電動車電池工作原理與分類
發布時間：2011-10-11
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來源：我愛方案網
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鉛蓄電池簡介
現在的電動車上絕大多數裝的是鉛酸蓄電池，因為鉛酸蓄電池成本低，性價比高。鉛蓄電池由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成。充電后的正極板是棕褐色的二氧化鉛（PbO2），負極板是灰色的絨狀鉛（Pb），當兩極板放置在濃度為27%～37%的硫酸(H2SO4)水溶液中時，極板的鉛和硫酸發生化學反應，二價的鉛正離子（Pb2+）轉移到電解液中，在負極板上留下兩個電子（2e-）。
鉛蓄電池的工作原理
1860年，法國的普朗泰發明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段使電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為“鉛酸蓄電池”。
鉛蓄電池由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成。充電后的正極板是棕褐色的二氧化鉛（PbO2），負極板是灰色的絨狀鉛（Pb），當兩極板放置在濃度為27%～37%的硫酸(H2SO4)水溶液中時，極板的鉛和硫酸發生化學反應，二價的鉛正離子（Pb2+）轉移到電解液中，在負極板上留下兩個電子（2e-）。由于正負電荷的引力，鉛正離子聚集在負極板的周圍，而正極板在電解液中水分子作用下有少量的二氧化鉛（PbO2）滲入電解液，其中兩價的氧離子和水化合，使二氧化鉛分子變成可離解的一種不穩定的物質——氫氧化鉛〔Pb（OH4〕）。氫氧化鉛由4價的鉛正離子（Pb4+）和4個氫氧根〔4（OH）-〕組成。4價的鉛正離子（Pb4+）留在正極板上，使正極板帶正電。由于負極板帶負電，因而兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。當接通外電路，電流即由正極流向負極。在放電過程中，負極板上的電子不斷經外電路流向正極板，這時在電解液內部因硫酸分子電離成氫正離子（H+）和硫酸根負離子（SO42-），在離子電場力作用下，兩種離子分別向正負極移動，硫酸根負離子到達負極板后與鉛正離子結合成硫酸鉛（(PbSO4）。在正極板上，由于電子自外電路流入，而與4價的鉛正離子（Pb4+）化合成2價的鉛正離子（Pb2+），并立即與正極板附近的硫酸根負離子結合成硫酸鉛附著在正極上。
隨著蓄電池的放電，正負極板都受到硫化，同時電解液中的硫酸逐漸減少，而水分增多，從而導致電解液的比重下降在實際使用中，可以通過測定電解液的比重來確定蓄電池的放電程度。在正常使用情況下，鉛蓄電池不宜放電過度，否則將使和活性物質混在一起的細小硫酸鉛晶體結成較大的體，這不僅增加了極板的電阻，而且在充電時很難使它再還原，直接影響蓄池的容量和壽命。鉛蓄電池充電是放電的逆過程。
鉛酸蓄電池充、放電化學反應的原理方程式如下：
正極：PbO2 + 2e + SO4 2- + 4H+ == PbSO4 + 2H2O
負極：Pb -2e + SO4 2- == PbSO4
總反應：PbO2 + 2 H2SO4 + Pb == 2 PbSO4 + 2H2O
電動車四大種類蓄電池
目前能夠被電動自行車采用的有以下四種動力蓄電池，即鉛酸蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。
電動車電池之鉛酸蓄電池
目前市場上能夠大量提供的是鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池已經有130年的歷史了，可以說是使用最多的蓄電池。它的性能可靠，生產工藝成熟，價格也較低。目前已商品化的電動自行車的絕大多數是使用的密封式鉛酸蓄電池，使用中不需要補充水分，免維護。其主要化學反應是：PbO2+2H2SO4+Pb←充電、放電→ PhSO4+2H2O+PhSO4
鉛酸蓄電池充電時變成硫酸鉛的陰陽兩極的海綿狀鉛把固定在其中的硫酸成分釋放到電解液中，分別變成海綿狀鉛和氧化鉛，電解液中的硫酸濃度不斷變大；反之放電時陽極中的氧化鉛和陰極板上的海綿狀鉛與電解液中的硫酸發生反應變成硫酸鉛，而電解液中的硫酸濃度不斷降低。當鉛酸蓄電池充電不足時，陰陽兩極板的硫酸鉛不能完全轉化變成海綿狀鉛和氧化鉛，如果長期充電不足，則會造成硫酸鉛結晶，使極板硫化，電池品質變劣；反之如果電池過度充電，陽極產生的氧氣量大于陰極的吸附能力，使得蓄電池內壓增大，導致氣體外溢，電解液減少，還可能導致活性物質軟化或脫落，電池壽命大大縮短。
鉛酸蓄電池重量比能量為28-40 Wh/Kg，體積比能量64-72 Wh/I，太重、太大，而提供的電能較少，使用壽命較短，作為電動自行車的動力電源一般只能夠使用一年左右，若是性能差或使用不當的只有二、三個月。此外，鉛酸蓄電池還有深度放電能力和低溫放電能力較差，不能快速充電（但是近來在鉛酸蓄電池的快速充電的研究方面已有些進展）等缺點。鉛酸蓄電池的改進型 ——膠體鉛酸蓄電池，用膠體電解液代換硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通鉛酸蓄電池有改善。但是總而言之，從長遠看，鉛酸蓄電池在電動車上的利用前景不佳。報廢的鉛酸蓄電池因廢棄會造成二次污染，這也是有些地方政府不肯支持電動自行車大量上路的重要原因之一。
電動車電池之膠體鉛酸蓄電池
膠體蓄電池是對液態電解質的普通鉛酸蓄電池的改進。它采用凝膠狀電解質，內部無游離的液體存在, 在同等體積下電解質容量大，熱容量大，熱消散能力強，能避免一般蓄電池易產生的熱失控現象；電解質濃度低，對極板腐蝕弱；濃度均勻，不存在酸分層的現象。
上述改進使其在多項重要性能優于閥控式鉛酸免維護蓄電池，例如：使用性能穩定，可靠性高，使用壽命長，對環境溫度的適應能力（高、低溫）強，承受長時間放電能力、循環放電能力、深度放電及大電流放電能力強，有過充電及過放電自我保護，電池在100%放電后仍可繼續接在負載上，在幾周內充電仍可恢復至原容量等等優點。
電動車電池之鎳氫蓄電池（Ni-MH）
鎳氫蓄電池是九十年代涌現出的電池家族中新秀，發展迅猛。Ni-MH電池的電極反應為：
正極：Ni(OH)2+OH-= NiOOH+H20 +e-
負極：M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab
它和鎳鎘蓄電池同屬堿性蓄電池，只是以吸藏氫氣的合金材料（mh）取代鎳鎘蓄電池中的負極材料鎘cd、電動勢仍為1.32v。它具備鎳鎘蓄電池的所有優異特性，而且能量密度還高于鎳鎘蓄電池。主要優點是：比能量高（一次充電可行使的距離長）；比功率高，在大電流工作時也能平穩放電（加速爬坡能力好）；低溫放電性能好；循環壽命長；安全可靠，免維護；無記憶效應；對環境不存在任何污染問題，可再生利用，符合持續發展的理念。但是，Ni-MH蓄電池成本太高，價格昂貴。
電動車電池之鋰離子電池
鋰是世界最輕的金屬，構成電池時，輸出電壓近4v。鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池。其優點是比能量高，是當前比能量最高的蓄電池。已經在便攜式信息產品中獲得推廣應用。1995年，索尼公司又開發成功用于電動車的鋰離子蓄電池，共分兩種類型：一種是用于純電動車（EV）容量為100Ah的圓柱形單體電池，稱為高能型鋰離子蓄電池；另一種是用于混合動力車（HEV），容量為22Ah，8只串聯成電池模塊，但其輸出功率為前者的2.7倍，稱為高功率型鋰離子電池。高能型電池已于1996年裝在日產汽車公司開發的第一輛鋰離子電動汽車上（日產Al-traEV），在北京第一屆國際電動車展覽會上展出。該車一次充電可行駛200km，最高時速120Km/h。
鋰離子電池被普遍認為具有如下的優點：比能量大；比功率高；自放電小； 無記憶效應；循環特性好；可快速放電，且效率高；工作溫度范圍寬；無環境污染等，因此有望進入21世紀最好的動力電源行列。預計在2006～2012 年期間，當鋰離子電池進一步發展時，MH/Ni蓄電池的市場份額將縮小。鋰離子市場份額將會擴大。目前也已經有采用鋰離子蓄電池的電動自行車產品出售。
由于鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池是綠色蓄電池，不會因廢棄造成二次污染，容易被政府環保部門接受，并且有較好的出口前景，目前雖然價格比較貴，仍有較大降價空間，應該大力提倡。
關于電動車電池的問題解答
1、電池為什么在初次使用前要進行補充充電？
答：電池從出廠到使用，一般要經過1-2個月，甚至更長的時間，電池在存放期間由于電池內部的自放電等自發反應，消耗了一部分電量，達不到額定容量值，所以初次使用前，最好進行補充充電，以免顧客誤認為是容量不足。
2、電動車如果要存放較長時間應該怎樣對電池進行處理？
答：首先應將電池充足電存放，并且應該一個月內至少充一次電，防止虧電，能有效防止晶技生成造成不可逆鹽化和晶枝短路等。
3、電池充電前要不要先放完電？
答：鉛酸蓄電池不同于其它二次電池，它無記憶效應，所以，無論電池處于何種荷電狀態，都可直接進行充電，無須放電。
4、電池是勤充電好還是放完電再充電好？
答：由于放電越淺，其循環次數將大幅度增加。因此，按這一理論，勤充電對循環壽命是有益的，但就目前市場上大量流通使用的充電器來講，由于受價格因素及技術水平等影響，充電器存在故障率高，可靠性差，精度低等缺陷。因此，有時勤充電反而影響電池的使用壽命。將電池放空再充電，充電次數雖然減少，但放電時由于單體電池之間總會存在差異可能造成某些單格過放電，過放電池充電接受能力會大大降低，引起充電不足的故障，另外由于放完電再充電，充電器重負荷時間長，易損壞充電器。因此，綜合上述，我們認為蓄 電池放出電量的 50-70% 時進行一次充電是較合理的，對電池的使用有好處。
5、過充電和欠充電有什么害處？
答：過充電即蓄電池充電電流大于蓄電池可接受電流，多出部分即是過充電量，過充電主要是產生電解水的副反應，由于電池正極產生氧氣轉移到負極發生氧復合反應，會發生熱量，因此過充電量實際轉換成熱量使電池溫度升高，若不加以控制，會造成大量失水，嚴重者造成 “熱失控” 容量劇減，甚至變形等故障。欠充電通俗講就是未充飽電經常處于充電不足的情況下，極極就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛，它幾乎不溶解，即產生所謂的 “不可逆硫酸鹽化” ，使用普通的方法無法充進電，因此容量會一次一次地快速衰減。
6、過放電對電池有什么害處？
電池在放電過程中正極活性物質，負極活性物質均逐漸轉化成電阻很大PBSO4 ，并消耗電解液中的硫酸，內阻逐漸增大，因此過放電時，特別是以較大電流過放電會發出大量熱量，并且電池的硫酸量很少，過放電時硫酸濃度減得很低，PBSO4溶解度大幅度增加，因此容易在極板上形成一種粗大堅硬的PBSO4晶體，即 “不可逆硫酸鹽化” 大大地減弱電池的充電接受能力，危害特別大。
7、電動車電池什么情況下需進行維護充電，其充電參數怎樣，怎樣進行維護充電？
答：電動車電池遇下列情況之一時需要進行維護充電：（1）電池容量衰減減速太快；（2）出現落后電池； （3）電池失液后，重新補液；（4）電池長時間放置后；（5）電池出現嚴重過放電后；（6）電池長時間處于低溫環境工作等；（7）充電參數不合理長期欠充電；維護充電的充電參數怎樣定；一般采用恒壓限流充電或多階段恒流充電。充電前中期與車配充電器參數基本一致，只是充電后期將充電最高電壓提高到更高。即采用WD充電，進行深度充電修復已落后電池。維護充電也叫均衡充電。
8、電池初始容量大小與壽命有什么關系？
答：電池容量受活性物質和利用率影響。電動助力車蓄電池外形尺寸一定，極板的質量已被限制到一定的程度，只有提高活性物質的利用率，才能提高容量。要提高電池容量，必然增加孔率，提高PbO2含量、硫酸比重，但是這些措施都會加速正極板的軟化，造成電池壽命加速衰減，充放電過程中活性物質會產生膨脹、收縮（ 特別是正極板） ，放電深度越深，活性物質膨脹收縮量越大，更加速活性物質軟化。因此，初始容量偏大時直接影響蓄電池充放電次數。當然要滿足使用，要求初始容量不能太小，需要一種折中的選擇才能滿足需要，既保證延長壽命，又確保容量滿足使用要求。
9、電池電壓高容量就大嗎？
答：電池電壓與容量是兩個概念，電壓與電極材料和電解液濃度相關，電池的容量是活性物質經電化學反應產生電流而釋放出來的，它與各活性物質的量，反應條件及利用率，連接等有關，因此電壓高不能說容量就高，電壓低也不一定容量就低。
10、溫度對電池性能有什么影響？
答：電池的充電、放電時，在電池電極上發生電化學反應，溫度越高，電池各活性物質的活度增加，電解液粘度降低，電阻減小，因此電化學反應容易進行，反之則不容易進行。放電時溫度越低，放出容量越低，在特別低的溫度下，放出容量將大幅度下降，溫度高則相反；充電時溫度越低，充電接受能力越差，要求充電電壓較高，才能充足電。反之溫度越高，充電接受能力越好，易造成過充電，因此要求降低充電電壓，才不至于造成過充電。此溫度的變化，直接影響電池充電和放電性能。
11、電動車電池循環次數是一定的嗎？
答：循環次數，根據放電深度不同而差別很大，放電深度越深，循環次數越小，放電深度越淺，循環次數越多，有時是呈指數變化。
