電動車燃料電池及電池組的工作原理

2020-12-05 賈佳說車

電動車燃料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電池，可以說，動力電池的技術水平是掣肘新能源汽車發展的關鍵。動力電池的成本、技術、製造等水平，決定了新能源汽車的成本、續駛裡程、性能、舒適度等。

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

燃料電池由燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極(即外電路的負極，也可稱燃料極)上連續供給氣態燃料(氫氣)，而在陰極(即外電路的正極，也可稱空氣極)上連續供給氧氣(或空氣)，就可以在電極上連續發生電化學反應，並產生電流。

由此可見，燃料電池與常規電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內，而是儲存在電池外部的儲罐中。當它工作(輸出電流並做功)時，需要不間斷地向電池內輸人燃料和氧化劑並同時排出反應產物。

因此，從工作方式上看，它類似於常規的汽油或柴油發電機。

由於燃料電池工作時要連續不斷地向電池內送入燃料和氧化劑，所以燃料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、淨化空氣等氣體和某些液體(如過氧化氫和硝酸的水溶液等)。

燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，並對燃料的氧化產生催化作用，同時把反應中產生的電子傳輸到外電路或者先傳輸到集流板後再向外電路傳輸。

陰極(氧電極)的作用是為氧和電解液提供公共界面，對氧的還原產生催化作用，從外電路向氧電極的反應部位傳輸電子。

由於電極上發生的反應大多為多相界面反應，為提高反應速率，電極一般採用多孔材料並塗有電催化劑。

電解質的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應中所產生的離子，並能阻止電極間直接傳遞電子。

隔膜的作用是傳導離子、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，並具有良好耐潤溼性。

燃料電池是一種化學電池，它利用物質發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乾電池、鉛蓄電池等是類似的。

但是，它工作時需要連續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一樣。由於它是把燃料通過化學反應釋出的能量變為電能輸出，所以被稱為燃料電池。

與傳統的內燃機相比，同樣都是需要燃料，但以汽油柴油等石油提煉而來的燃料產生的是熱能做功為汽車提供動力，而燃料電池是燃燒後直接產生電能，兩種能量的不同導致發動機也完全不一樣。

純電動車電池組的基本知識

電動汽車電池組由多個電池串聯疊置組成。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，這樣的電池組可產生超過400V的總電壓。儘管汽車電源系統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，但電池控制系統必須獨立考慮每個電池的情況。

如果電池組中的一個電池容量稍微低於其他電池，那麼經過多個充電/放電周期後，其充電狀態將逐漸偏離其它電池。如果這個電池的充電狀態沒有周期性地與其它電池平衡，那麼它最終將進入深度放電狀態，從而導致損壞，並最終形成電池組故障。

為防止這種情況發生，每個電池的電壓都必須監視，以確定充電狀態。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。

電池組監視系統的一個重要考慮因素是通信接口。就PC板內的通信而言，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，適用於低幹擾環境。

另一個選項是控制器區域網(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。儘管從電池系統到汽車主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內採用SPI或I2C通信是有優勢的。

近年來，我國動力電池技術已經取得長足進步。但是，當前動力電池水平仍受制於材料特性、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。

比如制約燃料電池發展的問題——安全性，眾所周知，氣體往往是極不穩的的一種存在，氫氣作為氣體的一種實則是十分危險的，氫燃料電池製造的大規模製氫、儲氫、輸氫和注氫等環節統統都會涉及到安全問題。再加之氫氣是一種無色無味的氣體，所以一旦洩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，後果將不堪設想。

這就對系統的密封性和安全性要求非常之高了，而目前也還未出臺關於氫燃料電池的國際通用安全標準。 氫燃料電池的另一大痛點，就是居高不下的成本問題。

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