2.4 混合动力汽车的蓄电池
在内燃机汽车上，常常采用蓄电池来作为发动机启动和点火系统、照明和信号系统、刮水器和喷淋器以及车载娱乐和通信设备等装备的电源。它们所需要的电能容量较小，工作时间较短，蓄电池与发动机、发电机组共同组成内燃机汽车的电气系统。但是在混合动力汽车上，动力电池组必须是具有强大能量的动力电源，除了作为驱动动力能源外，还要向空调系统、动力转向系统等提供电力能源。另外还要为点火系统、照明和信号系统、刮水器和喷淋器以及车载娱乐和通信设备等装备提供低压电源。在混合动力汽车上蓄电池是辅助电力能源，用于作为发动机的辅助动力源，提高整车的动力性能或作为电动机驱动车辆时的电力能源。
各种电池一般是供给直流电，然后经过变频器或逆变器转换成频率和电压幅值可调的交流电，供给驱动电动机来驱动车辆行驶。混合动力汽车对蓄电池的基本要求如下。
①比能量 这是保证混合动力汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，连续2h放电率的比能量至少不低于44W·h/kg。
②充电时间短 蓄电池对充电技术没有特殊要求。蓄电池的正常充电时间应小于6h，蓄电池能够适应快速充电的要求，蓄电池快速充电达到额定容量的50％时的时间为20min左右。
③连续放电率高、自放电率低 蓄电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率可以达到额定容量的70％左右。自放电率要低，蓄电池能够长期存放。
④不需要复杂的运行环境 蓄电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊加热，能够适应混合动力汽车行驶时振动的要求。
⑤安全可靠 蓄电池应干燥、洁净，电解液不会渗漏腐蚀接线柱和外壳，不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废蓄电池能够进行回收处理和再生处理，蓄电池中有害重金属能够进行集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。
⑥寿命长、免维修、制造成本低 蓄电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。制造成本应尽可能低。
2.4.1 蓄电池的性能指标
蓄电池的作用是储蓄电能，蓄电池在充电过程中，电能通过蓄电池内活性物质的化学变化转变为化学能储存在蓄电池内。蓄电池在放电过程中，通过蓄电池内活性物质的化学变化，将化学能转变为电能由蓄电池输出。各种蓄电池的基本工作原理是电能→化学能→电能→化学能的可逆变换过程，能够反复使用。
20世纪70年代以来，各种高能蓄电池问世，它们在比能量和比功率方面有很大的提高，在第二代混合动力汽车上，大多数采用了高能蓄电池，但各种高能蓄电池的作用仍然是储存电能，也仍然是按电能→化学能→电能→化学能的可逆变换过程来工作的，能量转换受到活性物质的局限。高能蓄电池的不断发展，使混合动力汽车的动力性能不断提高，一次充电后的续驶里程也不断延长。蓄电池主要性能指标如下。
（1）电压（V）
①电动势 电池正极和负极之间的电位差E。
②开路电压 电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。
③额定电压 电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。
④工作电压（负载电压、放电电压） 在电池两端接上负载R后，在放电过程中显示出的电压。
⑤终止电压 电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。
（2）电池容量（A·h）
①理论容量 根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值，一般用质量容量（A·h/kg）或体积容量（A·h/L）来表示。
②实际容量 在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。
③标称容量（公称容量） 用来鉴别电池适当的近似容量值，由于没有指定放电条件，因此只标明电池的容量范围而没有确切值。
④额定容量（保证容量） 按一定标准所规定的放电条件，电池应该放出的最低限度的容量。
⑤荷电状态（SOC） 是指参加反应电池容量的变化。SOC=1即表示电池为充满状态。随着蓄电池放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时可以用SOC的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效率区SOC为50％～80％。对SOC精确的实时辨识，是电池管理系统的一个关键技术。
（3）能量（W·h、kW·h）
电池的能量决定电动汽车的行驶距离。
①标称能量 按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量，电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。
②实际能量 在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。电池的质量包括电池本身结构件质量和电解液质量的总和。
③比能量（W·h/kg） 指动力电池组单位质量中所能输出的能量。表2-8为各种电池的比能量。
表2-8 各种电池的比能量
④能量密度（W·h/L）动力电池组的能量密度是指动力电池组单位体积中所能输出的能量。
（4）功率（W、kW）
电池的功率是在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定混合动力汽车的加速性能。
①比功率（W/kg） 电池的比功率是指电池单位质量中所具有的电能的功率。
②功率密度（W/L） 电池的功率密度是指电池单位体积中所具有的电能的功率。
（5）电池的内阻
电流通过电池内部时受到的阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池的内阻作用，使电池在放电时端电压低于电动势和开路电压，在充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。
（6）循环次数（次）
蓄电池的工作是一个不断充电→放电→充电→放电的循环过程，按一定标准的规定放电，当电池的容量降到某一个规定值以前，停止继续放电，需要充电才能继续使用。在每一个循环中，电池中的化学活性物质，要发生一次可逆性的化学反应。随着充电和放电次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，逐渐削弱其化学功能，使电池充电和放电的效率逐渐降低，最后电池损失全部功能而报废。蓄电池充电和放电的循环次数与电池的充电和放电的形式、电池的温度和放电深度有关，放电深度浅时，有利于延长电池的寿命。特别是电池在电动汽车上的使用环境，包括电池组中各个电池的均衡性、安装、固定方式、所受的振动和线路的安装等，都会影响电池的工作循环次数。
（7）使用年限（年）
电池除了以循环次数表示使用时间外，通常还要用电池的使用年限来表示其寿命。
（8）放电速率（放电率）
放电速率（放电率）一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。
①时率 电池以某种电流强度放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的放电时间。
②倍率 电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。
（9）自放电率
自放电率指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使电池容量损失的速度，自放电率用单位时间（月/年）内电池容量下降的百分数来表示。
（10）成本
电池的成本是与电池的技术含量、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、低成本的电池是电动汽车发展的关键。
除上述主要性能指标外，还要求电池无毒性、对周围环境不会造成污染或腐蚀，使用安全，有良好的充电性能，充电操作方便，耐振动，无记忆性，对环境温度变化不敏感，易于调整和维护等。
2.4.2 铅酸蓄电池
（1）铅酸蓄电池的种类
以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于电池电极是以铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池于1859年由法国科学家普兰特（G.Plante）发明。1881年法国人发明的电动汽车就是以铅酸蓄电池作为动力的，铅酸蓄电池广泛用于燃油汽车的启动。铅酸蓄电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类。固定式铅酸蓄电池按电池槽结构分为半密封式与密封式，半密封式又有防酸式与消氢式。依据排气方式，密封式铅酸蓄电池可分为排气式和非排气式两种。
铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。因此，近年来，国内外开发的称为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸蓄电池。表2-9列出了在混合动力汽车上使用的铅酸蓄电池的种类及特点等。
表2-9 铅酸蓄电池的种类及特点
混合动力汽车的牵引用动力铅酸蓄电池（简称动力铅酸蓄电池）性能与启动用铅酸蓄电池的要求是不同的。动力铅酸蓄电池要求有高的比能量和比功率，高的循环次数和使用寿命，以及快速充电性能等。目前，已经有很多专业公司研制和开发了多种新型铅酸蓄电池，使铅酸蓄电池的性能有了较大的提高。
（2）铅酸蓄电池的工作原理
铅酸蓄电池的放电和充电的反应过程，是铅酸蓄电池中活性物质进行的可逆化学变化过程。它们可用下列化学反应方程式表示：
铅酸蓄电池在放电过程时，化学反应由左向右进行，其相反的过程为充电过程的化学反应。可用密度计来测定铅酸蓄电池电解液密度，进而确定铅酸蓄电池电解液放电程度。单体铅酸蓄电池的电压为2V，在使用或存放一段时间后，电池的电压可能降低到1.8V以下，或H2SO4溶液的密度下降到1.2g/cm3时，铅酸蓄电池就必须充电，如果电压继续下降，铅酸蓄电池将会损坏。
（3）铅酸蓄电池的构造
图2-42所示为普通铅酸蓄电池的构造，铅酸蓄电池的基本单元是单体电池。每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。每个单体电池的基本电压为2V，然后将不同容量的单体电池按使用要求进行组合，装置在不同的塑料外壳中，来获得不同电压和不同容量的铅酸蓄电池。铅酸蓄电池总成经过灌装电解液和充电后，就可以从铅酸蓄电池的接线柱上引出电流。铅酸蓄电池通常采用密封、无锑网隔板等技术措施，并在普通铅酸蓄电池的电解液中加入硅酸胶（Na2SiO3）之类的凝聚剂，使电解质成为胶状物，形成一种胶体电解质。采用胶体电解质的铅酸蓄电池，使用起来更加方便。硅酸胶与硫酸的反应方程式如下。
图2-42 普通铅酸蓄电池的构造
1—负极板；2—隔板；3—正极板；4—壳体；5—护板；6—封料；7—负极桩；8—加液盖；9—连条；10—正极桩；11—极板组
图2-43所示为安装了排气阀的铅酸蓄电池的构造。该电池的特点是带有催化剂，可以使充电时产生的氢气和氧气反应生成水流回电池，因而可以防止充电时产生的氢气和氧气逸散，控制水的消耗。
图2-43 安装了排气阀的铅酸蓄电池的构造
2.4.3 镍-镉（Ni-Cd）电池
镍-镉电池是一种碱性电池，是混合动力汽车的首选电池之一。镍-镉电池的比能量可达到55W·h/kg，比功率可超过225W/kg。极板强度高，工作电压平稳，能够带电充电，并可以快速充电。镍-镉电池过充电和过放电性能好，有高倍率的放电特性，瞬时脉冲放电率很大，深度放电性能也好。循环使用寿命长，可达到2000次或7年以上，是铅酸蓄电池的2倍。采用全封闭外壳，可在真空环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。
（1）镍-镉电池的工作原理
镍-镉电池是以羟基氢氧化镍为正极，金属镉为负极，水溶性氧化钾溶液为电解质，在镍-镉电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。为了提高寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。镍-镉电池的化学反应方程式如下。
（2）镍-镉电池的构造
图2-44所示为镍-镉电池构造，镍-镉电池的每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。将单体电池按不同的组合装置在不同塑料外壳中，可得到所需要的不同电压和不同容量的镍-镉电池总成，市场上有多种不同型号规格的镍-镉电池总成可供选择。在灌装电解液并经过充电后，就可以从电池的接线柱上引出电流。
图2-44 镍-镉电池的构造
1—正极板；2—接线柱；3—加液口盖；4—绝缘导管；5—负极板；6—吊架；7—单格电池连接条；8—极板骨架；9—绝缘层；10—镀镍薄钢板；11—外壳；12—通孔；13—活性物质；14—正极板导管；15—氢氧化镍
（3）镍-镉电池的特点
镍-镉电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为12V，比能量为55W·h/kg，比功率可以超过225W/kg，循环使用寿命在2000次以上。可以进行快速充电，充电15min可恢复50％的容量，充电1h可恢复100％的容量，但一般情况下完全充电需要6h。深放电达100％，自放电率低于0.5％/天。可以在-40～80℃的环境温度条件下正常工作。快速充电能力强，充电18min即可从40％达到80％容量。
镍-镉电池有记忆效应，镍-镉电池中采用的镉（Cd）是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效回收。镍-镉电池的成本约为铅酸蓄电池的4～5倍，初始购置费用较高，但镍-镉电池的比能量和循环使用寿命都大大高于铅酸蓄电池，因此在电动汽车上实际使用时，总的费用不会超过铅酸蓄电池的费用。由于镍-镉电池使用性能比铅酸蓄电池好，在混合动力汽车上得到广泛使用。克莱斯勒公司的TE面包车、标致106型混合动力汽车、雪铁龙AX-EV以及日本本田汽车公司、日产汽车公司等生产的混合动力汽车上都采用了镍-镉电池。
2.4.4 镍-氢（Ni-MH）电池
镍-氢电池也是一种碱性电池，镍-氢电池的标称电压为1.2V，比能量可达到70～80W·h/kg，有利于延长混合动力汽车的行驶里程。比功率可达到200W/kg，是铅酸蓄电池的2倍，能够提高车辆的启动性能和加速性能。有高倍率的放电特性，短时间可以3C（C为按额定电流放电时的实际放电容量）放电，瞬时脉冲放电率很大。镍-氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电，并可以快速充电，在15min内可充60％的容量，1h内可完全充满，应急补充充电的时间短。在80％的放电深度下，循环寿命可达到1000次以上，是铅酸蓄电池的3倍。采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。镍-氢电池中没有Pb和Cd等重金属元素，不会对环境造成污染，镍-氢电池可以随充随放，不会出现镍-镉电池在没有放完电后即充电而产生的记忆效应。
（1）镍-氢（Ni-MH）电池的工作原理
镍-氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属、塑料和胶黏剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料中添加钙、钴、锌或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的作用。采用高分子材料作为胶黏剂或用挤压和轧制方法制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂，可以提高大电流时的放电性能。
镍-氢电池负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。储氢合金是一种允许氢原子进入或分离的多金属合金的晶格基块，用钛、钒、锆、镍、铬五种基本元素，与钴、锰等元素烧结的合金，经过加氢、粉碎、成形和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能，对镍-氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还保证本身的机械坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加其防腐性能，这有利于提高镍-氢电池的比能量、比功率和使用寿命。
电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧根离子，氢离子被负极吸收，负极由金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧根离子离开了正极，氢离子和氢氧根离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。
图2-45所示为镍-氢电池在碱性电解液中进行反应的模型。
图2-45 镍-氢电池在碱性电解液中进行反应的模型
（2）镍-氢电池的构造
镍-氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正、负极之间有隔膜，共同组成镍-氢单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍-氢电池的特性与镍-镉电池基本相同，但氢气是没有毒性的物质，无污染，安全可靠，使用寿命长，而且不需要补充水分。
镍-氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍-氢电池放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，特别是在存放一段时间后，会有近20％的电荷流失，老化现象比较严重。为避免发泡体极板的镍-氢电池老化所造成的内阻增高，电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的镍-氢电池的烧结体极板本身就是活性物质，不需要进行活性处理，也不需要进行预充电，电压平衡、稳定，具有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。
图2-46所示为美国通用-奥旺尼克（GM-Ovonic）公司生产的圆形镍-氢电池的构造。镍-氢电池的基本单元是单体电池，每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成，额定电压为13.2V（充电时最大电压为16.0V），然后将单体电池按使用要求组合成不同电压和不同容量的镍-氢电池总成。镍-氢电池比能量达到70W·h/kg，能量密度达到165W·h/L，比功率在50％的放电深度下为220W/kg，在80％的放电深度下为200W/kg，可以大幅提高混合动力汽车的动力性能。通常镍-氢电池的外形有方形和圆形两种。
图2-46 圆形镍-氢电池的构造
1—帽盖（+）；2—正极；3—密封板；4—负极片；5—隔离膜；6—正极片；7—外壳（-）；8—绝缘环
（3）镍-氢电池的充、放电特性
①充电特性 松下电池公司生产的D型镍-氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到100％，能够有效地接受混合动力汽车在制动时反馈的电能。另外，由于能量损耗较小，镍-氢电池的发热量被抑制在最小范围内，可以有效地控制剩余电量，并用电流来显示电池的剩余电量。
②放电特性 D型镍-氢电池（6个单体电池组件）放电时，2C的功率输出时的质量比功率可达到600W/kg以上，3C的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对混合动力汽车动力性能的控制十分有利，电池的寿命可达到100000km以上。
日本各公司生产的镍-氢电池技术性能见表2-10。
表2-10 日本各公司生产的镍-氢电池技术性能
混合动力汽车动力电池组经常处于充、放电状态，而且充、放电是不规则地进行的，这对电池的寿命带来严重的影响，松下电池公司模拟混合动力汽车行驶工况对镍-氢电池进行仿真试验，证实镍-氢电池的特性几乎不发生变化，镍-氢电池用于混合动力汽车是比较合适的。
（4）镍-氢电池的特点
镍-氢单体电池的电压为1.2V，3h比能量为75～80W·h/kg，能量密度达到200W·h/L，比功率为160～230W/kg，功率密度为400～600W/L，充电18min可恢复40％～80％的容量，应急补充充电性能好，一次充电后续驶里程长，而且启动加速性能较好。可以在环境温度为-28～80℃的条件下正常工作。循环寿命可达到6000次或7年。但在高温条件下使用时荷电量急剧下降，自放电损耗较大，价格较贵。镍-氢电池的比功率和放电能力不及镍-镉电池。镍-氢电池在使用时还应充分注意各个单体电池之间的一致性（均匀性），特别是在高速率、深放电情况下，各个单体电池之间的容量和电压差较明显，应注重对电池组在充、放电过程中的导热管理和电池安全装置的设计。
镍-氢电池的成本很高，约达600～800美元/（kW·h）。不同的储氢合金具有不同的储存氢的能力，价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金，为我国生产镍-氢电池推广提供了有利条件，表2-11为国内外采用镍-氢电池的电动汽车的基本情况。
表2-11 国内外采用镍-氢电池的电动汽车的基本情况
镍-氢电池用于电动汽车上的主要优点是，启动加速性能好，一次充电后的续驶里程较长，不会对周围环境造成污染，易维护，快速补充充电时间短。
镍-氢电池在充电过程中容易发热，发热产生的高温会对镍-氢电池产生负面影响。高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短。镍-氢电池在充电后期，会产生大量的氧气，在高温的环境条件下，将加速负极储氢合金氧化，并使储氢合金平衡压力增加，使储氢合金的储氢量减少而降低镍-氢电池的性能。尼龙无纺布隔膜在高温的作用下，会发生降解和氧化。尼龙无纺布隔膜发生降解时，产生铵离子和硝酸根离子，加速了镍-氢电池的自放电。尼龙无纺布隔膜发生氧化时，氧化成碳酸根，使镍-氢电池的内阻增加。在镍-氢电池充电的过程中，电池温度迅速升高，会使充电效率降低，并产生大量氧气，如果安全阀不能及时开启，会有发生爆炸的危险。
在镍-氢电池的制造技术上进行一些改进，如正极板采用多极板技术，负极板采用端面焊接技术，在电解液中适当加入LiOH和NaOH，采用抗氧化能力强的聚丙烯毡制作隔膜等，可以有效地提高镍-氢电池耐高温能力。在镍-氢电池动力电池组的单体镍-氢电池之间，加大散热间隙，采取有效的散热措施和建立自动热管理系统，可以保证镍-氢电池正常工作并延长使用寿命。
2.4.5 锂离子电池
锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界上最新一代的充电电池。与其他蓄电池比较，锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，它已成为未来电动汽车较为理想的动力电源。相比于镍-氢电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可使电池组的质量下降40％～50％，体积减小20％～30％，能源效率也有一定程度的提高。
（1）锂离子电池的分类
按照锂离子电池的外部形状可分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。按照锂离子电池正极材料的不同，汽车用锂离子电池主要分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。
第一代车用锂离子电池是锰酸锂离子电池，其成本低，安全性较好，但循环寿命欠佳，在高温环境下循环寿命更短，高温时会出现锰离子溶出的现象。第二代是具有美国专利的磷酸铁锂离子电池，这是锂离子电池的发展方向，其原材料价格低且磷、铁、锂的资源丰富，工作电压适中，充放电特性好，放电功率高，可快速充电且循环寿命长，高温和高热稳定性及储能特性强，完全无毒。
为了避开磷酸铁锂离子电池的专利纠纷，一些国家开发了镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。由于钴价格昂贵，所以成本较高，安全性比磷酸铁锂离子电池稍差，循环寿命优于锰酸锂离子电池。
（2）锂离子电池的结构
锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。圆柱形锂离子电池结构如图2-47所示。
图2-47 圆柱形锂离子电池结构示意图
1，2—外壳；3—绝缘体；4—垫圈；5—顶盖；6—正极端子；7—排气孔；8—隔板；9—负极；10—负极引；11—正极
①正极 活性物质在锰酸锂离子电池中以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钴锂离子电池中以镍钴锂为主要材料，在镍钴锰锂离子电池中以镍钴锰锂为主要材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂胶黏剂，并涂覆在铝基体上，呈细薄层分布。
②负极 活性物质是由碳材料与胶黏剂的混合物再加上有机溶剂调制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。
③隔板 功能是关闭或阻断通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。关闭或阻断功能是电池出现异常温度上升，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充放电反应。隔板可有效防止因外部短路等引起的过大电流使电池产生异常发热现象。这种现象即使产生一次，电池就不能正常使用。
④电解液 是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具有与锂离子相容性好的溶剂，以不阻碍离子移动的低黏度的有机溶液为宜，而且在锂离子蓄电池的工作温度范围内，必须呈液体状态，凝固点低，沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性，必须能良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。由于使用单一溶剂很难满足上述严酷条件，因此一般混合不同性质的几种溶剂使用。
⑤安全阀 为了保证锂离子电池的使用安全性，一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能有其他原因引起蓄电池内压异常上升，这时，安全阀释放气体，以防止蓄电池破裂。安全阀实际上是一次性非修复式的破裂膜，用以保护蓄电池使其停止工作，是蓄电池的最后保护手段。
（3）锂离子电池的特点
锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。
①工作电压高：锂离子电池工作电压为3.6V，是镍-氢和镍-镉电池工作电压的3倍。
②比能量高：锂离子电池比能量已达到150W·h/kg，是镍-镉电池的3倍，镍-氢电池的1.5倍。
③循环寿命长：目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达几万次。
④自放电率低：锂离子电池自放电率仅为6％～8％，远低于镍-镉电池（25％～30％）和镍-氢电池（15％～20％）。
⑤无记忆性：可根据要求随时充电，而不会降低电池性能。
⑥对环境无污染：锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的绿色电池。
⑦能够制造成任意形状。
锂离子电池也有一些不足，主要表现在以下方面。
①成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位能量的价格来计算，已经低于镍-氢电池，与镍-镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。
②必须有特殊保护电路，用于防止过充。
（4）锂离子电池的工作原理
锂离子电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液。
图2-48所示为锂离子电池的工作原理，电池在充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜嵌入负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正、负极之间。
图2-48 锂离子电池工作原理
以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离子电池，正、负极的电化学反应如下。
总反应为
由于锂离子电池只涉及锂离子而不涉及金属锂的充放电过程，从根本上解决了由于锂枝晶的产生而带来的电池循环性和安全性的问题。
（5）锂离子电池的充放电特性
在电压方面，锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的1％。终止电压过高，会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充电现象，对电池造成永久性的损坏；终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。
充电电流方面，锂电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2C，但常用的充电率为（0.5～1）C。在采用大电流对锂离子电池充电时，因充电过程中电池内部的电化学反应会产生热，因此有一定的能量损失，同时必须检测电池的温度以防过热损坏电池或产生爆炸。此外对锂电池充电，若全部用恒定电流，虽然可以在一定程度上缩短充电时间，但很难保证电池充满，如果对充电结束控制不当还会造成过充现象。
放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在（2～3）C左右。更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，因此电池的放电容量将会降低。在造成过放电（低于3.0V）时，还会造成电池的失效。对于过放电的锂离子电池，在充电前需要进行预处理，即使用小电流充电，使电池内部被过放电的单元被激活，在电池电压被充电到3.0V后再按正常方式充电，通常将这一阶段的充电称为预充电。
锂离子电池的充电温度一般应限制在0～60℃范围内。电池温度过高会损坏电池并可能引起爆炸；温度过低虽不会造成安全方面的问题，但很难将电池充满。由于充电过程中，电池内部将有一部分热能产生，因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时停止充电以保证安全。
（6）锂离子电池的充电方法
锂离子电池可以采用不同的充电方法，其中最简单的是恒压充电。采用恒压充电时，电池电压保持不变，而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于0.1C时，就认为电池被充分充电了。为了防止有缺陷的电池无休止地进行充电，采用一个备用定时器来终止充电周期。恒压充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法需要很长的电池充电时间。由于在电池充电期间充电电压保持一定，充电电流降低很快，因而充电速率也降低很快。这样，电池就是在比其能够接受的低得多的电流强度下进行充电。
兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效性，锂离子电池通常采用恒流恒压充电方法，其充电过程可分为预充电、恒流充电、恒压充电三个阶段，如图2-49所示。
图2-49 锂离子电池充电特性曲线
①预充电阶段 在该状态下，首先检测单节锂离子电池电压是否较低（<3.0V），如果是则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电直至电池电压上升到一个安全值。否则可省略该阶段，这也是最普遍的情况，因为预充电主要是完成对过放电的锂电池进行修复。
②恒流充电阶段 涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。该状态下，充电电流保持不变的较大的值，电池的最大充电电流决定于电池的容量。
在恒流充电和预充电状态下，通过连续监控电池的电压和温度，可以采用以下两种恒流充电终止法，终止恒流充电。
a.电池最高电压终止法 当单节锂电池电压达到4.2V，恒流充电状态应立即终止。
b.电池最高温度终止法 在恒流充电过程中，当电池的温度达到60℃时，恒流充电状态应立即终止。
③恒压充电阶段 恒流充电结束后，则转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压保持恒定。因为锂离子电池对充电电压精度的要求比较高，单节电池恒压充电电压应在规定值的±1％之间变化，因此要严格控制锂离子电池的充电电压。在恒压充电过程中，充电器连续监控电池的电压、温度、充电电流和充电时间。
常用的恒压充电终止方法有以下四种。
a.电池最高电压 当单节锂离子电池的电压达到4.25V时，恒压充电状态自动终止。
b.电池最高温度 当锂离子电池的最高温度达到60℃时，恒压充电状态自动终止。
c.最长充电时间 为了确保锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和最高温度外，还应设置最长恒压充电时间，在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电。
d.最小充电电流 在恒压充电过程中，锂离子电池的充电电流逐渐减小，当充电电流下降到一定数值（通常为恒流充电电流的1/10）时，恒压充电状态自动终止。
此外，电池充足电后，若电池仍插在充电器上，电池会由于自放电而损失电量。充电器应以非常小的电流对电池充电或是监测电池电位以备对电池再充电，这种状态称为维护充电状态。
2.4.6 蓄电池的管理系统
（1）混合动力汽车的动力电池组管理系统简介
混合动力汽车除动力电池组提供主要电源外，还有发动机、发电机组向动力电池组通过转换器不断地补充电能。
根据电动车辆所采用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括热（温度）管理子系统、电池组管理子系统、线路管理子系统，如图2-50所示。
图2-50 电池组管理系统
①热管理子系统 混合动力汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象，不同的蓄电池发热程度不同，有的蓄电池采用自然通风即可满足电池组的散热要求，但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却，才能保证电池组正常工作并延长蓄电池的寿命。另外，在混合动力汽车上由于动力电池组的各个蓄电池或各个分电池组布置在车架不同的位置上，各处的散热条件和周围环境都不同，这些差别也会对蓄电池充、放电性能和蓄电池的使用寿命造成影响。为了保证每个蓄电池都能有良好的散热条件和环境，将混合动力汽车的动力电池组装在一个强制冷却系统中，使各个蓄电池的温度保持一致或相接近，以及使各个蓄电池的周边环境条件相似。
根据动力电池组在电动车辆上的布置，动力电池组的热管理子系统中，首先应合理安排动力电池组的支架，要求便于动力电池组或其分组的安装，能够实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组的支架位置和形状确定后设计通风管道、风扇、动力电池组ECU和温度传感器等，混合动力汽车上水平布置的温度管理系统如图2-51所示，垂直布置的温度管理系统如图2-52所示。
图2-51 动力电池组水平布置的强制冷却系统
1—空气吸入管道；2—分电池组；3—动力电池组密封支架；4—冷却风扇；5—分电池组冷却气流；6—温度传感器
图2-52 动力电池组垂直布置的强制冷却系统
1—冷却空气吸入管道；2—温度传感器；3—电池组管理ECU；4—充电器；5—电池组通风箱；6—分电池组；7—单元电池；8—风扇
在某些蓄电池工作时，会产生较高的温度，可以充分利用其产生的热量取暖和给挡风玻璃除霜等，使热量得到管理与应用。
②电池组管理子系统 其作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电池组中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理，使电池组能够提高工作效率，保证正常运转并达到最佳状态，避免发生电池的过充电和过放电，有效延长电池的寿命，以及进行动力电池组的安全管理和保洁等。电池管理系统主要包括以下方面。
a.电池的技术性能 不同类型和不同型号、不同使用程度的电池都具有不同的性能，包括电池的容量、工作电压、终止电压、质量、外形尺寸和电池特性（包括记忆特性）等，因此要对动力电池组建立技术档案。实际上即使是同一型号、同一批量的电池，由于制造原因、电解质的浓度差异和使用情况的不同，都会对整个动力电池组的性能带来影响，因此在安装电池组之前，应对每个电池进行认真检测，将性能差异不大的电池组成动力电池组。
b.电池状态的管理 混合动力汽车的动力电池组由多个单节电池组成，其基本状态包括在充电和放电双向作业时的电压、电流、温度、SOC的比例等。在正常情况下动力电池组的电压、电流、温度、SOC的比例等应能进行双向计量和显示。
由于多种原因在动力电池组中个别电池会出现性能的改变，使动力电池组在充电时不能充足，而在放电时很快将电能放尽。这就要求电池管理系统能够及时自动检测各个单节电池的状态，当检测出某节电池出现损坏时，及时报警，以便将坏电池剔除、更换。
c.动力电池组的安全管理 动力电池组的总电压可以达到90～400V，高电压对人体会造成危害，应采取有效的隔离措施，一般是将动力电池组与车辆的乘坐区分离，将动力电池组布置在地板下面或车架的两侧，在正常的情况下，车辆停止使用时，通常会自动切断电源，只有在混合动力汽车启动时才接通电源。当混合动力汽车发生碰撞或倾覆时，电池管理系统应能立即切断电源，防止高压电引起的人身事故和火灾，并防止电解液造成的伤害，以保证人身安全。
③线路管理子系统 动力电池组需要8～32节12V的单节电池串联起来（指铅酸蓄电池）或由更多单节电池（指其他电池）串联而成，为了能够分别安装在混合动力汽车的不同位置，通常将动力电池组分为多个小的电池组分散布置，这样有利于电池组的机械化安装、拆卸和检修。
线路管理子系统管理电池与电池、电池组与电池组之间的线路。当动力电池组的总电压较高时，导线的截面积比较小，有利于线束的连接和固定，但高电压要求有更可靠的防护。当动力电池组的总电压较低时，则电流比较大，导线的截面积也比较大，安装较不方便。在各个电池组之间还需要安装连接导线将各个电池组串联起来，一般在电池组与电池组之间，装有手动或自动断电器，以便在安装、拆卸和检修时切断电流。另外，在电池管理系统中还有各种传感器线路等，因此在混合动力汽车上有尺寸很长的各种各样的线束，要求电线之间有可靠的绝缘，并能快速连接。
（2）混合动力汽车的动力电池组管理系统功能和组成
动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握动力电池组的情况，另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。
①动力电池组管理系统功能 动力电池组管理系统一般采用先进的微处理器进行控制，通过标准通信接口和控制模块对动力电池组进行管理，其基本功能有以下几方面。
a.动力电池组管理 监视动力电池组的双向总电压和电流、动力电池组的温升，并通过液晶显示或其他显示装置，动态显示总电压、电流及温升的变化，避免动力电池组过充电或过放电，使动力电池组不会受到人为的损坏。
b.单节电池管理 监测单节电池的电状态，对单节电池动态电压和温度的变化进行实时测量，以便及时发现单节电池存在的问题，并采取有效的预防措施。
c.荷电状态的估计和故障诊断 动力电池组管理系统应具有对荷电状态的估计和故障诊断的功能，能够有效地反映和显示荷电状态（SOC）。目前对荷电状态的估计误差一般在10％左右。配备故障诊断专家系统，可以早期预报动力电池组的故障和隐患。
②动力电池组管理系统组成 综合动力电池组管理系统的各种功能，动力电池组管理系统的基本组成如图2-53所示。
图2-53 动力电池组管理系统的基本组成
1—电动机；2—逆变器；3—继电器箱；4—充电器；5—动力电池组（由多个分电池组组成）；6—冷却风扇；7—动力电池组管理系统；8—荷电状态（SOC）显示器；9—车辆中央控制器；10—驾驶员控制信号输入；11—电压表；12—电流表；13—温度表
带有温度测量装置的动力电池组管理系统的基本组成如图2-54所示。带有温度测量装置的动力电池组管理系统，是利用损坏的电池在充电过程中电池的温度高于正常电池温度的原理，用温度传感器来测定和监控每一个电池在充电过程中的温度是否在允许的范围内，如果发现某个电池的温度处于不正常状态，荷电状态（SOC）显示也不正常时，立即向动力电池组管理系统反馈某个电池在线的响应信息，并由故障诊断系统预报动力电池组的故障。
图2-54 带有温度测量装置的动力电池组管理系统的基本组成
1—电池组；2—温度传感器；3—故障诊断器；4—温度表；5—动力电池组管理系统；6—电压表；7—电流表；8—荷电状态（SOC）显示