高压动力电池的原理与特点
1.镍氢电池
在美、日等发达国家的混合动力汽车上,目前使用最多的是镍氢电池。镍氢电池的正极材料是氢氧化镍(NiOH),负极则是金属氢化物,即为储氢合金(MH),电解液是30%的氢氧化钾水溶液。这里所谓“储氢合金”是指具有很强“吸收”氢气能力的金属镍,其单位体积储氢的密度可相当于储存1000个大气压的高压氢气。储氢合金的关键在于能稳定的储气和放气,其工作原理是利用水的氢离子移动反应来获得电流,这时氢气在负极上被逐渐消耗掉。镍氢电池的电极反应为下式,式中e指带电的电子。
正 极 :Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e
负极:M + H 2 O + e = M H a b + O H - Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab
镍氢电池是在镍镉电池基础上开发出来的,但镍镉电池中有重金属镉,对环境有重度污染,所以镍镉电池在发达国家目前均已限制发展和使用。镍氢电池则不存在重金属污染问题,而且镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都优于镍镉电池,故被称之为“绿色”电池。其主要特点有:

(2)镍氢电池在放电和充电过程中,正极板析出氧气,负极板析出氢气。氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水,使容器内的气体压力保持不变,这种再化合的速率很快,电解液不会出现增加或减少的现象,不需调节电解液的密度,故电池本身可以采取密封结构,电池能实现免维护保护。
(3) 所谓电池的“记忆效应”是指如果电池每次没有放完电,如只放出40%,那么长期使用后,剩下的60%容量就无法放出,这就大大缩小了电池的储存电容量,直接影响电池的使用。但镍氢电池基本上不存在记忆问题,不要求100%放完电后才允许充电,能做到随放随充,极大地方便了电动汽车的充放电。即便镍氢电池在空置状态下放置一年,再充电时仍可恢复原容量97%以上电量,基本上与新电池一样。如在较长放置时有意让电池内部存有一部分电,则电池的恢复储电能力可更快更高。
(4)镍氢电池与镍镉电池比较,不存在镍镉电池中的金属镉对环境有重度污染的问题。镍氢电池还可再生利用,符合持续发展的理念。电池安全可靠,使用寿命长,循环充放电的次数可达3000 次以上,市场实际使用证明其寿命容易超过十年。
(5)镍氢电池的缺点则是存储的电压较低,能量密度也偏低,当前的价格相对较高;电池的均匀性较差,特别是在高速率、深放电的状况下,单体电池之间的容量和电压的差别较大;电池的自放电率较高;镍氢电池使用最重要的是要避免过充电和过放电,温度特性差,在45℃以上的高温环境,或在低于0℃ 以下环境下,镍氢电池将无法正常工作,电池容量与现实要求还有较大差距等问题,影响着氢镍电池在电动汽车上的广泛使用。
2.磷酸铁锂电池
锂离子蓄电池是上世纪90年代发展起来的高容量可充电的电池,比镍氢电池更晚。其比能量大于氢镍电池,能存储更多的电能量,而且具有循环寿命长、自放电率小、电池无记忆效应和不污染环境等多项优点。其主要研究集中在大容量、长寿命和安全性三个方面,成为当前能量存储技术的热点。其中磷酸铁锂离子电池(LiFePO4)成熟应用在电动汽车上。正极是呈橄榄石结构的磷酸铁锂,电池负极是石墨,中间是聚乙烯或聚丙烯材料制成的隔膜板,电池中部的上下端间装有有机电解质,外壳由金属材料密封。隔膜板可把正极与负极隔开,同时还在电池异常高温时,隔膜板上的细孔起阻断锂离子通道的作用,可中止充电或放电反应,有效防止电池外部短路电流过大时,反应过激产生温度过高的现象。
磷酸铁锂离子蓄电池其结构如图2所示,电池正极与铝箔连接,负极则用铜箔相接,可直接与外电路连接。电池内部锂离子在正负极材料晶格中可自由扩散,当电池在放电时,锂离子从石墨负极板层状结构中析出,通过隔膜板到达正极板,锂离子的移动就产生了电流;反之在充电时,锂离子在电势作用下从正极中脱出嵌入到石墨负极中。在电池充放电循环过程中,借助于电解液的作用,锂离子在电池的两极间往复运动。铁锂电池的单体电池标称电压是3.2V,充电终止时的最高电压为3.6V,最大放电的电压为2.0V。磷酸铁锂电池通常采用圆形卷绕式的“18650”型电池结构,即电池直径为18mm 高度为65mm,目前最大容量为3100mAh。图3 是18650 型电池构成的五洲龙电动大巴的电池箱。

动力电池电压检测及维修案例
如果动力电池中的单体电池端电压差异较大,或电池性能已经严重下降时,也可能产生警告灯报警的现象。电动汽车不论是采用镍氢电池组或是磷酸铁锂电池组,对电压的监管都是很严格的。如比亚迪F3DM混合动力汽车上的动力电池由 100 节电池单元串联组成,每节电池又由若干单体电池并联,设置有100个跟踪电压检测取样点,电压采样线为红色。一旦检测到某节电池的端电压差异过大时,在其仪表盘的显示屏上就会出现电池报警。图9 为普锐斯的镍氢电池组的电压采样图。
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