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2.电池
2.1介绍
我们在前一章已经看到，有许多不同类型和尺寸的电动汽车。 然而，几乎在所有情况下，电池都是关键部件。 在传统的电动汽车中，电池是唯一的能量存储器，并且具有最高的成本，重量和体积。 在混合动力车辆中，必须持续接受和发出电能的电池也是最重要的关键部件。 已经制造了一些燃料电池车辆，其具有的电池不大于通常安装在内燃发动机车辆上的电池，但是大多数早期FC动力车辆可能具有相当大的电池并且在混合燃料电池/电池模式中工作。 简而言之，对电池技术和性能的充分理解对于涉及电动汽车的任何人都至关重要。
什么是电池？ 电池由两个或多个连接在一起的电池组成。 电池将化学能转化为电能。 电池由通过电解质连接的正极和负极组成。 它是电极和电解质之间的化学反应，产生直流电。 在二次电池或可充电电池的情况下，可以通过反转电流来反转化学反应，并且电池返回到充电状态。
“铅酸”电池是最知名的可充电类型，但还有其他类型。使用可充电电池的第一电动车辆在可再充电铅酸的发明之前的25年前就有了，并且存在可以组合以形成电池的非常多的材料和电解质。然而，仅开发了相对少量的组合作为适用于车辆的商用可充电电池。目前这些包括铅酸，镍铁，镍镉，镍金属氢化物，锂聚合物和锂铁，钠硫和金属氯化钠。最近的电池可以通过机械加油来开发，主要是铝空气和锌空气。尽管尝试了所有不同的可能性，并且大约150年的开发，仍然尚未开发出允许广泛使用电动车辆的合适电池。然而，最近电池技术的一些重要发展对未来抱有很大的希望。此外，如果他们的性能被理解并且正确建模，则完全可以设计使用现有电池作为唯一或主要能量存储器的非常有用的车辆。
从电动汽车设计师的角度来看，电池可以被视为具有一系列性能标准的“黑匣子”。这些标准将包括具体的能源，能源密度，特定功率，典型电压，安培小时效率，能源效率，商业可用性，成本，工作温度，自放电率，生命周期数和充电率，这些将在下文中解释。以下部分。设计人员还需要了解能源可用性如何随环境温度，充电和放电速率，电池几何形状，最佳温度，充电方法，冷却需求和可能的未来发展而变化。但是，至少对电池化学的基本了解非常重要，否则不同类型的性能和维护要求，以及与电池使用相关的大多数失望，例如它们的寿命有限，自放电，效率降低等等。无法理解电流等。关于事故中可能存在的危害以及使用电池化学品对环境的总体影响，还需要这方面的基础知识。废旧电池的回收也变得越来越重要。
以下部分给出了指定电池性能和性能的主要参数。 在后面的章节中，概述了最重要的电池类型的化学性能和性能，最后概述了电池性能建模这一非常重要的主题。
2.2电池参数
2.2.1电池和电池电压
所有电池都具有标称电压，当电池输送电能时，该标称电压提供近似电压。 电池可以串联连接，以提供所需的总电压。 用于电动车辆的牵引电池通常规定为6V或12V，并且这些单元又串联连接以产生所需的电压。 实际上，这个电压会发生变化。 当发出电流时，电压会下降; 当电池充电时，电压会上升。
这最好以“内阻”表示，电池的等效电路如图2.1所示。 电池被表示为具有固定电压E，但是由于内部电阻R两端的电压，端子处的电压是不同的电压V.假设电流I来自电池，如图2.1所示， 然后通过基本电路理论我们可以说：
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（2.1） |
注意，如果电流I为零，则端电压等于E，并且因此E通常被称为开路电压。 如果电池正在充电，那么显然电压将通过IR增加。 在电动汽车电池中，内阻应尽可能低。
图2.1电池的简单等效电路模型（这个电池由六个电池组成）
通常，该等式（2.1）给出了“使用中”电池电压的相当好的预测。 然而，开路电压E实际上不是恒定的。 电压也受“充电状态”和其他因素如温度的影响。 第2.11节对此进行了更详细的论述，其中我们解决了电池性能建模的问题。
2.2.2充电（或安培小时）容量
电池可以提供的电荷显然是最关键的参数，国际单位制表示电荷的单位是库仑，即一个安培振荡一秒钟的电荷。但是，这个单位使用不方便，通常使用安培小时：一安培流动一小时的电荷量。例如，电池的容量可能是50英里/小时。 这意味着它可以提供1Amp 10小时，或2Amps提供5小时，或理论上提供10安培1小时。 然而，在实践中，对于大多数电池来说，它并不像这样。
通常的情况是，虽然电池可以提供1Amp持续10小时，但如果从其中提取10Amps，它将持续不到一小时。 了解这一点非常重要。 用于电动车辆（牵引电池）的大型电池的容量通常被引用5小时放电。 图2.2显示了如果更快或更慢地移除充电，容量如何受到影响。 该图表适用于标称100 Amp hour电池。 请注意，如果在一小时内移除电荷，则容量将大幅下降至约70 Amp hours。 另一方面，如果电流被拉得更慢，比如说20小时，则容量上升到大约110 Amp hours。
电池容量的这种变化是由于电池内部不希望的副反应发生而导致的。虽然这种效果在铅酸电池中最明显，但在所有类型的电池中都会发生。能够准确预测这种现象的影响是非常重要的，当我们考虑电池建模时，这将在第2.11节中解决。
充电容量导致一个重要的疑问点，此时应予以解释。Amp hours中电池的容量用字母C表示。但是，有点令人困惑，直到你习惯它，这也用于代表电流。
假设电池容量为42 Amp hours，也就是说电容C = 42 Amp hours。 电池用户谈论“放电电流为2C”，或“将电池充电至0.4C”。 在这些情况下，这意味着放电电流为84安培，或充电电流为16.8安培。
图2.2显示标称42Amphour电池的两小时充电容量变化的图表（该图基于Hawker Energy Products Inc.生产的铅酸牵引电池的测量结果）
为了进一步改进这种情况，我们一般会在C符号上给出下标。如上所述，电池的Amp hour容量随放电时间而变化。 在我们的示例中，42 Amp hour电池的额定值为10小时放电。 在这个更完整的表示法中，84安培的放电电流应写为2C10。
示例：以C表示法显示我们的示例42安培小时电池的电流21安培。
作为42安培的比率，21是1/2或0.5。因此，电流21Amps=0.5C10。
这种表达电池电流的方式非常有用，因为它将电流与电池的大小联系起来。 它几乎普遍用于电池文献和规格，但通常省略与额定放电时间有关的下标。
2.2.3能量的储存
电池的目的是储存能量。 存储在电池中的能量取决于其电压和存储的电荷。 国际单位制中，能量的单位是焦耳（J），但这是一个不方便的小单位，所以我们使用瓦时（Wh）代替。 这相当于在1小时的功率下工作1小时。1Wh相当于3600J。 Wh兼容我们使用Amp hour充电，因为它产生了简单的公式：
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瓦特小时的能量=电压times;安培小时或能量= Vtimes;C |
（2.2） |
但是，必须非常谨慎地使用这个等式。 我们已经注意到，电池电压V，甚至更大的Amp hour容量C，根据电池的使用方式而有很大差异。 如果电流增加并且电池快速耗尽，两者都会减少。 因此，存储的能量是相当可变的量，并且如果能量快速释放则减少。 它通常与Amp hour等级一致引用，即如果为一个小时的放电提供充电容量，那么逻辑上应该给出该放电率的能量。
2.2.4比能量
比能量是每千克电池质量储存的电能量，它的单位是Wh/kg。一旦知道车辆所需的电池的能量容量（Wh），就可以将其除以比能量（Wh/kg），以给出电池质量的第一近似值。 引用的比能量只不过是一个指南，因为正如我们所看到的，存储在电池中的能量随着温度和放电率等因素而变化很大。
我们将在下面的2.2.6节和图2.3的Ragone图中看到电池的特定能量可以改变多少。
2.2.5能量密度
能量密度是每立方米电池体积存储的电能量，它的单位通常是Wh/m3，它也是能量容量的重要参数。
图2.3 Ragone图 - 特定功率与特定能量图 - 典型的铅酸和镍镉牵引电池
电池的电量（Wh）除以电池的能量密度（Wh/m3），以显示所需的电池量。 或者，如果已知体积可用于电池，则可以将体积（m3）乘以电池能量密度（Wh/m3），以给出可以提供多少电能的第一近似值。 电池容量可能对车辆设计产生相当大的影响。与比能量一样，能量密度也是一个标称值。
2.2.6比功率
比功率是每千克电池获得的功率量。 这是一个非常容易变化且相当异常的量，因为电池发出的功率更多地取决于连接到它的负载而不是电池本身。 尽管电池确实具有最大功率，但是在接近该最大功率的任何地方操作它们超过几秒是不明智的，因为它们不会持续很长时间并且操作效率非常低。
比功率的单位通常是W/kg。有些电池具有非常高的比能量，但具有较低的比功率，这意味着它们储存了大量能量，但只能缓慢地释放出来。 类比成电动汽车，就是说驾驶员可以在很长的距离内非常缓慢地驾驶车辆。 高功率电源通常会导致任何特定类型电池的比能量降低。 这是因为，正如我们在2.2.2节中所看到的那样，快速（即高功率）从电池中取出能量会降低可用能量。
比功率的变化与不同电池类型的比能量的这种差异非常重要，并且能够比较这种差异对电池的研发与使用是有帮助的。比较这种差异通常使用针对特定能量的特定功率图来完成，这被称为Ragone图。使用对数标度，因为从电池汲取的功率在不同的应用中可以变化很大。图2.3显示了优质铅酸牵引电池和类似NiCad电池的Ragone图。
可以看出，对于两种电池，随着比功率的增加，比能量减少。 在1到100W/kg的功率范围内，NiCad电池的变化略小。 然而，高于约100W/kg，NiCad电池的下降速度远远超过铅酸电池。
图2.3所示的Ragone图用于比较所有类型的电池。 在这种情况下，我们应该得出结论，如果忽略成本等其他因素，如果要求功率密度小于100Wh/kg，NiCad电池的性能会更好。 然而，在功率密度在更高的值时，比如高达250Wh/kg或更高时，铅酸电池开始变得更有吸引力。 Ragone图还强调了一个简单的单个数字答案不能给出“这个电池的具体功率是多少？”的问题。
2.2.7充电效率
理想状态下，电池可以充进放入其中的全部电荷，在这种情况下，充电效率为100％。 但是，没有电池可以做到。电池的充电效率都低于100％。充电效率的精确值将根据不同类型的电池，温度和充电速率而变化。它也会随着充电状态而变化。 例如，当从大约20％充电到80％充电时，效率通常会非常接近100％，但是由于最初20％的充电效率下降，效率会大大降低。 当我们在本章后面查看每种电池类型时，会明白其原因。
2.2.8能量效率
这是另一个非常重要的参数，它被定义为电池供应的电能与将其返回到放电前状态所需的电能量之比。使用电动汽车的一个有力论据是基于其对能源的有效利用，从而减少了总体排放; 因此需要高能效。从前面的章节中已经说过，应该清楚能量效率会随着电池的使用方式而变化很大。例如，如果电池快速充电和放电，则能量效率会显着降低。然而，它确实可以作为比较电池的指南，其方式与汽车的燃料消耗大致相同。
2.2.9自放电率
大多数电池在闲置时放电，这称为自放电。 这很重要，因为这意味着一些电池在没有充电的情况下不能长时间放置。 这种自放电的原因将在下面的章节中解释。 自放电速率因电池类型和温度等其他因素而异; 较高的温度会大大增加自放电。
2.2.10电池形状
电池有多种形状：圆形，矩形，棱柱形或六边形，它们通常被包装成矩形块。有些电池只能提供固定的几何形状，有些可以提供各种高度，宽度和长度。这可以为设计师提供相当大的设计范围，特别是在使用空白纸张开始时，或者今天更可能是使用空白CAD屏幕来进行电池形状的设计。例如，他/她可以将电池散布在整个区域，确保低重心和非常好的操作特性。
2.2.11电池温度，加热和冷却需求
虽然大多数电池在环境温度下运行，但有些电池在较高温度下运行，需要加热才能启动，然后在使用时冷却。 在其他情况下，电池性能在低温下降，这是不希望的，但是这个问题可以通过加热电池来克服。 在选择电池时，设计人员需要了解电池温度，加热和冷却需求，并且必须在车辆设计过程中考虑这些因素。
2.2.12电池寿命和深度循环次数
大多数可充电电池只会经历几百个深度循环到20％的电池充电。 但是，确切的深度循环数量取决于电池类型，还取决于电池设计的细节以及电池的使用方式，这是电池规格中非常重要的一个因素，因为它反映了电池的使用寿命，从而影响了电动汽车的运行成本。有关此问题的更多具体信息以及所提及的所有其他电池参数，将在后面的特定电池类型部分中给出。
2.3铅酸电池
2.3.1铅酸电池的原理
用于电动车辆的最著名和最广泛使用的电池是铅酸电池。铅酸电池广泛用于IC发动机车辆中，这是众所周知的。然而，对于电动车辆，使用更耐用的铅酸电池，其耐受深度循环次数高是因为它使用凝胶而不是液体电解质，因此这些电池的生产成本更高。
在铅酸电池中，负极板具有海绵状铅作为其活性材料，而正极板具有二氧化铅活性材料。将电极板浸入稀硫酸的电解液中。硫酸与铅和氧化铅结合产生硫酸铅和水，在此
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