電池三大分類

　　汽車所使用的電池主要分為三大類，即為化學(xué)電池、物理電池以及生物電池，分別為：

　　化學(xué)電池，化學(xué)電池是利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池系統(tǒng)，其中主要分為原電池、蓄電池以及燃料電池和儲(chǔ)備電池四種。

　　1、原電池，其實(shí)就是一次性電池，是指電池放點(diǎn)后不能用一般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、鋅空氣電池以及一次鋅銀電池等都是此類一次性電池。

　　2、蓄電池，又稱二次電池，是指電池在放電后可以通過(guò)充電的方法是活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，其實(shí)也就是我們目前最常見(jiàn)的充電電池，比如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰離子電池等等。

　　3、燃料電池，燃料電池又稱聯(lián)系電池，是指參加反映的活性物質(zhì)從電池外部連續(xù)不斷的輸入電池，或者可以說(shuō)其實(shí)燃料電池就是一個(gè)發(fā)電站，比如質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性染料電池、磷酸燃料電池等等。

　　4、儲(chǔ)備電池，這種電池是指電池正負(fù)極與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸，使用前注入電解溶液使正負(fù)極接觸，此后電池進(jìn)入待放電狀態(tài)，如鎂電池、熱電池等等。

　　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(yáng)能電池、超級(jí)電容器以及飛輪電池等。

　　生物電池，生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池。酶電池以及生物太陽(yáng)電池等等。

　　新能源車對(duì)于電池系統(tǒng)的要求

　　就像對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的各種要求，新能源車對(duì)于電池組也有著苛刻的要求，而這幾項(xiàng)對(duì)于電池組的要求則直接關(guān)系到了新能源車在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方面的效能等問(wèn)題：

　　1、比能量，為了提高電驅(qū)動(dòng)的續(xù)航里程，要求汽車上動(dòng)力電池需要最大限度的存儲(chǔ)能量，但其前提是不能過(guò)多的增加車體自重、占用空間，所以需要電池組需要有很高的比能量。

　　2、比功率，為了能使電驅(qū)動(dòng)的加速性能。爬坡性能以及負(fù)載性能與內(nèi)燃機(jī)車相提并論，所以對(duì)于電池組的比功率會(huì)有很高的要求。

　　3、充放電效率，電池中能量必須經(jīng)過(guò)充電-放電-充電的循環(huán)，高德充放電效率對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的行駛效率有著至關(guān)重要的作用。

　　4、穩(wěn)定性，電池組應(yīng)當(dāng)在快速充電和放電的往復(fù)工況中保持性能的穩(wěn)定性，使其在動(dòng)力系統(tǒng)使用條件下能達(dá)到足夠的放電循環(huán)次數(shù)。

　　5、成本，除了降低電池的初始購(gòu)買成本，還要提高電池的使用壽命。

　　6、安全性，電池不能引起自燃或者燃燒，同時(shí)在發(fā)生車輛碰撞的時(shí)候，不會(huì)對(duì)駕乘人員造成人身傷害。

　　鉛酸蓄電池

　　鉛酸蓄電池自1958年發(fā)明以來(lái)，其使用和發(fā)展已經(jīng)有了100多年的歷史，其廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車的動(dòng)力端，而新能源車所使用的鉛酸蓄電池因?yàn)樾枰獮檐囕v提供動(dòng)力，所以它的主要發(fā)展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用的壽命。鉛酸蓄電池是最成熟的新能源電池系統(tǒng)，1881年，世界第一輛電動(dòng)三輪車使用的就是鉛酸蓄電池，猶豫鉛酸蓄電池成熟、可靠性好、原材料價(jià)格低廉，同時(shí)比功率也基本上可以滿足電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力要求，所以在新能源汽車中廣泛應(yīng)用。

　　鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：

　　1、除鋰離子電池外，在場(chǎng)用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，即為2.0V；

　　2、制造成本低廉；

　　3、可以做成小至1Ah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，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)；

　　5、電能效率可以達(dá)到60%；

　　6、高低溫性能良好，可以在-40℃～60℃條件下工作；

　　7、易于浮充使用，沒(méi)有“記憶”效應(yīng)，且易于識(shí)別荷電狀態(tài)。

　　鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)：

　　1、比能量低，在新能源車重所需要占用的整體質(zhì)量以及體積比較大，一次充電可行駛的歷程比較短；

　　2、使用壽命短，且后期使用成本高；

　　3、充電時(shí)間長(zhǎng)；

　　4、鉛是重金屬，存在污染，與新能源動(dòng)力車的概念背道。

　　鎳氫電池

　　鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)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)則由氫合金支撐，屬堿性電池。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(wú)污染，屬于一種綠色能源，目前很多新能源動(dòng)力車型所使用的電池組都會(huì)選擇鎳氫電池。

　　鎳氫電池的特點(diǎn)：

　　鎳氫電池具有無(wú)污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用等諸多特性，與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池具有比能量高、質(zhì)量輕以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)還具有一下特點(diǎn)：

　　1、比功率高，目前商業(yè)化的鎳氫電池功率可以達(dá)到1350W/kg；

　　2、循環(huán)次數(shù)多，目前應(yīng)用在電動(dòng)車輛上的鎳氫動(dòng)力電池組，80%放點(diǎn)深度循環(huán)可以達(dá)到1000次以上，為鉛酸電池的三倍以上，100%DOD循環(huán)壽命也在500次以上，在混合動(dòng)力的汽車上可以使用五年以上；

　　3、無(wú)污染，鎳氫電池不含鉛、鎘等對(duì)人體有害的金屬；

　　4、耐過(guò)充過(guò)放，無(wú)記憶效應(yīng)；

　　5、使用溫度范圍大，正常使用溫度范圍在-30～50℃，存儲(chǔ)溫度范圍-40～70℃

　　6、安全，可以抵抗短路、擠壓、針刺、跌落、加熱、震動(dòng)等情況，且不會(huì)發(fā)生爆炸或者燃燒現(xiàn)象。

　　鋰離子電池

　　鋰離子電池最早在1990年由日本的索尼公司推向市場(chǎng)，是目前世界上最新一代的充電電池系統(tǒng)，與其它電池想比，其有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、更快的充電、自放電率低一級(jí)工作溫度范圍款和安全等優(yōu)勢(shì)，相比較鎳氫電池，混合動(dòng)力汽車采用鋰離子電池，可是電池系統(tǒng)的質(zhì)量下降40%～50%、體積減小20%～30%，能源效率也有提升。

　　鋰離子電池按照不同的正極材料可以分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵離子電池以及鎳鈷鋰離子電池（鎳鈷錳離子電池）等，大多數(shù)新能源車型所使用的第一代鋰離子電池均為錳酸鋰離子電池，其成本更低、安全，但是循環(huán)壽命欠佳，同時(shí)在高溫狀態(tài)下循環(huán)壽命短，甚至在高溫狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)錳離子溶出現(xiàn)象，而現(xiàn)在大多數(shù)新能源車型所使用的第二代電池組為磷酸鐵離子電池，也是未來(lái)鋰離子電池的發(fā)展方向所在。

　　鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)

　　1、工作電壓高，其工作電壓為3.6V，是鎳氫、鎳鎘電池工作電壓的3倍；

　　2、比能量高，其比能量達(dá)到150Wh/kg，是鎳鎘電池三倍，鎳氫電池1.5倍；

　　3、循環(huán)壽命長(zhǎng)，其循環(huán)壽命可以達(dá)到千次以上，在低放電深度下可以達(dá)到幾萬(wàn)次，超過(guò)了其它幾種二次電池；

　　4、自放電率低，鋰離子電池的自放電率僅為6～8%，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池和鎳氫電池。

　　5、無(wú)記憶性、無(wú)污染、隨意塑形。

　　鋰離子電池缺點(diǎn)

　　1、成本高，主要是正極材料的LiCoO 的成本高，但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來(lái)計(jì)算的話，其實(shí)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(guò)充現(xiàn)象。

　　燃料電池

　　燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種化學(xué)電池，它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能，工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給活物質(zhì)（起反映的物質(zhì)）燃料和氧化劑。猶豫它是把燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)釋放出的能量變成電能，所以成為燃料電池。燃料電池的發(fā)展是以電化學(xué)、電催化、電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)、化工過(guò)程和自動(dòng)化等學(xué)科為基礎(chǔ)的，而最早的燃料電池在1839年格洛夫使用電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣而制造出了最早的燃料電池。

　　其實(shí)根據(jù)燃料電池車的工作原理來(lái)說(shuō)，其所謂的燃料電池其實(shí)就好象串聯(lián)式混合動(dòng)力車的工作原理，其燃料電池并不是純粹意義上的電池，而是一個(gè)輸送電能的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，其將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能后輸送給電池，爾后再將電能輸送給電動(dòng)機(jī)，或者其實(shí)稱它為串聯(lián)式混合動(dòng)力車也未嘗不可，但是它的優(yōu)點(diǎn)卻更多：

　　1、比如它的能量轉(zhuǎn)換的效率更高。過(guò)氫氧化和作用將其所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，而不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程，也不受卡諾循環(huán)的限制；

　　2、無(wú)污染。其排放物僅為可食用的純凈水，或者說(shuō)開(kāi)車不需要帶太多的飲用水了。

　　3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。燃料電池車（質(zhì)子交換膜燃料電池）的電池模塊是一種積木化的結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝以及維護(hù)都非常方便，同時(shí)因?yàn)槠涔ぷ鳛檎`解些運(yùn)動(dòng)部件，以及工作中只會(huì)產(chǎn)生水，所以其在運(yùn)行中的噪音也會(huì)更低。

　　4、氫能源來(lái)源充分。氫是一種來(lái)源非常廣泛的能源，且是一種可再生資源，比如可以通過(guò)石油、天然氣、甲醇、甲烷等進(jìn)行重整制氫、光解水制氫等方法得到氫氣。

　　不過(guò)缺點(diǎn)同樣存在，其成本與其它新能源動(dòng)力一樣會(huì)非常高，同時(shí)對(duì)氫的純凈度要求非常高，以及因?yàn)闅鋵儆诨钚晕镔|(zhì)，所以對(duì)于其儲(chǔ)存器具的要求也頗為嚴(yán)苛，致使其在科技含量以及成本上都不會(huì)比其它新能源動(dòng)力低，而這些也正是制約燃料電池發(fā)展的主要瓶頸，雖然奔馳汽車在燃料電池方面有著不錯(cuò)的發(fā)展，但是其瓶頸則依然卡在了電池能量密度、制造成本等問(wèn)題之上。

每五次汽車故障就有一次是電池造成的。在未來(lái)數(shù)年內(nèi)，隨著電傳線控，發(fā)動(dòng)/熄火引擎管理和混合動(dòng)力（電力/燃?xì)猓┑绕嚰夹g(shù)日益普及，這一問(wèn)題將變得越來(lái)越嚴(yán)重。 
　　為了減少故障，需要精確地檢測(cè)電池的電壓、電流和溫度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算充電狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，將結(jié)果發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 （ECU），以及控制充電功能。 
　　現(xiàn)代汽車誕生于20 世紀(jì)初。第一輛汽車依靠手動(dòng)啟動(dòng)，需要很大的力量，存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，汽車的這種“手搖曲柄”造成了很多死亡事故。1902 年，第一臺(tái)電池啟動(dòng)馬達(dá)研制成功，到1920 年，所有的汽車都已采用電啟動(dòng)。 
　　最初使用的是干電池，當(dāng)電能耗盡時(shí)，必須予以更換。不久之后，液體電池（即古老的鉛酸電池）就取代了干電池。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，它可以從中充電。 
　　在上世紀(jì)，鉛酸電池幾乎沒(méi)有什么變化，最后一次主要改進(jìn)是對(duì)其進(jìn)行密封。真正改變的是對(duì)它的需求。起初，電池僅僅用于發(fā)動(dòng)汽車、鳴喇叭和為車燈供電。如今，在點(diǎn)火之前，汽車的所有電氣系統(tǒng)都要靠它供電。 
　　激增的新型電子設(shè)備不僅僅是GPS和DVD播放器等消費(fèi)電子設(shè)備。如今，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 （ECU）、電動(dòng)車窗和電動(dòng)座椅之類的車身電子設(shè)備已成為許多基本車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。呈指數(shù)級(jí)增加的負(fù)載已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，電氣系統(tǒng)造成的故障日益增多就是明證。根據(jù)ADAC 和RAC 統(tǒng)計(jì)，在所有汽車故障中，幾乎有36%可歸因于電氣故障。如果對(duì)該數(shù)字進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)50%以上的故障是由鉛酸電池這一組件造成的。 
　　評(píng)定電池的健康狀況以下兩個(gè)關(guān)鍵特性可以反映鉛酸電池的健康狀況： 
　?。?） 充電狀態(tài) （SoC）：SoC 指示電池可以提供多少電荷，用電池額定容量（即新電池的SoC）的百分比表示。 
　?。?） 運(yùn)行狀態(tài) （SoH）：SoH 指示電池可以儲(chǔ)存多少電荷。 
　　充電狀態(tài)充電狀態(tài)指示好比是電池的“燃油表”。計(jì)算SoC 的方法有很多，其中最常用的有兩個(gè)：開(kāi)路電壓測(cè)量法和庫(kù)侖測(cè)定法（也稱庫(kù)侖計(jì)數(shù)法）。 
　?。?） 開(kāi)路電壓 （VOC） 測(cè)量法：電池空載時(shí)的開(kāi)路電壓與其充電狀態(tài)之間成線性關(guān)系。這種計(jì)算方法有兩個(gè)基本限制： 
　　一是為了計(jì)算SoC，電池必須開(kāi)路，不連接負(fù)載；二是這種測(cè)量?jī)H在經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的穩(wěn)定期后才精確。 
　　這些局限使得VOC 方法不適合在線計(jì)算SoC。該方法通常在汽車維修店中使用，在那里電池被卸下，可以用電壓表測(cè)量電池正負(fù)極之間的電壓。 
　　（2） 庫(kù)侖測(cè)定法：這種方法用庫(kù)侖計(jì)數(shù)求取電流對(duì)時(shí)間的積分，從而確定SoC。利用該方法可以實(shí)時(shí)計(jì)算SoC，即使電池處在負(fù)載條件下。然而，庫(kù)侖測(cè)定法的誤差會(huì)隨著時(shí)間推移而增大。 
　　一般是綜合運(yùn)用開(kāi)路電壓和庫(kù)侖計(jì)數(shù)法來(lái)計(jì)算電池的充電狀態(tài)。 
　　運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)反映的是電池的一般狀態(tài)，以及其與新電池相比儲(chǔ)存電荷的能力。由于電池本身的性質(zhì)，SoH 計(jì)算非常復(fù)雜，依賴于對(duì)電池化學(xué)成分和環(huán)境的了解。電池的SoH 受很多因素的影響，包括充電接受能力、內(nèi)部阻抗、電壓、自放電和溫度。 
　　一般認(rèn)為難以在汽車這樣的環(huán)境中實(shí)時(shí)測(cè)量這些因素。在啟動(dòng)階段（引擎起動(dòng)），電池處在最大負(fù)載下，此時(shí)最能反映電池的SoH。 
　　Bosch、Hella 等領(lǐng)先汽車電池傳感器開(kāi)發(fā)商實(shí)際使用的SoC和SoH 計(jì)算方法屬于高度機(jī)密，常常還受專利保護(hù)。作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)的擁有者，他們通常與Varta 和Moll 等電池制造商密切合作開(kāi)發(fā)這些算法。 
　　

　　該電路可以分為三個(gè)部分： 
　?。?） 電池檢測(cè) 
　　電池電壓通過(guò)一個(gè)直接從電池正極分接出來(lái)的阻性衰減器來(lái)檢測(cè)。為檢測(cè)電流，將一個(gè)檢測(cè)電阻（12V應(yīng)用一般使用100mΩ）放在電池負(fù)極與地之間。在這種配置中，汽車的金屬底盤一般為地，檢測(cè)電阻安裝在電池的電流回路中。在其它配置中，電池的負(fù)極是地。對(duì)于SoH 計(jì)算，還必須檢測(cè)電池的溫度。 
　?。?） 微控制器 
　　微控制器或MCU 主要完成兩個(gè)任務(wù)。第一個(gè)任務(wù)是處理模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的結(jié)果。這項(xiàng)工作可能很簡(jiǎn)單，例如僅執(zhí)行基本濾波；也可能很復(fù)雜，例如計(jì)算SoC 和 SoH。實(shí)際的功能取決于MCU 的處理能力和汽車制造商的需求。第二個(gè)任務(wù)是將處理過(guò)的數(shù)據(jù)經(jīng)由通信接口發(fā)送到ECU。 
　?。?） 通信接口 
　　目前，本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 接口是電池傳感器和ECU 之間最常用的通信接口。LIN 是廣為人知的CAN 協(xié)議的單線、低成本替代方案。 
　　這是電池檢測(cè)最簡(jiǎn)單的配置。然而，大多數(shù)精密電池檢測(cè)算法要求對(duì)電池電壓與電流，或者電池電壓、電流與溫度同時(shí)采樣。 
　　為了進(jìn)行同步采樣，最多需要增加兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，ADC 和MCU 需要調(diào)節(jié)電源以便正確工作，導(dǎo)致電路復(fù)雜性增加。這已經(jīng)由LIN 收發(fā)器制造商通過(guò)集成調(diào)節(jié)電源而得到解決。 
　　汽車精密電池檢測(cè)的下一步發(fā)展是集成ADC、MCU 和LIN收發(fā)器，例如ADI 公司的ADuC703x 系列精密模擬微控制器。 
　　ADuC703x 提供兩個(gè)或三個(gè)8 ksps、16 位Σ-Δ ADC，一個(gè)20.48MHz ARM7TDMI MCU，以及一個(gè)集成LIN v2.0 兼容收發(fā)器。 
　　ADuC703x 系列片內(nèi)集成低壓差調(diào)節(jié)器，可以直接從鉛酸電池供電。 
　　為了滿足汽車電池檢測(cè)的需求，前端包括如下器件：一個(gè)電壓衰減器，用于監(jiān)控電池電壓；一個(gè)可編程增益放大器，與100mΩ 電阻一起使用時(shí)，支持測(cè)量1A 以下到1500A 的滿量程電流；一個(gè)累加器，支持庫(kù)侖計(jì)數(shù)而無(wú)需軟件監(jiān)控；以及一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器。 
　　圖2 所示為采用這種集成器件的解決方案。 

圖2. 采用集成器件的解決方案示例
　　幾年前，只有高檔汽車才配有電池傳感器。如今，安裝小型電子裝置的中低檔汽車越來(lái)越多，而十年前只能在高端車型中見(jiàn)到。鉛酸電池所引起的故障數(shù)量因此不斷增加。過(guò)不了幾年，每輛汽車都會(huì)安裝電池傳感器，從而降低日益增多的電子裝置引發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)。