学习情景一 动力电池组认知

学习任务一 常见电池的认知

【任务导入】

一名客户想要购买一台比亚迪E5汽车，他第一次来到4S店了解电动汽车，想要了解比亚迪E5汽车的动力电池是采用什么类型的电池。作为一名销售顾问，请你为客户介绍常见电池的基本知识。

【学习目标】

1. 能够描述常见电池的类型。

2. 能够叙述常见动力电池的结构组成。

3. 能够叙述常见电池的工作原理。

【理论知识】

电池的种类繁多，划分的方法也有很多种。电池按其原理划分，主要可分为生物电池、化学电池和物理电池三大类。

其中，化学电池和物理电池已经应用于量产新能源汽车中，而生物电池则被视为未来纯电动汽车电池的重要发展方向之一。出于对目前实际应用情况的考虑，我们只对化学电池和物理电池的分类、结构与原理进行详细介绍，如果您也有兴趣了解生物电池，可另行参阅其他资料。

1. 化学电池

化学电池是目前新能源汽车领域应用最为广泛的电池种类，动力电池组可以由镍金属氢化物（NiMH）电池、锂离子（Li-ion）电池，甚至铅酸电池组成。每种类型的电池都有其自身的特性，这种特性反过来又影响电池组整体的设计和控制思路。这些电池内部的化学性质不同，一般不会对诊断程序有大的影响。但是，每种电池都可能会对技术人员造成不同的危害。

我们目前所见的绝大多数新能源汽车都采用化学电池技术进行驱动，如比亚迪EV系列、丰田普锐斯、特斯拉MODEL S等。当然，这里所讲的化学电池并不是我们日常所讲的汽车蓄电池，而是对可重复充电动力电池的统称。由于新能源汽车电池种类较多，其中很大部分已经被目前市场淘汰，且对其原理进行大篇幅讲解并不能对实际维修新能源汽车带来多大帮助，所以我们先通过一个表格大致了解下这些电池的种类和基本特性，然后就目前市场上常见的几种化学电池进行详细说明，如表1-1-1所示。

（1）铅酸电池

铅酸电池是一种较早的蓄电池系统（始于1850年），目前仍然有数以百万的车辆使用这种蓄电池提供电能。铅酸电池在车辆中被作为起动内燃机的起动电池使用。此外，也可以在发动机处于静止状态时的有限时间内为用电器提供电流。

1）铅酸电池的结构。铅酸电池由正极板、负极板、隔板（隔膜）、电解液、溢气阀、壳体等部分组成，如图1-1-1所示。每个单体电池电压都为2V。6个单体电池串联在一起可以提供12V的蓄电池电压。

2）铅酸电池的工作原理。铅酸电池工作时会完成充、放电两个过程中化学能和电能的相互转化过程。电池放电时化学能转化为电能，充电时电能转化为化学能，在这两个变换过程中，正、负电极的活性物质发生氧化还原反应，产生电子得失，如图1-1-2所示。

充电时，直流电源的正、负极分别与电池的正、负极连接，充电电源的电压略高于电池的额定电压，在电场的作用下，电流从电池的正极流入，负极流出。正、负极板上的PbSO₄分别还原成PbO₂和Pb，电解液中的水逐渐还原为H₂SO₄。

放电时，正极上的PbO₂和负极上Pb分别与电解质H₂SO₄溶液发生氧化反应生成PbSO₄附着在正、负极板上。随着连续的放电，氧化反应不断进行，H₂SO₄浓度逐渐降低，最后变成水。

3）铅酸电池的优点如下：

①铅酸电池的电压最高为2.0V，在常用蓄电池中，仅次于锂离子电池。

②高倍率放电性能良好，更适用于发动机起动。

③高低温性能良好，可在-40～60℃条件下工作，电能效率高达60%。

④没有“记忆”效应，易于识别荷电状态。可制作各种尺寸和结构的蓄电池，价格低廉。

4）铅酸电池的缺点如下：

①充电时间长，比能量低，一次充电行驶里程短。

②环保性能差，存在重金属铅的污染。

③使用寿命短，使用成本高。

（2）锂离子电池

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。

虽然锂金属电池的能量密度高，理论上能达到3860W·h/kg。但是由于其性质不够稳定而且不能充电，所以无法作为反复使用的动力电池。而锂离子电池由于具有反复充电的能力，被作为主要的动力电池发展。

锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功。通常运用最多的锂离子动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池。

1）锂离子电池组成结构。锂离子电池因正、负极材料不同而性能有所差异，目前常用的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰酸锂等材料，负极材料主要有碳材料，还有在研发的锡基、硅基合金类等材料。但锂离子电池结构基本相同，主要由电池正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成，如图1-1-3所示。

①正极。正极材料在锰酸锂离子电池中以锰酸锂为主，磷酸铁锂离子电池中以磷酸铁锂为主，在镍钴锂离子电池中以镍钴锂为主，在镍钴锰锂离子电池中以镍钴锰锂为主。

②负极。负极材料由碳材料与黏合剂的混合物，加上有机溶剂调和制成为糊状，并在铜基体上涂覆薄层形成。

③隔板。隔板起到关闭或阻断功能，大多使用聚乙烯或聚丙烯材料制成的微多孔膜。

④电解液。电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。

⑤安全阀。为了保证锂离子电池的使用安全性，一般通过对外部电路的控制或者在电池内部设异常电流切断的安全装置。

2）锂离子电池的结构类型。一般按照锂离子电池的外形分为圆柱形、长方形、薄板形、软包形、纽扣形等。

①圆柱形锂离子电池。圆柱形锂离子电池（图1-1-4）由于其体积及容量较小，在汽车动力电池中，需要很多电池并联、串联组成电池组。如美国特斯拉电动汽车Model S，其动力电池采用了7000多节18650锂离子电池。其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。18650锂离子电池单节标称电压一般为3.6V或3.7V；最小放电终止电压一般为2.5～2.75V；常见容量为1200～3300mA·h。

②长方形锂离子电池。长方形锂离子电池也需要多个电池串联组成电池组，如图1-1-5所示。

③软包形锂离子电池。软包形锂离子电池一般为容量较小可充电电池，其具有体积较小的优点，使其被用于手机、照相机等便携式电子产品上，如图1-1-6所示。

④纽扣形锂离子电池。纽扣形锂离子电池通常也是小容量的可充电电池，用作汽车钥匙电池、电子手表电池等，如图1-1-7所示。

3）锂离子电池的工作原理。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程，如图1-1-8所示。

锂离子电池以含锂的化合物为电池正极，没有金属锂存在，化合物中只有锂离子；电池负极以碳材料为主要材料。锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正极材料的电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的脱嵌和嵌入的过程。在锂离子的脱嵌和嵌入过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的脱嵌和嵌入（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示；负极用插入或脱插表示）。

工作原理：在放电过程中，锂离子从负极中脱插，通过电解质、隔板，向正极中嵌入；在充电过程中，锂离子从正极中脱嵌，通过电解质、隔板，向负极插入。充放电过程中，锂离子来回在正负极之间迁移，因而，锂离子电池又被称为“摇椅电池”。

4）锂离子电池的优点。相对于其他类型的电池，锂离子电池的优点如下：

①工作电压高且放电电压稳定。单体锂离子电池的电压为3.6～3.9V，单体镍氢电池的电压约为1.2V，单体铅酸电池的电压为2～2.5V。

②能量密度大。

③循环寿命长。

④安全性能好，无公害，无记忆效应。

⑤自放电率低。

⑥可实现安全快速充电。

⑦允许温度范围宽。

5）锂离子电池的缺点如下：

①不能大电流放电。

②电池的一致性较差。

③高温和低温的存储性较差。

④耐过充电和过放电能力差。

⑤锂电极表面常常形成一层比较致密的纯化膜，当电池在高温下存储后，在低温下以较大电流放电时，常常出现输出电压的跌落现象，随着放电过程的进行，电压才能缓慢恢复，这一现象称为电压滞后。

⑥价格相对较高。

（3）磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池（LiFePO₄）是磷酸铁锂离子电池的简称，也称为“锂铁（LiFe）动力电池”或“铁电池”。磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。与其他锂电池最大的区别是电池的正极加入了铁元素。铁锂是最近几年才刚开始研究的一种很有潜力的材料，其安全性能与循环寿命是其他材料无法相比的。

目前用作锂离子电池的正极材料的金属元素中，钴（Co）最贵，并且存储量不多，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，而铁（Fe）最便宜。采用LiFePO₄正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的，并且环保性能良好，对环境无污染。

1）结构与工作原理。磷酸铁锂电池结构如图1-1-9所示。左边是橄榄石结构的LiFePO₄作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子可以通过而电子（e-）不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

①电池充电时，Li+从磷酸铁锂晶体的010面迁移到晶体表面，在电场力的作用下，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。与此同时，电子经导电体流向正极的铝箔集电极，经正极耳、电池极柱、外电路、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔集流体，再经导电体流到石墨负极，使负极的电荷达至平衡。

②电池放电时，Li+从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，再经电解液迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新经010面嵌入到磷酸铁锂的晶格内。与此同时，电流经导电体流向负极的铜箔集电极，经负极耳、电池负极柱、外电路、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔集流体，再经导电体流到磷酸铁锂正极，使正极的电荷达至平衡。

磷酸铁锂电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要达至平衡。

2）主要性能。LiFePO₄单体电池的标称电压为3.2V，充电终止电压是3.6V，放电终止电压是2.0V。比能量可达到120W·h/kg，具有比功率高、耐高温、寿命长、环保性能好、快速充电、充放电性能优良，以及耐过充放电能力强等特点。

快速充电时间约15min达到80%电量，工作温度为-20～65℃，循环寿命可达2000次。它是现代电动汽车动力电池的主要选用电池。

与其他锂离子电池的正极材料相比，磷酸铁锂电池具有良好的稳定性和安全性能，不会发生起火或爆炸，并且没有毒性，价格也较低廉。但批量生产的磷酸铁锂动力电池存在单体电池之间的“不一致性”，导致磷酸铁锂动力电池组的性能不稳定，因此需要加强对磷酸铁锂电池组的管理。

3）磷酸铁锂的充电应用。由于磷酸铁锂动力电池具有上述特点，并且生产出各种不同容量的电池，很快得到广泛应用，它主要的应用领域有：①纯电动汽车、油电混合动力汽车、景点游览车辆等；②电动工具：电钻、电锯、割草机、医疗器械等；③太阳能及风力发电的储能设备；④UPS及应急灯、警示灯及矿灯（安全性最好）等。

（4）三元锂电池

1）三元锂电池的组成结构。在种类繁多的锂电池中，磷酸铁锂电池和三元锂电池是最为常用的驱动电池。北汽EV200采用了韩国SK生产的三元锂电池，理论续驶里程达到200km，而它的前辈车型EV150则采用了磷酸铁锂电池，续驶里程仅为150km。从续驶里程上看三元锂电池确实优于磷酸铁锂电池。

三元锂电池又被为“三元聚合物锂电池”，指的是镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂作为正极材料的锂电池。由于三元锂电池体积更小、能力密度更高、耐低温，目前正广泛应用于新能源汽车上，比如我们熟知的特斯拉，旗下所有车型都采用了三元锂电池。三元锂电池的三元指的是镍（Ni）钴（Co）锰（Mn）三种元素。而这三种元素中镍和钴是活性金属，锰不参与电化学反应。一般来说，活性金属成分含量越高，电池容量就越大，但当Ni的含量过高时，会引起Ni2+占据Li+的位置，加剧了阳离子混排，从而导致容量降低。Co也是活性金属，但能起到抑制阳离子混排的作用，从而稳定材料层状结构。Mn作为非活性金属，主要起到稳定反应提高安全性的作用。

三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，由于三元协同效应，其综合性能优于任一单组合化合物。它的质量能量密度能够达到200W·h/kg。

2）磷酸铁锂电池与三元锂电池性能对比

①能量密度。特斯拉采用的三元锂电池的能量密度已经达到了232W·h/kg，后续将会进一步提高至293W·h/kg。目前国内主流的磷酸铁锂电池能量密度也仅达到150W·h/kg左右，相比之下，三元锂电池的能量密度大，电压更高，同样重量的电池组电池容量更大，车辆续驶里程更远。正如特斯拉Model S充满电的续驶里程约400km。

②安全性。由于镍钴铝的高温结构不稳定，导致热稳定性差，且pH值过高易使单体胀气，进而引发危险。NCA（镍钴铝）在250～300℃就会发生分解，释放的氧气遇到电池中可燃的电解液、碳材料后一点就着，产生的热量进一步加剧正极分解，在极短的时间内就会爆燃。对于三元锂电池而言，其电池管理系统、散热系统就至关重要。与此相比磷酸铁锂电池遭到350℃的高温也不会起火。

③耐温性能。三元锂电池耐低温性能更好，是制造低温锂电池的主要技术路线，在-20℃时，三元锂电池能够释放70.14%的容量，而磷酸铁锂电池组只能释放54.94%的容量，且由于在低温条件下，三元锂电池的放电平台远远高于磷酸铁锂电池电压平台，故其启动也更快。表1-1-2为锂电池的耐温性能对比。

④循环寿命。磷酸铁锂电池的循环寿命要优于三元锂电池，三元锂电池的理论寿命是2000次，但基本上到1000次时，容量会衰减到60%；就算是特斯拉，经过1000次也只能保持70%的电量，而磷酸铁锂电池经过相同的循环周期，还有80%的容量。但是三元锂电池在不断加强的电池管理技术的加持下，也逐渐得到提高。

⑤各种锂离子电池参数见表1-1-3。

（5）镍镉电池

1）组成。镍镉电池（Nickel-cadmium battery）是正极活性物质主要由镍制成、负极活性物质主要由镉制成的一种碱性蓄电池，电解液是氢氧化钾溶液，如图1-1-10所示。

2）工作原理。镍镉电池的正极材料为球形氢氧化镍，充电时为NiOOH，放电时为Ni（OH）₂。负极材料为海绵状金属镉或氧化镉粉以及氧化铁粉，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，增加极板的容量。电解液通常为氢氧化钾或氢氧化纳溶液，在充放电的过程中，电解液基本不会消耗。为了增加蓄电池的容量和循环寿命，通常在电解液中加入少量的氢氧化锂（大约每升电解液加15～20g）。

3）特点。镍镉电池的工作电压较低，标称电压为1.2V，比能量为55W·h/kg，比功率为225W/kg；工作温度为-40～8℃，自放电率低，充电能力强，充电18min即可充40%～80%容量；电池寿命长，理论上有2000～4000次的循环寿命。

镍镉电池中的镉是一种有害重金属，对环境存在污染，需回收管理；镍镉电池有记忆效应，其成本高于铅酸电池，为铅酸电池的4～5倍。

（6）镍氢电池

1）镍氢电池结构。镍氢电池（Ni-MH）也是一种碱性电池，电池组是由单体电池组合（串联或并联）而成，是在镍镉电池的基础上发展出来的一款镍电池。镍氢电池由正负极、隔膜、电解液、安全阀、壳体等组成，如图1-1-11所示。

①正极。镍氢电池的正极采用高孔率泡沫镍或纤维镍做导电骨架，其表面是由氢氧化物制作而成，其制造工艺可分为烧结式和泡沫镍式两大类。

②负极。镍氢电池的负极是由骨架和储氢合金组成的。

③隔膜。镍氢电池的隔膜采用尼龙无纺布或聚丙烯无纺布等材料，由于尼龙无纺布在碱性电解液中会发生解离，所以绝大多数采用聚丙烯无纺布。为了确保隔膜的一定厚度，所以镍氢电池的聚丙烯无纺布隔膜的厚度比锂离子电池的厚得多。

④电解液。镍氢电池的电解液一般是氢氧化钾碱性溶液（KOH），有的镍氢电池在电解液中加入少量的氢氧化锂（LiOH）或氢氧化钠（NaOH）。

⑤壳体和安全阀。镍氢电池的外壳多采用镀镍薄钢板，在电动汽车用的方形电池上，也有采用塑料外壳的。安全阀安装在镍氢电池的顶部，其主要作用是在镍氢电池过放电时，使正极析出的气体可以在负极消耗，使电池内部压力保持平衡。当析出气体的速度大于消耗的速度时，电池内部压力升高，此时安全阀在达到压力最大值时打开，通过排气孔排出气体，使电池内部压力降低，防止电池爆炸。当电池内部压力小于一定值时，安全阀自动关闭。

2）镍氢电池的工作原理。将球状氢氧化镍粉末与添加剂Co等金属、塑料和黏合剂制成的涂膏涂在正极板上就形成了镍-氢电池的正极。

镍氢电池负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气循环和放气循环。储氢合金是以稀土系、锆系列、钛系列、镁系列的化合物为载体与钴、锰等金属元素烧成的合金材料，是一种氢原子可以渗入或析出的多金属合金晶格基块。储氢合金的性能对镍氢电池的性能有直接的影响。

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，负极从金属转化为金属氢化物。在放电过程中，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。

3）镍氢电池的优点如下：

①比功率大。

②循环寿命长，一般使用寿命为5～10年。

③不含铅、镉等对人体有害金属，无污染。

④耐过充电、过放电能力较强。

⑤无记忆效应。

⑥使用温度范围宽，正常使用温度范围为-30～60℃。

⑦使用安全可靠。

4）镍氢电池的缺点如下：

①充电过程中容易发热，对环境温度变化敏感。

②在高温状态下，性能变差。

③镍金属氢化物电池在充电后期，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。

④自放电损耗大，电池组在使用过程中各个单体电池的均匀性（不一致性）较差。

⑤成本为铅酸电池的5～8倍。

（7）燃料电池

1）概述。燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，类似一个蓄电池，但实质它不是储能元件而是一个发电装置。

燃料电池技术是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。它是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

燃料电池的发电原理是：电池的阳极（燃料极）输入氢气（燃料），氢分子（H₂）在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子（H+）和电子（e-），H+穿过燃料电池的电解质层向阴极（氧化极）方向运动，e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极；在电池阴极输入氧气（O₂），氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子（O），与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+结合生成稳定结构的水（H₂O），完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入氧气，电化学反应就会连续不断地进行下去，e-就会不断通过外部电路流动形成电流，从而连续不断地向汽车提供电力。因而，燃料电池具有效率高、噪声低、无污染物排出等优点，如图1-1-12所示。

燃料电池的主要构成组件有电极（Electrode）、电解质隔膜（Electrolyte Membrane）与集电器（Current Collector）等。

①电极。燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所。

电极主要分为阳极（Anode）和阴极（Cathode），厚度一般为200～500mm；结构设计为多孔结构，设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的电极，以增加参与反应的电极表面积。

目前高温燃料电池的电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFC）的Y₂O₃—Stabilized—ZrO₂（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFC）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如，磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。

②电解质隔膜。电解质隔膜的主要功能是分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但也要具有一定的强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十微米至数百微米；隔膜材质，目前主要朝两个方向发展，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅（SiC）膜、铝酸锂（LiAlO₃）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂-钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一个方向则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。

③集电器。集电器又称作双极板（Bipolar Plate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。

2）燃料电池与锂电池的优劣对比（表1-1-4）。

2. 物理电池

物理电池顾名思义，就是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如超级电容、飞轮电池等是物理电池的家族成员。

（1）超级电容器

超级电容器（Super Capacitor）又称电化学电容器，是通过极化电解质来储能的一种新型的储能元件。但在储能的过程中并不发生化学反应，具有超级储电能力，其储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。其性能介于蓄电池和传统电容器之间，它兼有电池和物理电容器的特性，能提供比物理电容器更高的能量密度，比电池具有更高的功率密度和更长的循环寿命。

插入电解质溶液中的金属电极表面与液面两侧会出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两个电极的表面形成紧密的电荷层，即双电层。

1）超级电容的结构组成。超级电容单体主要由电极、电解质、集电极、隔离膜连线极柱、密封材料和排气阀等组成（图1-1-13）。电极材料一般有碳电极材料、金属氧化物及其水合物电极材料、导电聚合物电极材料。

对于超级电容，要求电极内阻小、导电率高、表面积大、尽量薄；电解质需有较高导电性（内阻小）和足够电化学稳定性（提高单体电压）。电解质材料分为有机类和无机类，或分为液态和固态类；集电极选用导电性能良好的金属和石墨等。

隔离膜防止超级电容相邻两电极短路，保证接触电阻较小，尽量薄，通常使用多孔隔膜。有机电解质通常使用聚合物或纸作为隔膜，水溶液电解质可采用玻璃纤维或陶瓷隔膜。

在电动汽车上广泛使用的主要是碳电极超级电容。

2）超级电容器的工作原理。超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，正极板存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，电容量非常大。

电容器极板上所储集的电量q与电压成正比。电容的计量单位为“法拉”（F）。当电容器充上1V电压，如果极板上存储1F电荷量，则该电容器的电容量就是1F。

式中 C——电容（F）；

ε——电介质的介电常数（F/m）；

A——电极表面积（m2）；

d——电容器间隙的距离（m）。

3）超级电容的分类。超级电容可以按不同的方式进行分类：①按照储能原理分类；②按照结构形式分类；③按照电极材料分类；④按照电解液类型分类。

4）超级电容器的优点如下：

①超级电容的内阻小，功率密度高，可达300～5000W/kg，为蓄电池的5～10倍。

②循环寿命长。充电次数从数十万次到百万次，没有“记忆效应”。

③充电速度快。可以用大电流给超级电容充电，充电10s～10min可达到其额定容量的95%以上。

④工作温度范围宽。能在-40～60℃的环境温度中正常工作。

⑤简单方便。充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。

⑥绿色环保。它的自放电速率比化学电源要高。

5）超级电容器的缺点如下：

①线性放电。超级电容线性放电的特性使它无法完全放电。

②低能量密度。目前超级电容可储存的能量比化学电源少得多。

③低电压。超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。

④高自放电。

（2）飞轮电池

飞轮电池是一种物理储能电池，起源于20世纪70年代，最初研发将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到20世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及能源日趋紧缺和全球对环境污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从研发实验走向社会应用。目前欧美国家已出现实用化的产品，而我国对飞轮电池的研究才刚刚起步。

1）飞轮的组成。飞轮电池系统主要包括三个核心部分：飞轮、电机（电动机/发电机）和电力电子变换装置（图1-1-14）。

2）飞轮电池工作原理。电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求（图1-1-15）。

飞轮电机由于输入、输出工作状态不同，且彼此独立，因而其根据车辆的需要，工作在不同的状态（发电机和电动机状态）。

飞轮电池储能是基于飞轮以一定角速度旋转时，飞轮具有一定的转动惯量，可以将其以动能形式存储起来加以利用。飞轮作为储能的核心部件，飞轮电池存储能量E如下式：

式中 j——飞轮的转动惯量，与飞轮的形状和质量有关；

ω——飞轮转动的角速度。

3）飞轮电池的优点如下：

①能量密度高：储能密度可达100～200W·h/kg，功率密度可达5000～l0000W/kg。

②能量转换效率高：工作效率高达90%。

③体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。

④工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。

⑤使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环运行几百万次，预期寿命20年以上。

⑥低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。

4）飞轮电池的缺点如下：

①由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，容易解体，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵，成本比较高。

②飞轮一旦充电，就会不停转动下去。

【任务实施】

1. 任务准备

安全防护：电池实训场地安全防护与隔离。

工具设备：多种类型电池。

辅助资料：维修手册、教材、实训工作页。

2. 实施任务

1）单体电池的识别（表1-1-5）。

2）主流动力电池的区别（表1-1-6）。