科目：
- 介紹
- 不同電池的材質及規格
- 鉛酸蓄電池
- 鎳鎘 (Ni-Cd)
- 鎳氫 (Ni-MH)
- 鋰離子 (li-ion)
- 超級電容器（supercap）
- 電池單元平衡
介紹：
混合動力或全電動汽車比僅配備內燃機的汽車擁有更大、更重的電池。 混合動力汽車使用高電壓，如果由不合格的人員進行維修，可能會危及生命。 舉個例子：
- 運轉中的啟動馬達功耗約為 1,2 kW（1200 瓦）
- 完全依靠電力運行的混合動力汽車的耗電量約為 60 kW（60.000 瓦）
混合動力汽車只能由經過特殊訓練的人員操作。 有一個12伏特的車載網絡，為配件（如收音機等）供電，自帶小電池，還有一個高壓車載網絡，工作電壓為400伏（取決於品牌） ）。 400V電壓透過特殊的DC/DC轉換器轉換為12V並對相關電池充電。
對混合動力驅動電池提出了很高的要求。 它們一定很大 存儲容量 具有。 儲存大量能量儲備，並在支援內燃機（混合動力）或為完整推進（BEV）提供能量時消耗非常高的電壓。
下圖顯示了豐田普銳斯的電池組。 此鎳氫 (NiMH) 電池包含 28 個模組，每個模組由 6 個電池組成。 每個電池的電壓為 1,2 伏特。 此電池組的總電壓為201,6伏特。
不同類型電池的材質及規格：
在開發電動傳動系統時，需要在不同類型的電池之間進行選擇。 特性、性能、施工選項和成本起著重要作用。 混合動力和全電動汽車中最常用的電池類型是 Ni-MH（鎳氫）和鋰離子（鋰離子）電池。
除了鎳氫和鋰離子類型之外，電解電容器也得到了發展，我們將其命名為「超級電容器」或「超級電容器」。
表中顯示了不同電池的材料及其規格。
鉛蓄電池：
表中也提到了鉛酸電池（不考慮凝膠和 AGM 版本）。 由於鉛酸電池在最大放電20%時壽命最長，隨著老化會出現硫酸鹽化，且能量密度和含量較低，不適合用於電動車。 我們確實找到了鉛酸電池作為配件電池； 照明、舒適系統（車身）和資訊娛樂系統等低壓用電設備的工作電壓約為 14 伏特。
鎳鎘（Ni-Cd）：
過去，鎳鎘 電池具有記憶效應，因此不適合用於電力推進：不斷發生部分充電和放電。 現代鎳鎘電池幾乎不再受記憶效應的影響。 這種電池的最大缺點是含有有毒物質鎘。 這使得鎳鎘電池對環境極為不友善。 因此，法律禁止使用該電池。
鎳氫 (Ni-MH)：
鎳氫電池的充電速度比鉛酸電池快。 充電過程中會產生熱量和氣體，必須除去。 電池配備冷卻系統和排氣閥。 由於其壽命長、能量和功率密度高，鎳氫電池適合在電動車中使用。 然而，此類電池對過度充電、過度放電、高溫和快速溫度變化很敏感。
下圖顯示了豐田普銳斯的鎳氫電池組。 此電池組位於後行李箱內，後座靠背後面。 當溫度感測器記錄到高溫時，冷卻風扇就會啟動（可以在右側照片中的白色外殼處看到）。 風扇從內部吸入空氣並將其吹過電池組內的風道以冷卻電池。
鋰離子（li-ion）：
由於鋰離子電池的能量和功率密度較高（與鎳氫電池相比），鋰離子電池組通常用於插電式混合動力汽車和純電動車。 鋰離子電池在低溫下性能良好，使用壽命長。 預計隨著進一步發展，未來幾年該物業將得到改善。
在下一張圖片中，我們看到了 BMW i3 的（鋰離子）電池組。 蓋子已旋開，位於其後面。 安裝後，蓋子會氣密關閉。
i3的電池組安裝在車輛下方。 前軸和後軸之間的地板空間被盡可能地利用起來，為電池組提供盡可能多的空間。
在影像中，我們看到八個獨立的區塊，每個區塊有十二個單元。 每個區塊的容量為 2,6 kWh，因此總共 22 kWh。 作為比較：目前一代 i3（2020）的電池容量為 94 Ah，功率為 22 kWh。 自 2013 年推出以來，電池組的尺寸一直保持不變，但其性能（以及續航里程）卻大大提高。
Tesla 從 2013 年起在車型（Model S 和 Model X）中使用小型電池，這些電池比我們從電視遙控器中了解到的標準 AA 電池稍大。 電池（松下 18650）長 65 毫米，直徑 18 毫米。 最廣泛的電池組包含不少於 7104 個此類電池。
在下圖中，我們可以看到左側為單一電池單元，右側為包含 7104 單元的電池組。
鋰離子電池由四個主要部件組成：
- 陰極 (+) 由鋰合金組成
- 陽極 (-) 由石墨或碳組成
- 多孔分離器
- 電解質
放電期間，鋰離子會透過電解質從陽極 (-) 移動到陰極 (+)，到達消耗裝置，然後返回陽極。 充電期間，離子沿相反方向移動，然後從陰極 (+) 移動到陽極 (-)。
電解質含有鋰鹽以傳輸離子。 隔膜確保鋰離子可以通過，同時陽極和陰極保持分離。
電池單元安裝在串聯的模組中。 下面的示意圖顯示了與大眾 E-UP 的電池組非常相似的電池組！ 和雷諾佐伊。 僅電池數量不同：E-UP 的電池組！ 有 204 個電池，雷諾 Zoë 192 有 XNUMX 個電池。
在此範例中，電池組由兩個包含六個模組的電池組組成。 每個模組包含兩組並聯的10個串聯電池。
- 串聯：電池電壓升高。 當電池電壓（鋰離子）為 3,2 伏特時，一個電池模組提供 (3,2 * 10) = 32 伏特。
串聯連接的缺點是，如果電池損壞，整個串聯連接的容量就會降低。 - 並聯：電壓不變，但電流和容量增加。 損壞的電池對與其並聯的電路中的電池沒有影響。
因此，製造商可以選擇每個模組使用多個並行電路。 因此，在大眾 E-Golf 的模組中，不是（本例中為兩個）而是三組電池並聯連接。
鋰離子電池的壽命約為 2000 個放電和充電週期，之後其容量會減少至其初始充電容量的約 80%。
鋰離子電池的電壓如下：
- 額定電壓：3,6伏特；
- 放電極限：2,5伏特；
- 最大充電電壓：4,2伏特。
大多數電池管理系統 (BMS) 使用 2,8 伏特的下限。 如果電池放電超過 2,5 伏特，電池就會損壞。 細胞的壽命縮短。 鋰離子電池過度充電也會縮短其使用壽命，但也很危險。 電池過度充電可能會導致其易燃。 電池的溫度也會影響其壽命：溫度低於 0°C 時，電池可能無法再充電。 在這種情況下，加熱功能提供了一個解決方案。
超級電容（supercap）：
在前面的段落中，提到了不同的電池類型，每種類型都有其應用、優點和缺點。 每個擁有這種電池的人都面臨的一個缺點是充電時間。 電池組充電可能需要幾個小時。 快速充電是一種選擇，但這會帶來更多熱量，並且可能會導致電池組更快老化（和損壞）。
目前正在對超級電容器進行大量研究和開發。 我們也稱這些為「超級電容器」或「超級電容器」。 使用超級電容器可以為此提供解決方案：
- 充電非常快；
- 它們可以非常快速地釋放能量（放電），因此可以顯著增加功率；
- 由於不會發生電化學反應，充電週期次數不受限制（至少 1 萬次），因此比鋰離子電池更耐用；
- 部分與前一點相關，超級電容器可以完全放電，而不會對其壽命產生任何不利影響。
超級電容器是容量和能量密度比標準電解電容器高數千倍的電容器。 透過使用含有離子的特殊電解質（絕緣材料）來增加容量，因此極板之間具有非常高的介電常數。 將隔板（薄箔）浸泡在含有離子的溶劑中，並將其放置在板之間。 這些板通常由碳製成。
所示電容器的電容為 5000 F。
超級電容器可與鋰離子高壓電池組合； 當短暫加速時，可以使用電容器的能量來取代高壓電池的能量。 透過再生製動，電容器可在不到一秒的時間內充滿電。 未來的發展也可能使用超級電容器封裝取代鋰離子電池成為可能。 不幸的是，就目前的技術而言，與鋰離子電池相比，容量和功率密度都太低。 科學家們正在尋找提高容量和功率密度的方法。
電池單元平衡：
透過被動和主動電池單元平衡，每個電池單元均由 ECU 監控，以保持健康的電池狀態。 這可以防止深度放電或過度充電，從而延長電池的使用壽命。 尤其是鋰離子電池必須保持在嚴格的限制範圍內。 電池的電壓與電荷狀態成正比。 電池的電荷必須盡可能保持彼此平衡。 透過電池平衡，充電狀態可以精確控制在 1 mV（0,001 伏特）以內。
- 被動平衡透過對充電狀態過高的電池進行部分放電來確保所有電池單元的充電狀態達到平衡（我們將在本節後面討論這一點）；
- 主動平衡是一種更複雜的平衡技術，可在充電和放電過程中單獨控制電池。 主動平衡的充電時間比被動平衡的充電時間短。
在下圖中，我們看到一個有八個電池的電池模組。
八顆電池已充電至 90%。 如果電池持續充電至 100%，其壽命會縮短。 相反，如果電池放電超過 30%，壽命也會縮短：在充電狀態<30% 時，電池會深度放電。
因此，電池的充電狀態始終在 30% 到 90% 之間。 這由電子設備監控，但車輛駕駛員看不到。
當達到 0% 或 100% 時，儀表板中的數位顯示器指示 30% 或 90%。
由於年老，有些細胞會變得比其他細胞更弱。 這對電池模組的充電狀態有很大影響。 在接下來的兩張圖片中，我們看到了當兩個電池因老化而容量較低時的充電狀態。 在這些情況下電池單元不平衡。
- 因壞電池而放電較快：中間的兩個電池因容量較低而放電較快。 為了防止深度放電，模組中的其他六個電池無法再釋放能量，因此不能再使用；
- 由於電池損壞而無法完全充電：由於中間兩節電池的容量較低，因此充電速度更快。 由於它們的充電速度比其他六個電池快 90%，因此無法進行進一步充電。
顯然，較低容量的電池是放電（行駛時）和充電時的限制因素。 充分利用電池組的全部容量並確保較長的使用壽命。
電池平衡有兩種方法：被動和主動。
- 沒有平衡：四個電池都有不同的充電狀態。 2號電池幾乎沒電，4號電池已充滿電；
- 被動：容量最大的電池被放電，直到達到最弱電池（範例中的電池 2）的充電狀態。 1、3、4號電池放電為損耗。
在範例中，我們看到燒杯放電直至達到電池 2 的充電狀態； - 主動：來自完整電池的能量用於填充空電池。 現在沒有損失，而是能量從一個細胞轉移到另一個細胞。
以下解釋被動和主動電池平衡的工作原理。
被動電池平衡：
在範例中，我們看到四個電池單元與可開關電阻 (R) 並聯串聯。 在此範例中，電阻器透過開關接地。 實際上，這是一個晶體管或 FET。
在範例中，我們看到單元 3 已 100% 載入。 從前面的段落我們知道，這種電池充電速度更快，因為它比其他三種電池更弱。 由於 3 號電池的充電狀態為 100%，因此其他 XNUMX 號電池不再充電。
與電池 3 並聯的電阻透過開關包含在電流電路中。 電池 3 放電，因為一旦電流流過電阻，電阻就會吸收電壓。 放電持續進行，直到電池與其他電池處於同一水平； 在本例中為 90%。
當該模組中的所有四個電池都具有相同的充電狀態時，它們可以進一步充電。
透過被動電池平衡，能量會損失：並聯電阻吸收的電壓已經損失。 儘管如此，許多製造商至今仍在使用這種平衡方法。
主動電池平衡：
當然，主動電池平衡更有效。 過滿電池的能量用於為空電池充電。 我們在下面看到一個主動電池平衡的例子。
在範例中，我們看到兩個串聯的電池（3 和 4），其電壓高於它們（分別為 4 和 3,9 伏特）。 電池 3 透過變壓器放電。 初級側的 FET 允許放電。 變壓器中的初級線圈由此充電。 次級側的 FET 導通變壓器的次級線圈。 所獲得的充電電流用於為另一個電池下的變壓器供電。 單元 4 下方的變壓器也由 FET 開關。
