电动汽车动力电池及检测案例分析
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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 锂离子蓄电池是上世纪90年代发展起来的高容量可充电的电池，比镍氢电池更晚。其比能量大于氢镍电池，能存储更多的电能量，而且具有循环寿命长、自放电率小、电池无记忆效应和不污染环境等多项优点。其主要研究集中在大容量、长寿命和安全性三个方面，成为当前能量存储技术的热点。其中磷酸铁锂离子电池(LiFePO4)成熟应用在电动汽车上。正极是呈橄榄石结构的磷酸铁锂，电池负极是石墨，中间是聚乙烯或聚丙烯材料制成的隔膜板，电池中部的上下端间装有有机电解质，外壳由金属材料密封。隔膜板可把正极与负极隔开，同时还在电池异常高温时，隔膜板上的细孔起阻断锂离子通道的作用，可中止充电或放电反应，有效防止电池外部短路电流过大时，反应过激产生温度过高的现象。 磷酸铁锂离子蓄电池其结构如图2所示，电池正极与铝箔连接，负极则用铜箔相接，可直接与外电路连接。电池内部锂离子在正负极材料晶格中可自由扩散，当电池在放电时，锂离子从石墨负极板层状结构中析出，通过隔膜板到达正极板，锂离子的移动就产生了电流;反之在充电时，锂离子在电势作用下从正极中脱出嵌入到石墨负极中。在电池充放电循环过程中，借助于电解液的作用，锂离子在电池的两极间往复运动。铁锂电池的单体电池标称电压是3.2V，充电终止时的最高电压为3.6V，最大放电的电压为2.0V。磷酸铁锂电池通常采用圆形卷绕式的“18650”型电池结构，即电池直径为18mm 高度为65mm，目前最大容量为3100mAh。图3 是18650 型电池构成的五洲龙电动大巴的电池箱。
图2 铁锂电池的结构
图3 用圆形卷绕式单体电池构成电池组 磷酸铁锂离子蓄电池的特点主要有： (1) 可实现高功率输出，能量密度大，适合电动大客车上使用。单体电池标称电压为3.6V 是镍氢电池的3倍，容量和体积比镍氢电池小得多。其充放电流的特性是大而快，按电池的容量安时数“C”值计算，标准充放电流为2 ～ 5C、连续高电流放电可达10C，10s的瞬间脉冲放电可达20C，可为车辆起步和加速瞬间提供足够大的电流和驱动功率，为电动汽车的普及推广使用带来极大的方便。 (2)电池的温度特性宽广。铁锂电池可在环境为-20℃～75℃温度下均能正常工作，电热峰值可达350℃以上。由于电池内部进行充放电的化学反应会产生热量，外部环境温度65℃时内部温度则可达95℃，电池放电结束时温度甚至可达160℃!只要电池有适当的通风降热装置，即可保证电池的正常使用。但实践证明，在比亚迪或五洲龙电动汽车上，高压蓄电池箱没有设置专门的风扇降温装置，只依靠车辆行驶带来的散热效果，电池仍能正常使用。 (3) 磷酸铁锂电池使用安全可靠，不会出现爆炸现象。铁锂电池的正极材料具有良好的电化学性能，有十分平稳的充放电平台，充放电过程中结构稳定，即使放电电压到0时也绝对安全，电池安全性好。这种电池提倡使用恒压恒流充电，当3.2V 电压升到3.6V 时应停止充电，或者维持很小的充电电流;但当锂电池的电压很低如2V以下时，也不宜大电流急充电，应采用极小的涓流充电，这可有效地延长电池寿命。这里要指出的是，当磷酸铁锂电池用过大电流充放电时，电池内部化学反应会持续升温，活化过程中所产生的气体会膨胀，当电池内压力过大到一定程度时，会造成电池的密封铝塑外壳出现鼓胀或破裂。由于电池管理系统有极可靠的保护措施，如对电流、温度和电压等参数监测，对铁锂电池进行极有效的保护，所以在使用过程中，甚至发生碰撞穿刺的极端情况下，几乎都没有爆炸的危险。 2013 年深圳市曾发生一辆比亚迪e6电动出租车遭遇严重碰撞后，起火燃烧当场死亡三人的恶性事故，后经组织专家到现场检测分析，电池只产生变形而造成电池短路引发起火，但电池的结构仍完整，实践证明磷酸铁锂电池确实不会爆炸。 (4) 电池有较长的循环充放电寿命。按国标规定，可充电电池的循环寿命测试，是以深充深放方式进行的，即电池以恒流放电到电池额定容量1C值后，再以恒流恒压方式充电到额定电压，这个放电与充电过程称为一个“循环”。磷酸铁锂电池在常温下以1C 电流充放电，单体电池经500次循环，其放电容量仍大于95%。经2 000 次循环后容量仍大于80% ;其综合循环可近2400 ～ 3000次，如果电动车每天充电一次，电池连续使用可达8 年。 (5) 电池内部只有胶态电解质，不存在漏液现象。铁锂电池可设计成多种形状，如可制成0.5mm超薄型的，甚至电池还可呈弯曲形状，可用单颗电池采取多层组合形式，来输出高电压的组合电池，这可大大节省电池的体积。 (6) 磷酸铁锂电池无记忆效应。当电动汽车在使用过程中，发现储电量较少时，不论电量还存有多少，均可找就近的充电站进行补充，能做到随放随充，不影响电池的性能，不要求100%放完电后才允许充电，极大地方便了驾驶者的使用。而像镍镉电池则严格要求第一次使用时，一定要用完电必须待充满了电之后方能使用，这就是由于电池有记忆效应而要求的。 (7)磷酸铁锂电池的主要缺点其一是生产过程中不可避免仍有铅、砷、镉、汞、铬等重金属污染的问题，集中报废堆放后，仍会对周围环境构成较严重的污染，当前仍以桶装密封深埋为主。其二是电池的均匀一致性较差，磷酸铁锂的合成反应是一个复杂的多相化学反应，特别是正、负极和电解质材料的质量及工艺不同，其性能上会有差异，会造成电池容量出现10% ～20%的较大差异。其三是电池中含有铁的成分，单质铁会引起电池的微短路，从而造成电池中最忌讳的放电反应，使电池容量下降。其四是磷酸铁锂正极材料的振实密度较小，等容量的磷酸铁锂电池的体积较大，所以这种电池不适宜用于手机。其五是当前这种电池的价格相对较昂贵，循环充放电次数也有待于提高，即期望的电池寿命超过十年或更长。 |
