第1章 概述
1.1 电动汽车动力电池分类及技术现状
1.1.1 动力电池的发展历程及分类
1.1.1.1 动力电池的发展历程
动力电池是纯电动汽车驱动能量的唯一来源，直接关系到电动汽车的动力性能、续航能力和安全性。从纯电动汽车成本构成看，动力电池系统占据了新能源汽车成本的30%～50%。动力电池技术一直影响着电动汽车实用化的进程。根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同，国内外动力电池的研发历史大致如下。
①第一代动力电池为铅酸动力电池，主要是阀控密封式铅酸动力电池，其优点是大电流放电性能良好，价格低廉、资源丰富、回收率高，缺点是质量比能量低，主要原材料铅有污染。新开发的双极耳卷绕式阀控密封式铅酸动力电池已经通过混合动力汽车试用，其能量密度比平板涂膏式铅酸动力电池有明显提高。阀控式密封铅酸动力电池一度成为重要的车用动力电池，应用在众多欧洲和美国汽车公司开发的电动汽车（Electric Vehicle，EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）上，但新一代铅酸动力电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸动力电池来驱动在高速公路上行驶的电动汽车是不实际的，但价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车（如观光车）中仍占一席之地。
②第二代动力电池为碱性动力电池，如镍镉动力电池、镍氢动力电池。镍镉电池因存在镉污染问题，欧盟各国已禁用于动力电池，镍氢动力电池的性价比明显比铅酸动力电池高，是目前HEV的主要动力电池。镍氢动力电池具有良好的耐过充、过放能力，不存在重金属污染问题，而且在工作过程中不会出现电解液增减现象，可以实现密封设计、免维护。与铅酸动力电池和镍镉动力电池相比，镍氢动力电池具有较高的比能量、比功率及循环寿命。
镍氢动力电池的记忆效应不是很明显，而且随着充放电循环的进行，储氢合金逐渐失去催化能力，镍氢动力电池的内压会逐渐升高，影响到其使用。此外，镍金属昂贵的价格，也导致成本较高。目前，电动汽车用镍氢动力电池已实现了批量生产和使用，是混合动力汽车研制中应用最多的车载动力电池类型。
③第三代动力电池为锂动力电池，锂动力电池的能量密度高于阀控式密封铅酸动力电池和镍氢动力电池，质量比能量达到200W·h/kg（PLIB），动力电池单体电压高（3.6V），待其安全问题解决以后将是最具竞争力的动力电池。锂动力电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢动力电池的3倍。锂动力电池体积小，重量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染。
锂动力电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属氧化物构成的阴极和电解液（有机溶剂溶解的锂盐溶液）。最常见的锂动力电池以炭为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，以二氧化锰酸锂为阴极构成的锂动力电池轻巧结实，比能量大，单体电压约为3.7V。
电动汽车用锂动力电池是在一次性锂动力电池基础上发展起来的，是目前纯电动车用动力电池研发的主要方向。锂动力电池是继镍氢动力电池之后，最受研发机构和汽车厂商青睐的具有潜力的车载动力电池。在锂动力电池中，磷酸锂动力电池的比能量、比功率以及运行电压相对较低，在大型纯电动汽车应用方面钴酸锂和锰酸锂动力电池等更具优势。
④第四代动力电池为质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池，其特点是无污染，放电产物为H2O，是真正的电化学发电装置。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个动力电池，但实质上它不能“储电”，而是一个“发电厂”。
燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装置，所用燃料包括纯氢气、甲醇、乙醇、天然气以及现在使用最广泛的汽油。按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷启动和快启动，也可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。最常见的是以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，无化学危险，对环境无污染，发电后产生纯水和热，这是目前其他所有动力电池无法做到的。质子交换膜燃料电池以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。
阀控式密封铅酸动力电池、镍氢动力电池和锂动力电池均属于电能转换和储能装置，动力电池本身并不能发出电能，必须对动力电池进行充电，将电能转换成化学能，使用时再将化学能转变为电能作为车载动力，所以这类动力电池目前仍然要消耗矿物燃料发出的电能。燃料电池是车载动力最经济、最环保的解决方案，但是要实现商业化还有许多问题需要解决，如价格昂贵，采用贵金属铂、铑作为催化剂，氢的储存运输等问题。
1.1.1.2 电动汽车动力电池分类
新能源汽车动力电池可以分为动力电池和燃料电池两大类，动力电池用于纯电动汽车（EV），混合动力电动汽车（HEV）及插电式混合动力电动汽车（Plug in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）；燃料电池专用于燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicles，FCV）。
①适用于纯电动汽车的动力电池，可以归类为铅酸动力电池、镍基动力电池（镍-氢及镍-金属氢化物动力电池、镍-镉及镍-锌动力电池）、钠基动力电池（钠-硫动力电池和钠-氯化镍动力电池）、锂动力电池、空气动力电池等类型。
在仅装备动力电池的纯电动汽车中，动力电池是汽车驱动系统的唯一动力源。而在装备传统发动机（或燃料电池）与动力电池的混合动力汽车中，动力电池既可扮演汽车驱动系统主要动力源的角色，也可充当辅助动力源的角色。在低速和启动时，动力电池扮演的是汽车驱动系统主要动力源的角色；在全负荷加速时，动力电池充当的是辅助动力源的角色；在正常行驶或减速、制动时，动力电池充当的是储存能量的角色。
目前，锂动力电池处于高速发展阶段，在诸如日产Leaf、丰田普锐斯plug-in、特斯拉ModelS、通用Volt、福特FocusEV以及宝马i3等新能源汽车上都采用锂动力电池。此外，锂资源较为丰富，价格也不贵，可以说在纯电动汽车动力电池中，锂动力电池是目前最被市场看好的动力电池。
铅酸动力电池、镍氢动力电池、锂动力电池和锂聚合物动力电池的比能量、比功率、安全性等基本性能的比较如图1-1所示。通过比较可以发现，目前这几种动力电池技术仍然没有一种能够占据每个方面性能都有优势的地位。这说明目前在电动汽车应用领域出现这些不同种类动力电池共存情况的原因，也是各种动力电池技术在不同程度上存在的缺陷导致电动汽车的发展受到制约，而未大规模产业化的原因。
图1-1 新能源汽车电池的性能比较
由图1-1可以看出，在目前市场上的动力电池中，锂动力电池除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。
②燃料电池，又称“连续电池”，可以把燃料电池看成是一种需要电能时，将反应物从外部输送入燃料电池内，就能长期不断地进行放电的一类电池。专用于电动汽车的燃料电池，可以分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）等类型。目前，质子交换膜燃料电池在燃料电池汽车中的应用较多，是未来新能源汽车燃料电池领域极具竞争力的燃料电池类型。
燃料电池由阳极、阴极、电解质和隔膜构成，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原。如果在阳极（即外电路的负极，也可称燃料极）上连续供给气态燃料（氢气），而在阴极（即外电路的正极，也可称空气极）上连续供给氧气（或空气），就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。由此可见，燃料电池与常规动力电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储罐中。当它工作（输出电流并做功）时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油发电机或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体（气体或液体）。
燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再向外电路传输。阴极（氧电极）的作用是为氧和电解液提供公共界面，对氧的还原产生催化作用，从外电路向氧电极的反应部位传输电子。由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料并涂有电催化剂。
电解质的作用是输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子，并能阻止电极间直接传递电子。隔膜的作用是传导离子、阻止电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂，因此隔膜必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质，并具有良好耐润湿性。
燃料电池具有比能量高、使用寿命长、维护工作量少以及能连续大功率供电等优点。将燃料电池作为汽车的动力已被公认为是2l世纪的必然趋势，是人们提出的后石油时代解决移动动力源的方案之一，是实现低碳减排目标的重要能源转换技术。与其他以动力电池为动力的纯电动汽车及混合电动汽车比较，燃料电池汽车具有续驶里程长、动力性能高等优点。但是燃料电池的寿命较短、成本较高，另外氢源的获取也是个难题。
最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体（如重整气）和某些液体（如甲醇水溶液），常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体（如过氧化氢和硝酸的水溶液等）。氢燃料电池具有以下特点。
a.无污染。氢燃料电池对环境无污染，氢燃料电池是通过化学反应释放能量，而不是采用燃烧（汽油、柴油）或储能（蓄动力电池）方式。燃烧会释放如COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。氢燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的，整个循环就是彻底不产生有害物质排放的过程。
b.无噪声。氢燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。
c.高效率。氢燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由氢燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）中间变换。
氢燃料电池车的优势毋庸置疑，劣势也显而易见。随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的储存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场难以承受的。另外加氢站需要一整套氢能源生产和运输网络作为支撑，而世界上绝大多数国家没有意愿和空间去大力发展一种不常用能源的体系。尤其氢能源的转化率较低，且在能源生产中会造成污染。另外，加氢站本身的建设要求与成本极高，需要专门的低温设备来满足能源存储需要。