，为此必须把飞轮密封于真空的壳体中，使飞轮在真空中旋转，真空壳体中的气压应保持在10-310-4 Pa以下。目前要达到这样高的真空度已不太难，难的是如何在较长的一段时间内保持这样的真空度。一是密封问题，二是解决真空壳体内某些材料逸出气体的问题。动平衡问题。由于飞轮的转动部分有一定的质量(美国样品飞轮约2kg重)，转速高达200000r/min，故该转动部分必须有非常好的动平衡精度，并且要长期保持这种精度。否则会引起振动和噪声，并可能损坏轴承。这对飞轮的几何对称性，对飞轮材料均匀性、强度、弹性和塑性变形，都提出了较高的要求。提高动平衡精度是个难点，要保持已获得的动平衡精度则更难。要使飞轮电池成为电动车辆的实用电池，除了上述技术问题要得到很好的解决外，还要降低飞轮电池的成本。