第2章電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池

2.1概述2.2鉛酸蓄電池2.3鎳氫電池2.4鋰離子電池2.5燃料電池2.6太陽能電池2.7其它動(dòng)力電池2.1.1電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分類電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池可以分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類。1．化學(xué)電池化學(xué)電池是利用物質(zhì)的化學(xué)反響發(fā)電?；瘜W(xué)電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲(chǔ)藏電池?！?〕原電池原電池又稱一次電池，是指電池放電后不能用簡(jiǎn)單的充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，如鋅—二氧化錳干電池、鋰錳電池、鋅空氣電池、一次鋅銀電池等。2.1.1電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分類〔2〕蓄電池蓄電池又稱二次電池，是指電池在放電后可通過充電的方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，而這種充放電可以達(dá)數(shù)十次到上千次循環(huán)。如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等?！?〕燃料電池燃料電池又稱連續(xù)電池，是指參加反響的活性物質(zhì)從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池，電池就連續(xù)不斷地工作而提供電能。如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生型燃料電池等。2.1.1電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分類〔4〕儲(chǔ)藏電池儲(chǔ)藏電池是指電池正負(fù)極與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸，使用前注入電解液或者使用其它方法使電液與正負(fù)極接觸，此后電池進(jìn)入待放電狀態(tài)，如鎂電池、熱電池等?；瘜W(xué)電池按電解質(zhì)分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機(jī)電解質(zhì)電池、非水無機(jī)電解質(zhì)電池、固體電解質(zhì)電池等?；瘜W(xué)電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護(hù)電池、防爆電池等?；瘜W(xué)電池按正負(fù)極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘鎳氫系列、鉛酸系列、鋰電池系列等。2.1.1電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分類2．物理電池物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽能電池、超級(jí)電容器、飛輪電池等。3．生物電池生物電池是利用生物化學(xué)反響發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)

電池作為電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能動(dòng)力源，在電動(dòng)汽車上發(fā)揮著非常重要的作用，要評(píng)定電池的實(shí)際效應(yīng)，主要就是看電池的性能指標(biāo)。電池的性能指標(biāo)主要有電壓、容量、內(nèi)阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等，根據(jù)電池種類不同，其性能指標(biāo)也有差異。1．電壓電壓分為端電壓、開路電壓、額定電壓、放電電壓和終止電壓等?！?〕端電壓電池的端電壓是指電池正極與負(fù)極之間的電位差。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)〔2〕開路電壓電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓，即電池在沒有負(fù)載情況下的端電壓。電池的開路電壓等于電池正極的電極電勢(shì)與負(fù)極電極電勢(shì)之差?！?〕電動(dòng)勢(shì)電池的電動(dòng)勢(shì)等于組成電池的兩個(gè)電極的平衡電位之差?！?〕額定電壓額定電壓是電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時(shí)應(yīng)到達(dá)的電壓。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)〔5〕放電電壓電池的工作電壓是指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。〔6〕終止電壓終止電壓是指電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下放電時(shí)，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池再不宜繼續(xù)放電時(shí)，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。當(dāng)電池的電壓下降到終止電壓后，再繼續(xù)使用電池放電，化學(xué)“活性物質(zhì)〞會(huì)遭到破壞，減少電池壽命。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)2．容量電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池的容量。常用單位為安培小時(shí)〔Ah〕，它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。電池的容量可以分為理論容量、實(shí)際容量、標(biāo)稱容量和額定容量等?！?〕理論容量理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得到的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質(zhì)量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/l或Ah/kg。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)〔2〕實(shí)際容量實(shí)際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。〔3〕標(biāo)稱容量標(biāo)稱容量是用來鑒別電池的近似安時(shí)值。〔4〕額定容量額定容量也叫保證容量，是按國(guó)家或有關(guān)部門公布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電流在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)〔5〕荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)(SOC)是電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。反映電池容量的變化。SOC=1即表示電池充滿狀態(tài)。隨著電池的放電，電池的電荷逐漸減少，此時(shí)電池的充電狀態(tài)，可以用SOC的百分?jǐn)?shù)的相對(duì)量來表示電池中電荷的變化狀態(tài)。一般電池放電高效率區(qū)為50%~80%SOC。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)3．內(nèi)阻電流流過電池內(nèi)部受到的阻力，使電池電壓降低，此阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。4．能量電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，單位是W·h或kW·h。它影響電動(dòng)汽車的行駛距離。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)〔1〕理論能量理論能量是電池的理論容量與額定電壓的乘積，指一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量?！?〕實(shí)際能量實(shí)際能量是電池實(shí)際容量與平均工作電壓的乘積，表示在一定條件下電池所能輸出的能量?！?〕比能量比能量是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位是Wh/kg。常用比能量來比較不同的電池系統(tǒng)。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)比能量有理論比能量和實(shí)際比能量之分。理論比能量是指1kg電池反響物質(zhì)完全放電時(shí)理論上所能輸出的能量；實(shí)際比能量是指1kg電池反響物質(zhì)所能輸出的實(shí)際能量。由于各種因素的影響，電池的實(shí)際比能量遠(yuǎn)小于理論比能量。電池的比能量是綜合性指標(biāo)，它反映了電池的質(zhì)量水平。電池的比能量影響電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是否滿足預(yù)定的續(xù)駛里程的重要指標(biāo)?！?〕能量密度能量密度是指電池單位體積所能輸出的電能，單位是Wh/L。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)5．功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)所輸出能量的大小，單位為瓦〔W〕或千瓦〔kW〕。電池的功率決定了電動(dòng)汽車的加速性能和爬坡能力?！?〕比功率單位質(zhì)量電池所能輸出的功率稱為比功率，單位為W/kg或kW/kg?！?〕功率密度單位體積電池所能輸出的功率稱為功率密度，單位為W/l或kW/l。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)6．輸出效率動(dòng)力電池作為能量存儲(chǔ)器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，放電時(shí)把電能釋放出來。在這個(gè)可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中，有一定的能量損耗。通常用電池的容量效率和能量效率來表示。〔1〕容量效率容量效率是指電池放電時(shí)輸出的容量與充電時(shí)輸入的容量之比，即〔2-1〕式中，為電池的容量效率；為電池放電時(shí)輸出的容量；為電池充電時(shí)輸入的容量。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)〔2〕能量效率能量效率也稱電能效率，是指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比，即〔2-2〕

式中，為電池的能量效率；為電池放電時(shí)輸出的能量；為電池充電時(shí)輸入的能量。

2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)7．自放電率自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，即電池?zé)o負(fù)荷時(shí)自身放電使容量損失的速度。自放電率用單位時(shí)間容量降低的百分?jǐn)?shù)表示，其表達(dá)式為自放電率〔2-3〕式中，為電池存儲(chǔ)前的容量〔Ah〕；為電池存儲(chǔ)后的容量〔Ah〕；為電池存儲(chǔ)的時(shí)間，常用天、月計(jì)算。

2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)8．放電速率〔放電率〕放電速率一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比例來表示?！?〕時(shí)率〔時(shí)間率〕電池以某種電流強(qiáng)度放電，放完額定容量所經(jīng)過的放電時(shí)間。汽車用電池一般用20h率容量表示。〔2〕倍率〔電流率〕電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。2.1.2電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo)9．使用壽命使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)電池使用失效，這時(shí)電池的使用壽命終止。電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指電池可供使用的時(shí)間，包括電池的存放時(shí)間。使用周期是指電池可供重復(fù)使用的次數(shù)。除此之外，本錢也是一個(gè)重要的指標(biāo)。電動(dòng)汽車開展的瓶頸之一就是電池價(jià)格高。2.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求主要有：〔1〕比能量高為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，要求電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池盡可能儲(chǔ)存多的能量，但電動(dòng)汽車又不能太重，其安裝電池的空間也有限，這就要求電池具有高的比能量；〔2〕比功率大為了能使電動(dòng)汽車在加速行駛、爬坡能力和負(fù)載行駛等方面能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，就要求電池具有高的比功率；2.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求〔3〕充放電效率高電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電—放電—充電的循環(huán)，高的充放電效率對(duì)保證整車效率具有至關(guān)重要的作用；〔4〕相對(duì)穩(wěn)定性好電池應(yīng)當(dāng)在快速充放電和充放電過程變工況的條件下保持性能的相對(duì)穩(wěn)定，使其在動(dòng)力系統(tǒng)使用條件下能到達(dá)足夠的充放電循環(huán)次數(shù)；〔5〕使用本錢低除了降低電池的初始購置本錢外，還要提高電池的使用壽命以延長(zhǎng)其更換周期；〔6〕平安性好

2.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求1991年，美國(guó)先進(jìn)電池開發(fā)聯(lián)合體〔USABC〕對(duì)電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池制定的開發(fā)目標(biāo)，見表2-1。2.2.1鉛酸蓄電池的開展動(dòng)態(tài)鉛酸蓄電池自1859年創(chuàng)造以來，其使用和開展已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)力源。電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，它的主要開展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用壽命。作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的鉛酸蓄電池在比能量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面不能很好滿足電動(dòng)汽車的要求，為了解決電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池的這三大技術(shù)難題，國(guó)際鉛鋅組織〔ILZO〕于1992年聯(lián)合62家世界著名鉛酸蓄電池廠家成立了先進(jìn)鉛酸蓄電池研制聯(lián)盟〔ALABC〕，共同研制電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池。ALABC開發(fā)的鉛酸蓄電池各項(xiàng)性能均取得了明顯的提高。2.2.1鉛酸蓄電池的開展動(dòng)態(tài)日本GS公司生產(chǎn)的SER60電池比能量為34Wh/kg，能量密度為91Wh/L，比功率為300W/kg〔50%DOD〕；日本松下公司生產(chǎn)的動(dòng)力型鉛酸蓄電池循環(huán)壽命已突破1000次〔80%DOD〕；湯淺公司的動(dòng)力型密封鉛酸蓄電池比能量已超過40Wh/kg。美國(guó)BPC公司和Trojon公司開發(fā)的雙極性密封鉛蓄電池，正負(fù)極位于同一片導(dǎo)體的兩側(cè)面，用吸液式纖維隔板貯存電解液組成密封電池。其額定電壓為180V，容量為60Ah，比能量≥50Wh/kg，峰值比功率>700W/kg，循環(huán)壽命≥1000次，預(yù)計(jì)使用壽命10年。2.2.1鉛酸蓄電池的開展動(dòng)態(tài)國(guó)內(nèi)研制開發(fā)的電動(dòng)汽車用水平極板鉛酸蓄電池已經(jīng)到達(dá)了以下性能指標(biāo)：3h率比能量45Wh/kg，10min持續(xù)比功率80W/kg，快速充電性能4~5h100%充電,15~20min70%充電，80%DOD壽命600次。鉛酸蓄電池作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源在比能量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面均比鎳氫電池、鋰離子電池差，不適合于電動(dòng)轎車。但由于其價(jià)格低廉，國(guó)內(nèi)外將它的應(yīng)用定位在速度不高、路線固定、充電站設(shè)立容易規(guī)劃的車輛。2.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)1．鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池分為免維護(hù)鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池?！?〕免維護(hù)鉛酸蓄電池免維護(hù)鉛酸蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)根本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。2.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)市場(chǎng)上的免維護(hù)鉛酸蓄電池也有兩種：〔1〕在購置時(shí)一次性加電解液以后使用中不需要添加補(bǔ)充液；〔2〕電池本身出廠時(shí)就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶根本就不能加補(bǔ)充液。2.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)〔2〕閥控密封式鉛酸蓄電池閥控密封式鉛酸蓄電池在使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)漏酸，也不會(huì)排酸霧，電池蓋子上設(shè)有溢氣閥〔也叫平安閥〕，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí)，溢氣閥自動(dòng)翻開，排出氣體，然后自動(dòng)關(guān)閉，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。2.2.2鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu)閥控密封式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL〔膠體〕電池兩種：〔1〕AGM采用吸附式玻璃纖維棉〔AbsorbedGlassMat〕作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，電池內(nèi)無流動(dòng)的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作；〔2〕膠體〔GEL〕SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)，一般立放工作。無特殊說明，皆指AGM電池。電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池一般是閥控密封式鉛酸蓄電池。2．鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池由正負(fù)極板、隔板、電解液、溢氣閥、外殼等局部組成。極板是鉛酸蓄電池的核心部件，正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛。隔板是隔離正、負(fù)極板，防止短路；作為電解液的載體，能夠吸收大量的電解液，起動(dòng)促進(jìn)離子良好擴(kuò)散的作用；它還是正極板產(chǎn)生的氧氣到達(dá)負(fù)極板的“通道〞，以順利建立氧循環(huán)，減少水的損失。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成，主要作用是參與電化學(xué)反響，是鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)之一。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學(xué)反響，正、負(fù)極板間會(huì)產(chǎn)生約為2.1V的電動(dòng)勢(shì)。

溢氣閥位于電池頂部，起動(dòng)平安、密封、防爆等作用。2．鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)圖2.1鉛酸蓄電池的根本結(jié)構(gòu)2.2.3鉛酸蓄電池的特點(diǎn)

1．鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)〔1〕除鋰離子電池外，在常用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，為2.0V；〔2〕價(jià)格低廉；〔3〕可制成小至lAh大至幾千Ah的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；〔4〕高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動(dòng)；〔5〕上下溫性能良好，可在-40~60℃條件下工作；〔6〕電能效率高達(dá)60%；〔7〕易于浮充使用，沒有“記憶〞效應(yīng)；〔8〕易于識(shí)別荷電狀態(tài)。2.2.3鉛酸蓄電池的特點(diǎn)2．鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)〔1〕比能量低，在電動(dòng)汽車中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電行駛里程短；〔2〕使用壽命短，使用本錢高；〔3〕充電時(shí)間長(zhǎng)；〔4〕鉛是重金屬，存在污染。2.2.4鉛酸蓄電池的工作原理

鉛酸蓄電池使用時(shí)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程叫放電。在使用后，借助于直流電在電池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反響，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而儲(chǔ)蓄起來，這種蓄電過程叫做充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反響式為充電時(shí)，把鉛板分別和直流電源的正、負(fù)極相連，進(jìn)行充電電解，陰極的復(fù)原反響為

2.2.4鉛酸蓄電池的工作原理陽極的氧化反響為充電時(shí)的總反響為隨著電流的通過，在陰極上變成蓬松的金屬鉛，在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有生成，如圖2.2所示。2.2.4鉛酸蓄電池的工作原理HSO4-HSO4-3H+2H2O圖2.2鉛酸蓄電池放電示意圖-e+ePbSO4PbPbO2直流電源安培計(jì)圖2.2鉛酸蓄電池放電示意圖2.2.4鉛酸蓄電池的工作原理放電時(shí)蓄電池陰極的氧化反響為由于硫酸的存在，立即生成難溶解的。陽極的復(fù)原反響為同樣，由于硫酸的存在，也立即生成。放電時(shí)總的反響為2.2.4鉛酸蓄電池的工作原理蓄電池充電的時(shí)候，隨著電池端電壓的升高，水開始被電解，當(dāng)電池電壓到達(dá)約2.39V/單體時(shí)，水的電解不可無視。水電解時(shí)陽極和陰極的化學(xué)反響式為陽極給出電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流。端電壓越高，電解水也越劇烈，此時(shí)充入的大局部電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少。2.2.5鉛酸蓄電池的充放電特性圖2.3鉛酸蓄電池的放電曲線1．鉛酸蓄電池的放電特性在鉛酸蓄電池不放電的情況下，蓄電池中的活性物質(zhì)微孔中的電解液H2SO4的密度與極板外的電解液密度相同。鉛酸蓄電池開始放電，活性物質(zhì)外表的電解液密度立即下降，而極板外的電解液是緩慢地向活性物質(zhì)外表擴(kuò)散，不能立即補(bǔ)償活性物質(zhì)外表電解液的密度，隨著放電過程的進(jìn)行，活性物質(zhì)外表的電解液密度繼續(xù)下降，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池的端電壓下降，如圖2.3中AB段。

1．鉛酸蓄電池的放電特性

蓄電池繼續(xù)放電，在活性物質(zhì)外表的電解液濃度下降的同時(shí)，極板外的電解液向活性物質(zhì)外表擴(kuò)散，補(bǔ)充了活性物質(zhì)外表的電解液的濃度并保持了一定的濃度，活性物質(zhì)外表的電解液的濃度變化緩慢，使蓄電池的端電壓也隨即保持穩(wěn)定。如圖2.3中BC段。蓄電池繼續(xù)放電，極板外的電解液的整體濃度也逐漸降低，在活性物質(zhì)外表的電解液的濃度也隨之降低。又由于電解液和活性物質(zhì)被消耗，其作用面積也不斷地減小，結(jié)果是蓄電池的端電壓也隨著下降，如圖2.3中CD段。

1．鉛酸蓄電池的放電特性

在放電末尾階段，正、負(fù)電極上的活性物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻bSO4，PbSO4的生成使活性物質(zhì)孔隙率降低，使活性物質(zhì)與H2SO4的接觸更加困難，并且由于PbSO4使不良導(dǎo)體蓄電池的內(nèi)阻增加，當(dāng)蓄電池的端電壓到達(dá)D點(diǎn)后，蓄電池的端電壓急劇下降，到達(dá)所規(guī)定的終止電壓。蓄電池的放電與放電電流有密切關(guān)系，大電流放電時(shí)，蓄電池的電壓下降明顯，平緩局部縮短，曲線的斜率也很大，放電時(shí)間縮短；隨著放電電流的減小，蓄電池的電壓呈下降趨緩，曲線也較平緩，放電時(shí)間延長(zhǎng)。這種放電特性對(duì)蓄電池的正確使用有重要的意義。2．鉛酸蓄電池的充電特性圖2.4鉛酸蓄電池的充電曲線2．鉛酸蓄電池的充電特性在蓄電池充電開始后，首先活性物質(zhì)外表的PbSO4轉(zhuǎn)換為Pb，并在活性物質(zhì)外表附近生成H2SO4，蓄電池的端電壓迅速地上升，如圖2.4中的AB段。當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)以后，活性物質(zhì)外表和微孔內(nèi)的H2SO4濃度平緩地增加，蓄電池的端電壓上升也比較緩慢，如圖2.4中的BC段。隨著充電過程繼續(xù)進(jìn)行，到達(dá)充電量90%左右，反響的極化增加，蓄電池的端電壓明顯地再次上升，如圖2.4中的CD段，這時(shí)蓄電池的端電壓到達(dá)D點(diǎn)，蓄電池的兩極開始大量析出氣體。超過D點(diǎn)以后進(jìn)行的電解過程，蓄電池的端電壓又到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定值。2．鉛酸蓄電池的充電特性蓄電池充電還受到充電電流條件的影響，充電電流愈大，活性物質(zhì)的反響愈快，反響生成的H2SO4速度快，濃度增加快，蓄電池的端電壓上升愈快。一般來說用較大的電流來充電時(shí)，固然可以加快充電過程，但能量的損失也大，在充電終期大局部的電能用于產(chǎn)生熱量和分解水。另外，用較大的電流來充電時(shí)在電極上的電流的分布也愈加不均勻，電流分布多的局部活性物質(zhì)的反響愈快，電流分布少的局部活性物質(zhì)不能充分轉(zhuǎn)化。所以，在蓄電池充電的后期應(yīng)減少充電電流。另外，蓄電池充電時(shí)蓄電池端電壓的變化，是隨充電時(shí)電流強(qiáng)度變化而變化，電流強(qiáng)度大，蓄電池端電壓也高，電流強(qiáng)度小，蓄電池端電壓也較低。2.3.6鉛酸蓄電池的充電方法蓄電池的充電可以分為常規(guī)充電和快速充電二種。1．蓄電池常規(guī)充電方法蓄電池的常規(guī)充電方法主要有恒流充電法、分段電流充電法、恒壓充電法、恒壓限流充電法等?！?〕恒流充電法恒流充電法是通過調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方式使充電電流強(qiáng)度保持不變的充電方法。恒流充電法能使蓄電池充電比較徹底，但需經(jīng)常調(diào)節(jié)充電電壓，且充電時(shí)間較長(zhǎng)。

1．蓄電池常規(guī)充電方法

圖2.5恒流充電曲線1．蓄電池常規(guī)充電方法

〔2〕分段電流充電法在充電過程中，為更有效地利用電能而用逐漸減小電流的方法?？紤]到電池具體情況，一般分為數(shù)段進(jìn)行充電。如二階段充電法和三階段充電法。1〕二階段充電法二階段法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖2.6所示。首先，以恒電流充電至預(yù)定的電壓值，然后，改為恒電壓完成剩余的充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段的恒電壓。1．蓄電池常規(guī)充電方法圖2.6二階段法充電曲線1．蓄電池常規(guī)充電方法2〕三階段充電法三階段充電法在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制?！?〕恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。與恒流充電法相比，其充電過程更接近于最正確充電曲線。用恒定電壓快速充電，如圖2.7所示。由于充電初期蓄電池電動(dòng)勢(shì)較低，充電電流很大，隨著充電的進(jìn)行，電流將逐漸減少，因此，只需簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)。1．蓄電池常規(guī)充電方法圖2.7恒壓充電法曲線1．蓄電池常規(guī)充電方法〔4〕恒壓限流充電法為了克服恒壓充電法中初期電流過大，而使充電設(shè)備不能承受的缺點(diǎn)，常采用恒壓限流充電法來代替恒壓充電法。在充電第一階段，用恒定的電流充電；在電池電壓到達(dá)一定電壓后，維持此電壓恒定不變，轉(zhuǎn)為第二階段的恒壓充電過程，當(dāng)充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約一小時(shí)即可停止充電。2．蓄電池快速充電法〔1〕蓄電池快速充電的原理快速充電要想方設(shè)法加快電池的化學(xué)反響速度(提高充電電壓或電流等)，使之充電速度得到最大的提高；快速充電又要保證負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能的消除電池的極化現(xiàn)象。這一原理也說明，蓄電池的快速充電的速度是有上限的，不可能無限制的提高蓄電池的充電速度。2．蓄電池快速充電法要想提高蓄電池的化學(xué)反響速度，有兩種方式：一是改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu)以降低歐姆內(nèi)阻和提高反響離子的擴(kuò)散速度；二是改進(jìn)蓄電池的充電方法，允許加大充電電流，縮短充電時(shí)間。下面介紹幾種快速充電方法。2．蓄電池快速充電法1〕脈沖式充電法脈沖充電法首先是用脈沖電流對(duì)電池充電，然后停充一段時(shí)間，如此循環(huán)，如圖2.8所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反響產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反響時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。2．蓄電池快速充電法圖2.8脈沖式充電曲線

2．蓄電池快速充電法2〕變電流間歇充電法變電流間歇充電法是建立在恒流充電和脈沖充電的根底上，如圖2.9所示。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大局部充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。通過間歇停充，使蓄電池經(jīng)化學(xué)反響產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。2．蓄電池快速充電法圖2.9變電流間歇充電曲線2．蓄電池快速充電法3〕變電壓間歇充電法變電壓間歇充電法如圖2.10所示。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。比較圖2.9和圖2.10可以看出，圖2.10更加符合最正確充電的充電曲線。在每個(gè)恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)。2．蓄電池快速充電法圖2.10變電壓間歇充電曲線2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)電池剩余容量的多少一般用電池荷電狀態(tài)〔SOC〕來描述。電池荷電狀態(tài)是無量綱的量，既可以反映電池剩余的電量，也可以反映電池消耗的電量。電池荷電狀態(tài)估算是電池管理系統(tǒng)的核心局部，也是電池管理技術(shù)的難點(diǎn)之一。電動(dòng)汽車蓄電池在使用過程中表現(xiàn)為高度非線性，這使得準(zhǔn)確估算電池荷電狀態(tài)具有很大難度。目前國(guó)內(nèi)外蓄電池常用的荷電狀態(tài)估計(jì)的方法主要有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)計(jì)量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法等。2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)1．放電實(shí)驗(yàn)法放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的電池SOC估計(jì)方法，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時(shí)間的乘積即為剩余電量。放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用，適用于所有電池，但它也存在缺點(diǎn)：一花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，二要必須中斷蓄電池正在進(jìn)行的工作。放電實(shí)驗(yàn)法不適合行駛中的電動(dòng)汽車，但可以用于電動(dòng)汽車電池的檢修。2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)2．安時(shí)計(jì)量法安時(shí)〔A.h〕計(jì)量法是目前最常用的電池SOC估計(jì)方法。假設(shè)放電〔或充電〕起始狀態(tài)為SOC0，那么當(dāng)前狀態(tài)〔tk時(shí)刻〕的SOC表示為〔2-4〕式中，為額定容量；為電池電流；為充放電效率。

2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)3．開路電壓法電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動(dòng)勢(shì)。鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)是電解液濃度的函數(shù)，電解液密度隨電池放電成比例降低，用開路電壓可估計(jì)蓄電池SOC。該方法只適用于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)。在充電初期和末期用開路電壓法估計(jì)電池SOC效果好，一般常與安時(shí)計(jì)量法結(jié)合使用。

2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)4．負(fù)載電壓法電池放電開始瞬間，電壓迅速從開路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在電池負(fù)載電流保持不變時(shí)，負(fù)載電壓隨電池SOC變化的規(guī)律與開路電壓隨電池SOC的變化規(guī)律相似。負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實(shí)車上，但常用來作為電池充放電截止的判據(jù)。2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)5．電化學(xué)阻抗頻譜法電化學(xué)阻抗表示電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，通常是一個(gè)復(fù)數(shù)變量。測(cè)量電池阻抗有恒流和恒壓兩種模式。在恒流模式下，當(dāng)電池以電流I放電或充電時(shí)，將頻譜為f的正弦電流△i疊加在I上，得到電壓響應(yīng)△v，電池阻抗定義為〔2-5〕2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)電化學(xué)阻抗頻譜是用來估計(jì)電池SOC的有效工具，用實(shí)部與虛部表示電化學(xué)阻抗頻譜得到乃奎斯特圖；用幅值與相角表示電化學(xué)阻抗頻譜得到伯德圖。不同的電池SOC，電池的乃奎斯特圖和伯德圖中各曲線的差異具有一定的規(guī)律性，這成為估計(jì)電池SOC的依據(jù)。

2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)6．內(nèi)阻法電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻〔常稱為交流阻抗〕和直流內(nèi)阻之分，它們都與SOC有密切關(guān)系。電池交流阻抗為電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，是一個(gè)復(fù)數(shù)變量，表示電池對(duì)交流電的對(duì)抗能力，用交流阻抗儀來測(cè)量。直流內(nèi)阻表示電池對(duì)直流電的對(duì)抗能力，等于在同一很短的時(shí)間段內(nèi)，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實(shí)際測(cè)量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流充電或放電，相同時(shí)間里負(fù)載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。鉛酸蓄電池在放電后期，直流內(nèi)阻明顯增大，可用來估計(jì)電池的SOC。2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)7．線性模型法線性模型法是基于電流、電壓、SOC變化量和上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的SOC值間的關(guān)系建立的線性方程，方程具體表達(dá)式為〔2-6〕式中，為當(dāng)前時(shí)刻的SOC值；為SOC的變化量；、分別為當(dāng)前時(shí)刻的電壓與電流。~為利用參考數(shù)據(jù)，可通過最小二乘法得到其值，無物理意義。2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)8．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法電池是高度非線性的系統(tǒng)，對(duì)其充放電過程很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性的根本特性，并具有并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力，對(duì)于外部鼓勵(lì)，能給出相應(yīng)的輸出，所以能夠模擬電池的動(dòng)態(tài)特性來估算電池SOC。估計(jì)電池SOC常采用三層典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即輸入層、中間層和輸出層。輸入、輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際問題的需要來確定，一般為線性函數(shù)，常用電壓、電流、累積放出電量、溫度、內(nèi)阻及環(huán)境溫度等作為輸入變量；中間層神經(jīng)元個(gè)數(shù)取決于問題的復(fù)雜程度及分析精度。2.3.7鉛酸蓄電池SOC估計(jì)9．卡爾曼濾波法利用卡爾曼濾波方法估算電池SOC的研究是在近幾年才開始的，卡爾曼濾波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是用狀態(tài)空間的概念來描述其數(shù)學(xué)公式?？柭鼮V波另一個(gè)新穎特點(diǎn)是它的解是遞歸計(jì)算的，而且可不加修改地應(yīng)用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)環(huán)境。

2.3鎳氫電池鎳氫電池的開展動(dòng)態(tài)鎳氫電池是90年代開展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由貯氫合金制成，是一種堿性蓄電池。鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染，被譽(yù)為“綠色電源〞。松下EV電池公司早在1997年就開始生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車用的圓型6.5Ah的鎳氫電池組，其質(zhì)量比功率600W/kg。鎳氫電池的開展動(dòng)態(tài)三洋電機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的圓柱型5.5Ah的鎳氫電池組，質(zhì)量比功率1000W/kg。2001年為Escape配備，后來為本田Accord采用。美國(guó)的Cobasys公司的電池技術(shù)源于世界著名的鎳氫電池研究單位Ovonic公司。該公司開發(fā)了容量為12～60Ah的一系列高功率鎳氫電池。質(zhì)量比功率到達(dá)550~600W/kg，體積比功率到達(dá)1200～1400W/l，峰值比功率可達(dá)1000W/kg，比能量在50~70Wh/kg，使用溫度在60℃時(shí)能量效率仍保持在80~90%，充電功率也超過500W/kg。鎳氫電池的開展動(dòng)態(tài)德國(guó)Varta公司開發(fā)的超高功率鎳氫電池〔HEV-10UHPcells〕功率密度已到達(dá)1000W/kg，但其比能量?jī)H為40Wh/kg。法國(guó)Saft公司的4/5SF型〔Φ41mm×93mm〕高功率鎳氫電池容量為14Ah，比能量為47Wh/kg，80%充電態(tài)對(duì)應(yīng)的比功率為900W/kg，體積比功率達(dá)2500W/l。鎳氫電池的開展動(dòng)態(tài)我國(guó)鎳氫電池的技術(shù)正日趨成熟。在動(dòng)力鎳氫電池方面，我國(guó)也有很多單位一直從事混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池的研究，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所長(zhǎng)期從事鎳氫電池及相關(guān)材料的研究和開發(fā)，北京有色總院、中山電池公司、湖南神舟科技、春蘭集團(tuán)、鞍山三普等單位均從不同角度做過大量積極有益的工作，取得了很大的進(jìn)展。

2.3.2鎳氫電池的分類與結(jié)構(gòu)

1．鎳氫電池的分類按照外形，鎳氫電池可以分為〔1〕方形鎳氫電池；〔2〕圓形鎳氫電池。2．鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液等組成。鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極是儲(chǔ)氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反響。2.3.3鎳氫電池的特點(diǎn)

鎳氫電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)異特性。與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池具有比能量高、重量輕、體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)：〔1〕比功率高〔2〕循環(huán)次數(shù)多〔3〕無污染〔4〕耐過充過放〔5〕無記憶效應(yīng)〔6〕使用溫度范圍寬〔7〕短路、擠壓、針刺、平安閥工作能力、跌落、加熱、耐振動(dòng)等平安性、可靠性試驗(yàn)無爆炸、燃燒現(xiàn)象2.3.4鎳氫電池的工作原理鎳氫電池是將物質(zhì)的化學(xué)反響產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲(chǔ)氫合金負(fù)電極以及堿性電解液(比方30%的氫氧化鉀溶液)組成。密封一次鎳氫電池的性能特點(diǎn)主要取決于本身體系的電極反響。充電時(shí)正、負(fù)極的電化學(xué)反響為放電時(shí)正、負(fù)極的電化學(xué)反響為2.3.5鎳氫電池的充放電特性鎳氫電池的充放電特性可以通過對(duì)電池進(jìn)行不同倍率的充放電實(shí)驗(yàn)獲得。通常電池在一定電流下進(jìn)行充電和放電時(shí)都是使用曲線來表示電池的端電壓和溫度隨時(shí)間的變化，把這些曲線稱為電池的特性曲線。一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示，即充放電倍率=充放電電流/額定容量。例如，額定容量為100Ah的電池用20A放電池時(shí)，其放電倍率為0.2C。

1．鎳氫電池的充電特性

在充電起始階段，電池端電壓迅速上升，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，電池電壓上升減緩，電池的容量與電池的端電壓有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2.12所示。圖2.12電池常溫5C充電曲線曲線1—5C充電8.4Ah；曲線2—常溫0.5C放電至1.0V1．鎳氫電池的充電特性

電池在高溫情況下充電，雖然充電時(shí)間較長(zhǎng)，但充電效率下降，導(dǎo)致放電容量減少，如圖2.13所示。

圖2.13電池高溫(45℃)充電曲線曲線1—高溫〔45℃〕1C充電9.24Ah；曲線2—常溫0.5C放電至1.0V2．鎳氫電池的放電特性

隨著放電的進(jìn)行，總的趨勢(shì)是隨著放電時(shí)間的延續(xù)電池的端電壓不斷下降。放電電流越大電池所能放出的安時(shí)量越小，電池的端電壓越低，如圖2.14所示。圖2.14電池常溫下不同倍率放電曲線2．鎳氫電池的放電特性

在相應(yīng)電流下，溫度隨充電放電過程的變化情況，同時(shí)也可以根據(jù)充放電電流的大小和時(shí)間計(jì)算出充放電容量。雖然常溫下延長(zhǎng)了充電時(shí)間，但在低溫情況下，電池放電容量將會(huì)下降，如圖2.15所示。

圖2.15電池低溫(-18℃)放電曲線曲線1—常溫0.5C充電9.24Ah；曲線2—低溫(-18℃)1C放電至0.9V2.3.6鎳氫電池SOC估計(jì)鎳氫電池SOC估計(jì)方法很多，鉛酸蓄電池SOC的估計(jì)方法有些也適合鎳氫電池。這里介紹的鎳氫電池SOC估計(jì)方法的結(jié)構(gòu)如圖2.16所示。由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電池的外特性參數(shù)對(duì)電池的SOC值進(jìn)行預(yù)估，再用卡爾曼濾波遞推算法對(duì)SOC進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)以提高精度。2.3.6鎳氫電池SOC估計(jì)圖2.16電池SOC的估計(jì)模型

1．電池SOC估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用三層徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層只是傳遞輸入信號(hào)到隱層，隱層采用高斯核函數(shù)，輸出層采用的是純線性函數(shù)。確定電池端電壓V、電池溫度、電池放電或充電的安培秒為三個(gè)輸入變量，輸出變量為電池的SOC值。這樣通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)估得到的SOC為

(2-7)式中為輸入向量

；為隱層節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的權(quán)重；分別為高斯函數(shù)的中心值和標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù)。2.卡爾曼濾波器的信號(hào)模型與輸出方程確實(shí)定由SOC的定義可知

(2-8)

(2-9)

(2-10)

聯(lián)立上述三個(gè)方程可得電池放電時(shí)荷電狀態(tài)的信號(hào)方程為

(2-11)

2.卡爾曼濾波器的信號(hào)模型與輸出方程確實(shí)定令在等式兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得(2-12)令并考慮系統(tǒng)噪聲，即由于模型的不確定性而產(chǎn)生的模型噪聲，得系統(tǒng)方程為(2-13)輸出方程為(2-14)式中，為系統(tǒng)噪聲；為測(cè)量噪聲。

2.卡爾曼濾波器的信號(hào)模型與輸出方程確實(shí)定對(duì)以上兩個(gè)方程進(jìn)行采用零階保持采樣離散化得(2-15)

(2-16)式中，現(xiàn)假定與是均值為零、互不相關(guān)的高斯白噪聲。2.卡爾曼濾波器的信號(hào)模型與輸出方程確實(shí)定

其中和可以在實(shí)驗(yàn)中獲得，這樣就可以根據(jù)控制信號(hào)和測(cè)量輸出估計(jì)狀態(tài)變量，即電池的SOC值。

2.4鋰離子電池

2.4.1鋰離子電池的開展動(dòng)態(tài)鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池，是目前世界最新一代的充電電池。與其它蓄電池比較，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和平安可靠等優(yōu)點(diǎn)，它已成為未來電動(dòng)汽車較為理想的動(dòng)力電源。隨著本錢的急劇降低和性能的大幅度提高，已有許多汽車生產(chǎn)廠家開始投入使用鋰離子電池。全球主要國(guó)家已有20余家企業(yè)進(jìn)行鋰離子電池研發(fā)。如富士重工、NEC、東芝、JohnsonControls、DegussaAG/Enax、Sanyo電機(jī)、PanasonicEVEnergy等。

2.4.1鋰離子電池的開展動(dòng)態(tài)

2006年1月，江森控制在全球開始研發(fā)和制造用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的鋰離子電池，江森控制將會(huì)成為混合動(dòng)力汽車的蓄電池的主要供給商，它將為奔馳S400混合動(dòng)力汽車提供蓄電池。三洋電機(jī)2023年5月28日宣布，向德國(guó)群眾集團(tuán)供給混合動(dòng)力汽車用鋰離子充電電池系統(tǒng)。該公司將進(jìn)一步推動(dòng)插電式混合動(dòng)力汽車用鋰離子充電電池的開發(fā)，力爭(zhēng)從2023年起實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。我國(guó)在鋰離子電池方面的研究水平，有多項(xiàng)指標(biāo)超過了USABC提出的長(zhǎng)期目標(biāo)所規(guī)定的指標(biāo)，目前已經(jīng)把鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的重要開展目標(biāo)。2.4.2鋰離子電池的分類與構(gòu)造1．鋰離子電池的分類按照鋰離子電池外形形狀，可以分為〔1〕方形鋰離子電池；〔2〕圓柱形鋰離子電池。按照鋰離子電池正極的材料不同，汽車用鋰離子電池主要分為〔1〕錳酸鋰離子電池；〔2〕磷酸鐵鋰離子電池；〔3〕鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。2．鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔板、電解液和平安閥等組成。圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖2.17所示。圖2.17圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖1—絕緣體；2—墊圈；3—PTC元件；4—正極端子；5—排氣孔；6—防爆閥；7—正極；8—隔板；9—負(fù)極；10—負(fù)極引線；11—正極；12—外殼2．鋰離子電池的結(jié)構(gòu)〔1〕正極正極物質(zhì)在錳酸鋰離子電池中以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵鋰離子電池中以磷酸鐵鋰為主要原料，在鎳鈷鋰離子電池中以鎳鈷鋰為主要材料，在鎳鈷錳鋰離子電池中以鎳鈷錳鋰為主要材料?！?〕負(fù)極負(fù)極活性物質(zhì)是由碳材料與粘合劑的混合物再加上有機(jī)溶劑調(diào)合制成糊狀，并涂覆在銅基上，呈薄層狀分布?！?〕隔板隔板的功能是關(guān)閉或阻斷通道的作用，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。2．鋰離子電池的結(jié)構(gòu)〔4〕電解液電解液是以混合溶劑為主體的有機(jī)電解液?！?〕平安閥為了保證鋰離子電池的使用平安性，一般通過對(duì)外部電路的控制或者在蓄電池內(nèi)部設(shè)有異常電流切斷的平安裝置。2．鋰離子電池的結(jié)構(gòu)圖2.18是我國(guó)自主開發(fā)的電動(dòng)汽車用鋰離子電池。圖2.18我國(guó)自主開發(fā)的電動(dòng)汽車用鋰離子電池2.4.3鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池有許多顯著特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：〔1〕工作電壓高〔2〕比能量高〔3〕循環(huán)壽命長(zhǎng)〔4〕自放電率低〔5〕無記憶性〔6〕對(duì)環(huán)境無污染〔7〕能夠制造成任意形狀2.4.3鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池也有一些缺乏，主要表現(xiàn)在：〔1〕本錢高：主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高，但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來計(jì)算，已經(jīng)低于鎳氫電池，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池；〔2〕必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充。2.4.4鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池正極材料采用鋰化合物L(fēng)iCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)ixC6，電解液為有機(jī)溶液。典型的電池體系為：圖2.19所示為鋰離子電池的工作原理，電池在充電時(shí)，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個(gè)充放電過程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。2.4.4鋰離子電池的工作原理以LiCoO2為正極材料，石墨為負(fù)極材料的鋰離子電池，正、負(fù)極的電化學(xué)反響為總反響為2.4.4鋰離子電池的工作原理圖2.19鋰離子電池工作原理圖2.4.5鋰離子電池的充放電特性充電電流方面，鋰電池的充電率〔充電電流〕應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可達(dá)2C，但常用的充電率為0.5~1C。放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在2~3C左右。鋰電池的充電溫度一般應(yīng)該被限制在0℃~60℃范圍。電池溫度過高會(huì)損壞電池并可能引起爆炸；溫度過低雖不會(huì)造成平安方面的問題，但很難將電池充滿。由于充電過程中，電池內(nèi)部將有一局部熱能產(chǎn)生，因此在大電流充電時(shí)，需要對(duì)電池進(jìn)行溫度檢測(cè)，并且在超過設(shè)定充電溫度時(shí)停止充電以保證平安。2.4.6鋰離子電池的充電方法鋰離子電池可以采用不同的充電方法，其中最簡(jiǎn)單的充電方法是恒壓充電。采用恒壓充電時(shí)，電池電壓保持不變，而充電電流將逐漸降低。當(dāng)充電電流降到低于0.1C時(shí)，就認(rèn)為電池被充分充電了。為了防止有缺陷的電池?zé)o休止地進(jìn)行充電，采用一個(gè)備用定時(shí)器來終止充電周期。兼顧充電過程的平安性、快速性和電池使用的高效性，鋰離子電池通常都采用恒流恒壓充電方法，其充電過程可分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電三個(gè)階段。如圖2.20所示。2.4.6鋰離子電池的充電方法圖2.20鋰離子電池充電特性曲線

2.4.6鋰離子電池的充電方法1．預(yù)充電階在該狀態(tài)下，首先檢測(cè)單節(jié)鋰離子電池電壓是否較低〔<3.0V〕)，如果是那么采用涓流充電，即一個(gè)比較小的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電直至電池電壓上升到一個(gè)平安值。否那么可省略該階段，這也是最普遍的情況。因?yàn)轭A(yù)充電主要是完成對(duì)過放的鋰電池進(jìn)行修復(fù)。2．恒流充電涓流充電后，充電器轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)。該狀態(tài)下，充電電流保持不變的較大的值，電池的最大充電電流決定于電池的容量。2.4.6鋰離子電池的充電方法在恒流充電和預(yù)充電狀態(tài)下，通過連續(xù)監(jiān)控電池的電壓和溫度，可以采用以下兩種恒流充電終止法，終止恒流充電?！?〕電池最高電壓終止法：當(dāng)單節(jié)鋰電池電壓到達(dá)4.2V，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止；〔2〕電池最高溫度終止法：在恒流充電過程中，當(dāng)電池的溫度到達(dá)60℃時(shí)，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止。2.4.6鋰離子電池的充電方法3．恒壓充電階段恒流充電結(jié)束后，那么轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓保持恒定。因?yàn)殇囯x子電池對(duì)充電電壓精度的要求比較高，單節(jié)電池恒壓充電電壓應(yīng)在規(guī)定值的±1%之間變化，因此要嚴(yán)格控制鋰離子電池的充電電壓。在恒壓充電過程中，充電器連續(xù)監(jiān)控電池的電壓、溫度、充電電流和充電時(shí)間。2.4.6鋰離子電池的充電方法常用的恒壓充電終止方法有以下四種方法：〔1〕電池最高電壓：當(dāng)單節(jié)鋰離子電池的電壓到達(dá)4.25V時(shí)，恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止；〔2〕電池最高溫度：當(dāng)鋰離子電池的最高溫度到達(dá)60℃時(shí)，恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止；〔3〕最長(zhǎng)充電時(shí)間：為了確保鋰離子電池平安充電，除了設(shè)定最高電壓和最高溫度外，還應(yīng)設(shè)置最長(zhǎng)恒壓充電時(shí)間，在溫度和電壓檢測(cè)失敗的情況下，可以保證鋰電池平安充電；〔4〕最小充電電流：在恒壓充電過程中，鋰離子電池的充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流下降到一定數(shù)值〔通常為恒流充電電流的1/10〕時(shí)，恒壓充電狀態(tài)自動(dòng)終止。2.4.6鋰離子電池的充電方法鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池的技術(shù)性能見表2-2。

表2-2三種動(dòng)力蓄電池的技術(shù)性能

2.5燃料電池2.5.1燃料電池的開展動(dòng)態(tài)燃料電池〔FuelCell，F(xiàn)C〕是一種化學(xué)電池，它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響時(shí)釋出的能量變換為電能，工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)〔起反響的物質(zhì)〕—燃料和氧化劑。由于它是把燃料通過化學(xué)反響釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料電池。1839年格羅夫使用電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣，制造出第一節(jié)氫氧燃料電池，又稱它為格羅夫電池。1889年英國(guó)人孟德和朗格爾首先提出燃料電池這個(gè)名稱，并且用一個(gè)與格羅夫電池相似的裝置產(chǎn)生電流密度約0.2A/cm2的電流。20世紀(jì)中期，一些尋求高效能源的科學(xué)家又掀起了燃料電池的研究熱潮。2.5.1燃料電池的開展動(dòng)態(tài)到了20世紀(jì)90年代，質(zhì)子交換膜燃料電池獲得了較大的開展。從歷史上看，燃料電池技術(shù)的開展未能競(jìng)爭(zhēng)過快速開展的燃燒發(fā)電技術(shù)，是因?yàn)槿剂想姵亻_展過程中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)材料的開展是分階段、時(shí)斷時(shí)續(xù)進(jìn)行的，未能使人們清楚地認(rèn)識(shí)到對(duì)燃料電池的需求。目前，燃料電池必須解決的問題是提高電池壽命，降低電池的制造本錢。2.5.1燃料電池的開展動(dòng)態(tài)目前，車用燃料電池急需解決以下關(guān)鍵問題：(1)提高車用燃料電池單位質(zhì)量(或體積)、電流密度及功率，提高車輛所必需的快速起動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)的能力；(2)必須開發(fā)質(zhì)量輕、體積更小、能儲(chǔ)存更多氫能的車載氫儲(chǔ)存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高續(xù)駛里程和載質(zhì)量；(3)必須解決好氫氣的平安問題，在一定的條件下，氫氣比汽油具有更大的危險(xiǎn)性，所以無論采用什么儲(chǔ)存方式，儲(chǔ)存器具及其平安措施都必須滿足使用要求；(4)電池組件必須采用積木化設(shè)計(jì)，開發(fā)有效的制造工藝，并進(jìn)行高效的自動(dòng)化生產(chǎn)，從而降低材料和制造費(fèi)用；(5)開展結(jié)構(gòu)緊湊及性能可靠的質(zhì)子交換膜燃料電池的同時(shí)開發(fā)應(yīng)用其它燃料，像甲烷、柴油等驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子交換膜燃料電池，這將會(huì)拓寬質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用范圍。2.5.2燃料電池的分類1．按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分類根據(jù)燃料電池的運(yùn)行機(jī)理的不同，可分為〔1〕酸性燃料電池；〔2〕堿性燃料電池。2．按燃料使用類型分類根據(jù)燃料電池的燃料使用類型不同，可分為〔1〕直接型燃料電池；〔2〕間接型燃料電池；〔3〕再生型燃料電池。2.5.2燃料電池的分類3．按電解質(zhì)分類根據(jù)燃料電池中使用電解質(zhì)種類的不同，可分為〔1〕質(zhì)子交換膜燃料電池〔PEMFC〕〔2〕堿性燃料電池〔AFC〕；〔3〕磷酸燃料電池〔PAFC〕；〔4〕熔融碳酸鹽燃料電池〔MCFC〕；〔5〕固體氧化物燃料電池〔SOFC〕；〔6〕直接甲醇燃料電池〔DMFC〕；〔7〕再生型燃料電池〔RFC〕；〔8〕鋅空燃料電池〔ZAFC〕；〔9〕質(zhì)子陶瓷燃料電池〔PCFC〕。2.5.2燃料電池的分類4．按燃料種類分類根據(jù)燃料電池使用燃料的種類，可分為〔1〕氫燃料電池；〔2〕甲醇燃料電池；〔3〕乙醇燃料電池等。5．按工作溫度分類根據(jù)燃料電池工作溫度的不同，可分為〔1〕低溫型〔溫度低于200℃〕；〔2〕中溫型〔溫度為200~750℃〕；〔3〕高溫型〔溫度為750~1000℃〕；〔4〕超高溫型〔溫度高于1000℃〕。2.5.2燃料電池的分類6．按燃料狀態(tài)分類根據(jù)燃料電池的燃料狀態(tài)不同，可分為：〔1〕液體型燃料電池；〔2〕氣體型燃料電池。2.5.3燃料電池的特點(diǎn)1．燃料電池的優(yōu)點(diǎn)〔1〕節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高〔2〕排放根本到達(dá)零污染〔3〕無振動(dòng)和噪聲、壽命長(zhǎng)〔4〕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)2．燃料電池的缺點(diǎn)〔1〕燃料種類單一〔2〕要求高質(zhì)量的密封〔3〕制造本錢高，電池價(jià)格昂貴〔4〕需要配備輔助電池系統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)燃料電池實(shí)際上不是“電池〞，而是一個(gè)大的發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，需要有燃料供給系統(tǒng)、氧化劑系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。1．燃料供給系統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)是給燃料電池提供燃料，如氫氣、天然氣、甲醇等。這個(gè)系統(tǒng)直接采用氫氣比較簡(jiǎn)單，如果用化石燃料制取氫氣那么相當(dāng)復(fù)雜。2．氧化劑系統(tǒng)氧化劑系統(tǒng)主要是給燃料電池提供氧氣。氧氣的來源有從空氣中獲取氧氣或從氧氣罐中獲取氧氣，空氣需要用壓縮機(jī)來提高壓力，以增加燃料電池反響的速度。燃料電池系統(tǒng)3．發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)是指燃料電池本身，它將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接變成電能，而不需要經(jīng)過燃燒的過程，它是一個(gè)電化學(xué)裝置。4．水管理系統(tǒng)由于質(zhì)子交換膜燃料電池中質(zhì)子是以水合離子狀態(tài)進(jìn)行傳導(dǎo)，所以燃料電池需要有水，水少會(huì)影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，從而影響電池的性能。

燃料電池系統(tǒng)5．熱管理系統(tǒng)大功率燃料電池發(fā)電的同時(shí)，由于電池內(nèi)阻的存在，不可防止地會(huì)產(chǎn)生熱量，通常產(chǎn)生的熱與其發(fā)電量相當(dāng)。而燃料電池的工作溫度是有一定限制的，如對(duì)PEMFC而言，應(yīng)控制在80攝氏度，因此需要及時(shí)將電池生成熱帶走，否那么會(huì)發(fā)生過熱，燒壞電解質(zhì)膜。水和空氣通常是常用的傳熱介質(zhì)。6．電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)是將燃料電池發(fā)出的直流電變?yōu)檫m合用戶使用的電。燃料電池所產(chǎn)生的是直流電，需要經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)壓，在采用交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，還需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。燃料電池系統(tǒng)7．控制系統(tǒng)燃料電池控制系統(tǒng)主要包括電池系統(tǒng)的啟動(dòng)與停工；維持電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的各操作參數(shù)的控制；對(duì)電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、判斷等。8．平安系統(tǒng)由于氫是燃料電池的主要燃料。氫的平安十分重要，由氫氣探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及滅火設(shè)備等構(gòu)成氫的平安系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)氫的存儲(chǔ)與輸送是燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前有兩種方式：儲(chǔ)氫和重整制氫1．儲(chǔ)氫目前使用比較廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù)：〔1〕高壓儲(chǔ)氫〔2〕液態(tài)儲(chǔ)氫〔3〕儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫燃料電池系統(tǒng)表2-4幾種儲(chǔ)氫技術(shù)的比較燃料電池系統(tǒng)2．重整制氫目前使用的重整技術(shù)主要有：〔1〕蒸汽重整〔2〕局部氧化重整〔3〕自動(dòng)供熱重整〔4〕等離子體重整2.5.5質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池〔PEMFC〕采用可傳導(dǎo)離子的聚合膜作為電解質(zhì)，所以也叫聚合物電解質(zhì)燃料電池〔PEFC〕、固體聚合物燃料電池〔SPFC〕或固體聚合物電解質(zhì)燃料電池〔SPEFC〕。1.質(zhì)子交換膜燃料電池的根本結(jié)構(gòu)PEMFC由質(zhì)子交換膜，催化劑層，擴(kuò)散層、集流板〔又稱雙極板〕組成，如圖2.21所示。1.質(zhì)子交換膜燃料電池的根本結(jié)構(gòu)圖2.21質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖1.質(zhì)子交換膜燃料電池的根本結(jié)構(gòu)〔1〕質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜〔ProtonExchangeMembrane，簡(jiǎn)稱PEM〕是PEMFC中最重要的部件之一，其性能好壞直接影響電池的性能和壽命。它不只是一種將陽極的燃料與陰極的氧化劑隔開的隔膜材料，它還是電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)〔電催化劑〕的基底，即兼有隔膜和電解質(zhì)的作用；另外，PEM還是一種選擇透過性膜，在質(zhì)子交換膜的高分子結(jié)構(gòu)中，含有多種離子基團(tuán)，它只允許H+穿過，其它離子、氣體及液體均不能通過。1.質(zhì)子交換膜燃料電池的根本結(jié)構(gòu)〔2〕電催化劑為了加快電化學(xué)反響速度，氣體擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑。PEMFC電催化劑主要有鉑系和非鉑系電催化劑兩類。目前多采用鉑催化劑?！?〕電極PEMFC電極是一種多孔氣體擴(kuò)散電極，一般由擴(kuò)散層和催化層構(gòu)成。擴(kuò)散層是導(dǎo)電材料制成的多孔合成物，起著支撐催化層，收集電流，并為電化學(xué)反響提供電子通道、氣體通道和排水通道的作用。催化層是進(jìn)行電化學(xué)反響的區(qū)域，是電極的核心局部，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)粗糙多孔，因而有足夠的外表積以促進(jìn)氫氣和氧氣的電化學(xué)反響。1.質(zhì)子交換膜燃料電池的根本結(jié)構(gòu)〔4〕膜電極膜電極(MembraneandElectrodeAssembly，簡(jiǎn)稱MEA)是通過熱壓將陰極、陽極與質(zhì)子交換膜復(fù)合在一起而形成的?！?〕雙極板與流場(chǎng)雙極板又稱集流板，是電池的重要部件之一，其作用是分隔反響氣體，收集電流，將各個(gè)單電池串聯(lián)起來和通過流場(chǎng)為反響氣體進(jìn)入電極及水的排出提供通道。2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理PEMFC在原理上相當(dāng)于水電解的“逆〞裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑復(fù)原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反響的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。工作原理如圖2.22所示。2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理圖2.22PEMFC的工作原理2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理導(dǎo)入的氫氣通過陽極集流板〔雙極板〕經(jīng)由陽極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陽極催化劑層，在陽極催化劑作用下，氫分子分解為帶正電的氫離子〔即質(zhì)子〕并釋放出帶負(fù)電的電子，完成陽極反響：2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理氫離子穿過膜到達(dá)陰極催化劑層，而電子那么由集流板收集，通過外電路到達(dá)陰極，電子在外電路形成電流，通過適當(dāng)連接可向負(fù)載輸出電能；在電池另一端，氧氣通過陰極集流板〔雙極板〕經(jīng)由陰極氣體擴(kuò)散層到達(dá)陰極催化劑層。在陰極催化劑的作用下，氧與透過膜的氫離子及來自外電路的電子發(fā)生反響生成水，完成陰極反響：2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理電池總的反響為上述過程是理想的工作過程，實(shí)際上，整個(gè)反響過程中會(huì)有很多中間步驟和中間產(chǎn)物的存在。3.質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)

PEMFC的優(yōu)點(diǎn)主要有：〔1〕能量轉(zhuǎn)化效率高〔2〕可實(shí)現(xiàn)零排放〔3〕運(yùn)行噪聲低，可靠性高〔4〕維護(hù)方便〔5〕發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小〔6〕氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛，是一種可再生的能源資源〔7〕氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、平安、可靠3.質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)PEMFC的缺點(diǎn)主要有：〔1〕本錢高〔2〕這種電池需要純潔的氫，因?yàn)樗鼈儤O易受到一氧化碳和其它雜質(zhì)的污染從目前開展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)汽車的未來開展方向。燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系統(tǒng)。2.5.6堿性燃料電池1．堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理堿性燃料電池〔alkalinefuelcell，簡(jiǎn)稱AFC〕以強(qiáng)堿〔如氫氧化鉀、氫氧化鈉〕為電解質(zhì)，氫氣為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑。采用對(duì)氧電化學(xué)復(fù)原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等為電催化劑制備的多孔氣體擴(kuò)散電極為氧化極，以Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化鎳等具有良好催化氫電化學(xué)氧化的電催化劑制備的多孔氣體電極為氫電極。1．堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2.23堿性石棉膜型氫氧燃料電池單池的工作原理1．堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理在陽極，氫氣與堿中的OH-在電催化劑的作用下，發(fā)生氧化反響生成水和電子，電子通過外電路到達(dá)陰極，在陰極電催化劑的作用下，參與氧的復(fù)原反響，生成的OH-通過飽浸堿液的多孔石棉遷移到氫電極。陽極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反響為總的反響為2．堿性燃料電池的特點(diǎn)AFC與其它類型燃料電池相比，具有以下特點(diǎn)：〔1〕AFC具有較高的效率(50%~55%)；〔2〕工作溫度大約80℃，因此，它們的啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍；〔3〕性能可靠，可用非貴金屬作催化劑；〔4〕是燃料電池中生產(chǎn)本錢最低的一種電池；〔5〕是技術(shù)開展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水，用于交通工具，具有一定的開展和應(yīng)用前景；〔6〕使用具有腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，具有一定的危險(xiǎn)性和容易造成環(huán)境污染，此外，為解決CO2毒化所采用的一些方法，如使用循環(huán)電解液，吸收CO2等增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。2.5.7磷酸燃料電池磷酸燃料電池〔phosphoricacidfuelcell，PAEC〕是以酸為導(dǎo)電電解質(zhì)的酸性燃料電池。PAEC被稱為繼火電、水電、核電之后的第4種發(fā)電方式，是目前燃料電池中唯一商業(yè)化運(yùn)行的燃料電池。1．磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)PAEC的電池片由基材及肋條板觸媒層所組成的燃料極、保持磷酸的電解質(zhì)層、與燃料極具有相同構(gòu)造的空氣極構(gòu)成。在燃料極，燃料中的氫原子釋放電子成為氫離子。氫離子通過電解質(zhì)層，在空氣極與氧離子發(fā)生反響生成水。將數(shù)枚単電池片進(jìn)行疊加，每數(shù)枚電池片中疊加進(jìn)為降低發(fā)電時(shí)內(nèi)部熱量的冷卻板，從而構(gòu)成輸出功率穩(wěn)定的根本電池堆。再加上用于上下固定的構(gòu)件、供氣用的集合管等構(gòu)成PAEC的電池堆。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.24所示。1．磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)圖2.24電池堆結(jié)構(gòu)示意圖2．磷酸燃料電池的工作原理圖2.25是PAEC的原理圖。PAEC使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時(shí)，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反響。陽極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反響為總的電化學(xué)反響為2．磷酸燃料電池的工作原理圖2.25PAEC的工作原理圖3．磷酸燃料電池的特點(diǎn)

〔1〕PAEC的工作溫度要比PEMFC和AFC的工作溫度略高，位于150~200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反響?！?〕PAEC的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)?！?〕PAEC具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低。2.5.8熔融碳酸鹽燃料電池1．熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)熔融碳酸鹽燃料電池〔MCFC〕是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。單體的MCFC一般是平板型的，由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成，如圖2.26所示。單體的上下為隔板/電流采集板，中間局部是電解質(zhì)板，電解質(zhì)板的兩側(cè)為多孔的陽極極板和陰極極板，其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。1．熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)圖2.26單體MCFC概念圖2．熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理圖2.27MCFC的工作原理圖2．熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理燃料電池工作過程實(shí)質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的復(fù)原過程。燃料和氧化劑氣體流經(jīng)陽極和陰極通道。氧化劑中的O2和CO2在陰極與電子進(jìn)行氧化反響產(chǎn)生CO32-，電解質(zhì)板中的CO32-直接從陰極移動(dòng)到陽極，燃料氣中的H2與CO32-在陽極發(fā)生反響，生成了CO2、H2O和電子。電子被集流板收集起來，然后到達(dá)隔板。隔板位于燃料電池單元的上部和下部，并和負(fù)載設(shè)備相連，從而構(gòu)成了包括電子傳輸和離子移動(dòng)在內(nèi)的完整的回路。2．熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理其電化學(xué)反響式為式中，a、c分別表示陽極、陰極；e-表示電子；E0表示根本發(fā)電量；Q0表示根本放熱量3．熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn)

MCFC是一種高溫電池〔600~700℃〕，具有效率高〔高于40%〕、噪音低、無污染、燃料多樣化〔氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等〕、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，是下一世紀(jì)的綠色電站。2.5.9固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，簡(jiǎn)稱SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。被普遍認(rèn)為是在未來會(huì)與質(zhì)子交換膜燃料電池一樣得到廣泛普及應(yīng)用的一種燃料電池。1．固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)

SOFC單體主要由電解質(zhì)、陽極或燃料極、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成，如圖2.28所示。圖2.28固體氧化物燃料電池的根本組成2．固體氧化物燃料電池的工作原理

SOFC工作時(shí)，電子由陽極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解質(zhì)由陰極流向陽極。圖2.29為SOFC的工作原理示意圖。

圖2