发布时间:2016-08-02 16:15 来源：www.farepian.cn  阅读次数:350

各系列电池简介及电池组热管理

动力蓄电池是混合动力车辆的关键技术装备之一，要求具有高功率密度、高能量密度、高循环效率、良好的充电接受能力、低自放电率以及良好的一致性等。目前已有的几种蓄电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池以及锌空气电池

[1],[3]~[5]。

1.3.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池（Lead Acid）已有 100 多年的历史，被广泛用作内燃机车的启动动力源。它可靠性好，原材料易得，目前仍是应用最广泛的车用动力蓄电池，但主要用于启动动力源。

铅酸蓄电池活性物质在充电和放电时，发生可逆的化学变化过程，可以用以下化学方程式来表示：

铅酸蓄电池经过灌装电解液和充电后，就可以从蓄电池的接线柱上引出电流。由于铅酸蓄电池中的 H2SO4浓度在放电过程中会逐渐减小，因此可以用比重计来测定H2SO4的密度，再由铅酸蓄电池的电解液密度确定其放电程度。单体铅酸蓄电池的电压为 2V，通常所使用的蓄电池组是由多个单体蓄电池串联组成。在使用或存放一段时间后，单体电池的电压可能降低到 1.8V 以下，或者 H2SO4溶液的密度下降到31.2 g /cm 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。

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。因此国内外开发的称之为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸电池。

铅酸蓄电池作为纯电动汽车和混合动力汽车的电源，虽尚有许多不足，如存在产生新的环境污染等问题，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地。

1.3.2 镍氢电池

镍氢电池是一种碱性电池，它的比能量可达 80Wh/kg，比功率 160~230W/kg，有利于提高混合动力车辆的动力性能和延长其续驶里程。镍氢电池可快速充电，循环寿命达到 1000 次以上。

镍氢电池的正极是球状氢氧化镍（2Ni (O H )）粉末与添加剂钴等金属，用塑料和粘合剂等制成的涂膏涂在正极板上。镍氢电池的负极是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储氢和放氢的循环。镍氢电池的电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极的金属转化为金属氢化物。当放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍氢电池的化学反应方程式如下：

镍氢电池用于纯电动车辆及混合动力车辆上的主要优点有：起动加速性能好，快速充电时间短，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，且没有记忆效应。

镍氢电池在充电过程中容易发热，在高温状态下，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。负极储氢合金加速氧化，并使储氢合金平衡压力增加，储氢合金的储氢量减少，降低镍氢电池的性能。镍氢电池在充电后期，会产生大量的氧气，如果安全阀不能及时开启，会有发生爆炸的危险。

1.3.3 锂离子电池

锂离子电池的正极采用2LiMnO 等锂的化合物制造，负极采用天然球状石墨或片状石墨、人造石墨和层状石墨的锂—碳化合物（6LiC ）等制造。由于锂的化学性能活泼，遇到水时会发生激烈的化学反应，所以必须采用非水性电解质，通常用有机溶剂/无机盐、无机溶剂/无机盐、固体锂离子导体或融熔盐组成。

在锂离子电池中正极采用不同的材料时，其电化学氧化反应会略有不同。

以MnO2为例：

锂离子电池显示出很多优点，电压高达 3.6~4V，比能量达到 100~200Wh/kg，比功率高达1500W/kg，循环寿命可达 1000 次以上。充电放电效率高，功率输出密度大，没有记忆效应等。

锂离子电池的主要问题是快速充、放电的性能较差，需要进一步解决对其充放电过程的控制和配备专用的充电器。另外，锂的制取比较困难，管理和使用较复杂，要求有严格的安全措施，需要配备电子保护电路、电池管理系统和热管理系统等，因此其附属装置更复杂，也增加了电池组的造价。

1.3.4 锌空气电池

锌空气电池以锌为正极，以氧为负极，以氢氧化钾为电解质。锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似，但需要特殊的催化剂。在化学反应过程中，必须要与氧气作用，只要阻隔空气进入锌空气电池，即可控制电池的化学反应。因此锌空气电池的自放电率很低，可以长期保持活性。锌空气电池的化学反应方程式为：

锌空气电池的理论比能量可达 1350Wh/kg，但目前的锌空气电池的实际比能量值约为 180~230Wh/kg。采用锌空气电池后，能够明显地延长电动车辆的续驶里程。成组的锌空气电池具有良好的一致性，没有像其他类型电池的充电和放电的不均匀现象。锌空气电池允许深度放电，其容量不受放电强度和温度的影响；它能在-20~80℃的温度范围内正常工作，可以实现完全密封免维护。此外，锌空气电池在循环使用中，不会污染环境，生产成本也较低。但是，锌空气电池目前尚存在寿命短、比功率小，不能输出大电流及难以充电等缺点。

1.4.1 电池组热管理的意义

为确保混合动力汽车的电池组具有良好的工作性能，并延长其使用寿命，对电池组进行有效的管理和控制就显得尤为重要。从国内外对动力电池组管理系统的研究来看，混合动力汽车电池组的管理系统主要包括以下四个方面：
（1）电池荷定状态（SOC）的准确估计；
（2）电池组均衡控制策略；
（3）电池组热管理系统；
（4）电池监控诊断与过载保护。

在传统的燃油汽车上，电池组多用作发动机的起动及各类车载电子设备，其功率需求相对有限，所以对电池组热管理的研究在之前并未引起重视。但是随着各种限制车辆排放的法规的相继颁布，以及用户对车辆经济性需求的不断提升，动力电池组已成为混合动力汽车行驶时的主要能源之一。由于电池内阻的焦尔效应以及电池化学反应生成的反应热，给电池组带来了很大的热负荷。如果不能在车辆行驶过程中及时地带走上述热量，势必会影响电池的工作性能和使用寿命，甚至可能给行车安全带来了很大的隐患。以常见的 Ni/MH 电池为例，工作温度和电流历史是影响 Ni/MH 电池寿命的最主要的两个因素[8]。Ni/MH 电池的最佳工作温度范围在 20℃~40℃，但是当温度上升到 45℃时，其循环次数将减小近 60%；在高倍率充电时，每 5℃的温升将使电池寿命减半。锂离子电池也存在相似的问题，不仅如此，由于锂离子电池的高能量密度以及电池中所包含的化学反应物质，锂离子电池存在电解质燃烧和热失控的危险，在最糟的情况下甚至可能发生爆炸。由于上述原因，每节锂离子单体电池均需要诸如爆炸盘，阻燃电池套等额外的保护措施。