电动汽车动力电池及检测案例分析

时间:2022-03-15作者:佚名



  当前在商业化运行的纯电动汽车或混合动力汽车上,实际使用的高压动力电池主要有两类:一类是镍氢电池,另一类是磷酸铁锂电池。如丰田车系的雷克萨斯、皇冠及普锐斯,以及别克君越、本田思域等混合动力汽车,均使用镍氢电池;如比亚迪e6、K9、秦和唐等纯电或混动车型,以及国内其他电动汽车大多采用磷酸铁锂电池。全球著名的特斯拉纯电动汽车,使用的也是一种锂电池—钴酸锂电池,也被称作三元电池。在深圳市商业运行的电动汽车中,行驶最早的如丰田普锐斯车型已有14年多,一般较普及的电动公交大客车如五洲龙牌油电混合公交车,以及比亚迪纯电动出租车e6 和大客车K9 等,也有6年多的行驶年龄。这些车型上的高压蓄电池及相关装置,经过长期使用已逐步进入维修期。我们在实际维修中,陆续遇到了高压电池及其控制装置的各类故障,对它们的维修获得了一定的认知。以下就镍氢电池和铁锂电池这两类高压蓄电池的原理及特点,以及实际维修案例中遇到的检测技术等问题,作具体的介绍分析。

一、高压动力电池的原理与特点

1.镍氢电池

在美、日等发达国家的混合动力汽车上,目前使用最多的是镍氢电池。镍氢电池的正极材料是氢氧化镍(NiOH),负极则是金属氢化物,即为储氢合金(MH),电解液是30%的氢氧化钾水溶液。这里所谓“储氢合金”是指具有很强“吸收”氢气能力的金属镍,其单位体积储氢的密度可相当于储存1000个大气压的高压氢气。储氢合金的关键在于能稳定的储气和放气,其工作原理是利用水的氢离子移动反应来获得电流,这时氢气在负极上被逐渐消耗掉。镍氢电池的电极反应为下式,式中e指带电的电子。

正 极 :Ni(OH)2 OH-=NiOOH H2O e

负极:M H 2 O e = M H a b O H - Ni(OH)2 M=NiOOH MHab

镍氢电池是在镍镉电池基础上开发出来的,但镍镉电池中有重金属镉,对环境有重度污染,所以镍镉电池在发达国家目前均已限制发展和使用。镍氢电池则不存在重金属污染问题,而且镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都优于镍镉电池,故被称之为“绿色”电池。其主要特点有:

(1) 电池的比能量较高,即单位质量的能量密度较大,镍氢单体电池的额定电压为1.2V,通常由六个或十个单体电池构成一块电压为7.2V 或 12V 的电池组,丰田普锐斯混合动力车型上就用了这种7.2V 一节的电池( 图1),电容量为6.5Ah,实测每节外形尺寸为274×106×20mm3,质量为1.1kg,有28节串联共计201.6V。镍氢电池的比能量超过70Wh/kg,车辆一次充电可续驶里程较长,适合在电动汽车上使用。同时其比功率可达200W/kg,在车辆加速或爬坡时输出大电流,能平稳持续放电来提供大功率。同时还可实现快速放电和充电,电池耐过充和耐过放的能力均较强。

图1 丰田电动汽车上的Ni-MH镍氢电池组

(2)镍氢电池在放电和充电过程中,正极板析出氧气,负极板析出氢气。氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水,使容器内的气体压力保持不变,这种再化合的速率很快,电解液不会出现增加或减少的现象,不需调节电解液的密度,故电池本身可以采取密封结构,电池能实现免维护保护。

(3) 所谓电池的“记忆效应”是指如果电池每次没有放完电,如只放出40%,那么长期使用后,剩下的60%容量就无法放出,这就大大缩小了电池的储存电容量,直接影响电池的使用。但镍氢电池基本上不存在记忆问题,不要求100%放完电后才允许充电,能做到随放随充,极大地方便了电动汽车的充放电。即便镍氢电池在空置状态下放置一年,再充电时仍可恢复原容量97%以上电量,基本上与新电池一样。如在较长放置时有意让电池内部存有一部分电,则电池的恢复储电能力可更快更高。

(4)镍氢电池与镍镉电池比较,不存在镍镉电池中的金属镉对环境有重度污染的问题。镍氢电池还可再生利用,符合持续发展的理念。电池安全可靠,使用寿命长,循环充放电的次数可达3000 次以上,市场实际使用证明其寿命容易超过十年。

(5)镍氢电池的缺点则是存储的电压较低,能量密度也偏低,当前的价格相对较高;电池的均匀性较差,特别是在高速率、深放电的状况下,单体电池之间的容量和电压的差别较大;电池的自放电率较高;镍氢电池使用最重要的是要避免过充电和过放电,温度特性差,在45℃以上的高温环境,或在低于0℃ 以下环境下,镍氢电池将无法正常工作,电池容量与现实要求还有较大差距等问题,影响着氢镍电池在电动汽车上的广泛使用。

2.磷酸铁锂电池

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