電動汽車燃料動力電池及電池組的工作原理

新能源汽車的關鍵技術之一是動力鋰電池，可以說，動力鋰電池的技術水平是掣肘新能源汽車發(fā)展的關鍵。動力鋰電池的成本、技術、制造等水平，決定了新能源汽車的成本、續(xù)駛里程、性能、舒適度等。

而燃料動力電池是電動汽車中的一個特殊的存在，因為他不屬于固態(tài)電池，雖然其輸出的是電能但其工作原理更像是內(nèi)燃機的。今天一貓君就整理了電動汽車燃料動力電池和電池組的相關組成和工作原理資料。

燃料動力電池由燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。假如在陽極(即外電路的負極，也可稱燃料極)上持續(xù)供給氣態(tài)燃料(氫氣)，而在陰極(即外電路的正極，也可稱空氣極)上持續(xù)供給氧氣(或空氣)，就可以在電極上持續(xù)發(fā)生電化學反應，并出現(xiàn)電流。

由此可見，燃料動力電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外部的儲罐中。當它工作(輸出電流并做功)時，要不間斷地向電池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時排出反應產(chǎn)物。

因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機。

由于燃料動力電池工作時要持續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，所以燃料動力電池使用的燃料和氧化劑均為流體(氣體或液體)。

最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體(如重整氣)和某些液體(如甲醇水溶液)，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體(如過氧化氫和硝酸的水溶液等)。

燃料動力電池陽極的用途是為燃料和電解液供應公共界面，并對燃料的氧化出現(xiàn)催化用途，同時把反應中出現(xiàn)的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤傧蛲怆娐穫鬏敗?/p>

陰極(氧電極)的用途是為氧和電解液供應公共界面，對氧的還原出現(xiàn)催化用途，從外電路向氧電極的反應部位傳輸電子。

由于電極上發(fā)生的反應大多為多相界面反應，為提高反應速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。

電解質的用途是輸送燃料電極和氧電極在電極反應中所出現(xiàn)的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。

隔膜的用途是傳導離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此隔膜必須是抗電解質腐蝕和絕緣的物質，并具有良好耐潤濕性。

燃料動力電池是一種化學電池，它利用物質發(fā)生化學反應時釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點看，它和其他化學電池如鋅錳干電池、蓄電池等是類似的。

但是，它工作時要持續(xù)地向其供給反應物質——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大相同。由于它是把燃料通過化學反應釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵?，所以被稱為燃料動力電池。

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比，同樣都是要燃料，但以汽油柴油等石油提煉而來的燃料出現(xiàn)的是熱能做功為汽車供應動力，而燃料動力電池是燃燒后直接出現(xiàn)電能，兩種能量的不同導致發(fā)動機也完全不相同。

純電動汽車電池組的基本知識

電動汽車電池組由多個電池串聯(lián)疊置組成。一個典型的電池組大約有96個電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可出現(xiàn)超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個高壓電池，每次都對整個電池組進行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨立考慮每個電池的情況。

假如電池組中的一個電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。假如這個電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進入深度放電狀態(tài)，從而導致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。

為防止這種情況發(fā)生，每個電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項包括串行外設接口(SPI)總線、I2C總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。

另一個選項是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車應用中被廣泛使用。CAN總線非常棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。

近年來，我國動力鋰電池技術已經(jīng)取得長足進步。但是，當前動力鋰電池水平仍受制于材料特性、工藝水平、集成技術等多重因素的影響，尚不能完全滿足純電動汽車的要求。

比如制約燃料動力電池發(fā)展的問題——安全性，眾所周知，氣體往往是極不穩(wěn)的的一種存在，氫氣作為氣體的一種實則是十分危險的，氫燃料動力電池制造的大規(guī)模制氫、儲氫、輸氫和注氫等環(huán)節(jié)統(tǒng)統(tǒng)都會涉及到安全問題。再加之氫氣是一種無色無味的氣體，所以一旦泄露人的感官也無法立刻對其有所警覺，與空氣混合在一定濃度和溫度下就會燃燒，后果將不堪設想。

這就對系統(tǒng)的密封性和安全性要求非常之高了，而目前也還未出臺有關氫燃料動力電池的國際通用安全標準。氫燃料動力電池的另一大痛點，就是居高不下的成本問題。