本書講述了電動汽車動力電池的發展、參數、測試等基礎知識, 重點講解目前應用最廣泛的鋰離子動力電池, 同時兼顧鎳氫電池、鉛酸電池等其他類型動力電池和儲能裝置。本書對動力電池管理系統、充電設施及動力電池維護技術也進行了詳細的介紹。
國家“十五”“863”計劃電動汽車重大科技專項確立了以燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車和純電動汽車為“三縱”，以多能源動力總成、驅動電池和動力電池為“三橫”的“三縱三橫”研發布局，電動汽車關鍵零部件核心技術取得突破。產業化方面，經過多年的示范應用和政策支持，市場對電動汽車表現出極大的認可。根據中國汽車工業協會（以下簡稱中汽協）最新統計數據，我國2016年新能源汽車生產51.7萬輛，銷售50.7萬輛，比上年同期分別增長51.7%和53%，已連續兩年產銷量位居全球第一。近幾年新能源汽車產業發展勢頭迅猛，然而我國相應的專業教育并沒有跟上，未來新能源汽車領域的人才缺口巨大。
在電動汽車領域，雖然關于電池技術的教材、專著并不少，但是絕大多數都側重于電池的原理，其中以電化學相關知識為主。以應用為目的尤其是為新能源汽車（這里主要指純電動汽車）而編寫的教材并不多，無法滿足相關專業學生對電動汽車動力電池知識學習的需求。鑒于此，編者在近幾年講授“電動汽車應用技術”“新能源汽車概論”“動力電池管理與維護”等課程的同時，整理講義并編寫了本書。在編寫過程中注意把握電動汽車動力電池的發展趨勢，引入動力電池最新的知識和最新應用，從結構和基本原理出發，介紹電池技術的發展歷史、重要參數、設備測試等基礎知識，重點講解目前應用最廣泛的鋰離子動力電池（包含三元電池），同時兼顧鉛酸電池、鎳氫電池、燃料電池、鋅空氣電池、太陽能電池、超高速飛輪電池、超級電容等其他類型動力電池和儲能裝置。在電池章節，對其電化學原理點到為止，重點介紹其使用特性和應用情況。同時對動力電池管理系統、充電設施及動力電池維護技術也進行了較詳細的介紹。全書整體敘述深入淺出，對動力電池作了相對詳細、全面和較為深入的介紹和分析。
本書共8章，可大體上分為3部分：第1~3章是動力電池的總體介紹，主要包括動力電池的發展歷程、工作原理、基本參數、充電方法、特性測試等；第4~7章是主體，包括8種主要電池和儲能裝置的基本原理、性能特點、應用情況以及電池的管理和充電問題；第8章為應用部分，簡要講述了動力電池和充電設施的保養與故障診斷。
本書可作為應用型本科及高職車輛工程、新能源汽車技術、汽車電子技術等相關專業的教材，也可供從事新能源汽車產品研發、生產和管理等方面的工程技術人員參考。
參加編寫的人員有：于湛（第1章）、張凱（第2、4~7章）、李正國（第3、8章）。全書由張凱擔任主編并統稿，李正國擔任副主編。
在本書的編寫過程中查閱了大量的書籍、文獻和資料，引用了其中一些技術資料和圖表，在此謹向作者表示感謝。同時，在討論教材體系結構安排和收集資料時，得到了董鑄榮、曹家喆、徐艷民、徐卓勝、朱小春、何軍的支持，在此表示感謝。
限于編者水平，疏漏之處在所難免，懇請讀者不吝賜教。
編者
2017年5月
第1章電動汽車動力電池的發展
1.1電動汽車的發展歷程
1.1.1蓄電池發展簡史
1.1.2電動機發展簡史
1.1.3電動汽車的發展歷程
1.2動力電池技術及其發展趨勢
1.2.1國內外動力電池技術現狀
1.2.2動力電池的發展趨勢
1.3動力電池驅動的車輛類型
1.3.1廠內車輛
1.3.2娛樂及運動場地車輛
1.3.3殘疾人或醫療服務用車
1.3.4機場地面保障車輛
1.3.5電動滑板車、摩托車和自行車
1.3.6電動汽車
復習思考題
第2章動力電池基礎知識
2.1電池的工作原理及分類
2.1.1動力電池系統組成
2.1.2電池的能量轉換基本原理
2.1.3電池基本構成
2.1.4電池分類
2.2電池的基本參數
2.2.1電壓
2.2.2內阻
2.2.3容量
2.2.4能量與能量密度
2.2.5功率與功率密度
2.2.6荷電狀態與放電深度
2.2.7放電制度
2.2.8壽命與成本
2.2.9自放電率
2.2.10不一致性
2.3電池典型充電方法
2.3.1電池充電規律
2.3.2常規充電方法
2.3.3快速充電方法
復習思考題
第3章車用動力電池的特征及測試
3.1車輛對動力電池的要求
3.1.1電動車輛驅動分析
3.1.2車用動力電池的特征
3.1.3動力電池評價參數
3.2動力電池基本測試方法
3.2.1測試項目
3.2.2安全測試舉例
3.3動力電池的典型測試設備
3.3.1硬件測試設備
3.3.2軟件仿真工具
復習思考題
第4章鋰離子動力電池
4.1鋰離子動力電池概述
4.1.1鋰離子電池的發展
4.1.2鋰離子電池的優點及分類
4.1.3鋰離子電池的工作原理
4.1.4鋰離子電池的材料
4.1.5三元鋰離子電池
4.2鋰離子電池的性能特點
4.2.1鋰離子電池的充放電特性
4.2.2鋰離子電池的安全特性
4.2.3鋰離子電池的熱特性
4.3鋰離子動力電池的應用
4.3.1鋰離子電池的應用類別
4.3.2電動汽車用鋰離子電池
復習思考題
第5章其他動力電池及儲能裝置
5.1鉛酸動力電池
5.1.1鉛酸電池概況
5.1.2鉛酸電池的性能及影響因素
5.1.3鉛酸電池的應用
5.2鎳氫動力電池
5.2.1與鎳鎘電池的特性對比
5.2.2鎳氫電池的原理與結構
5.2.3鎳氫電池的特性
5.2.4鎳氫電池的應用
5.3其他電池與儲能裝置
5.3.1燃料電池
5.3.2鋅空氣電池
5.3.3太陽能電池
5.3.4超級電容
5.3.5超高速飛輪
復習思考題
第6章動力電池管理系統
6.1電池管理系統概述
6.1.1基本構成和功能
6.1.2數據采集方法
6.2動力電池電量及其均衡管理
6.2.1電量管理系統
6.2.2均衡管理系統
6.3動力電池熱管理及安全管理
6.3.1熱管理系統
6.3.2安全管理系統
6.4動力電池系統的數據通信
復習思考題
第7章動力電池充電設施
7.1電動汽車的能量補給方式
7.1.1換電模式
7.1.2充電模式
7.2電池充電特性及充電機
7.2.1電池充電特性
7.2.2整車電源系統
7.2.3電池充電機
7.3充電站布局與運行
7.3.1充電站布局
7.3.2充電站運行
復習思考題
第8章動力電池的維護
8.1動力電池系統保養
8.1.1保養制度
8.1.2保養操作
8.2動力電池系統故障分析
8.2.1故障分析方法
8.2.2充電系統常見故障
8.2.3動力電池系統故障
復習思考題
參考文獻
第3章車用動力電池的特征及測試
動力電池是與啟動電池、儲能電池等并列屬于從用途上分類的二次電池中的一類電池,其主要區別于用于汽車發動機起動的啟動電池。該類電池具有高功率、高能量、高能量密度、高倍率循環使用、工作溫度范圍寬、使用壽命長、安全可靠等特點，主要應用于電動車輛、電動工具等需要大電流、深放電的領域。電動車輛是動力電池的典型應用領域。本章重點介紹作為交通工具的電動車輛對動力電池的要求及其檢測方法和設備。
3.1車輛對動力電池的要求
3.1.1電動車輛驅動分析
1. 驅動力分析
電動汽車由動力電池組輸出電能給驅動電機，驅動電機輸出功率，用于克服電動汽車本身的機械裝置的內阻力及由行駛條件決定的外阻力消耗的功率，實現能量的轉換和車輛驅動。
電動汽車的驅動電機輸出軸輸出轉矩M，經過減速齒輪傳動，傳到驅動軸上的轉矩為Mt，使驅動力與地面之間產生相互作用，車輪與地面間作用一周力F0，同時，地面對驅動輪產生反作用力Ft。Ft和F0大小相等、方向相反，Ft與驅動輪的前進方向一致，是推動汽車前進的外力，定義為電動汽車的驅動力。公式為
Mt=Migi0η(31)
Ft=Mt/r=Migi0η/r(32)
式中，Ft為驅動力(N)； M為電動機輸出轉矩(N·m)； ig為減速器或者變速器傳動比； i0為主減速器傳動比； η為電動汽車的機械傳動效率； R為驅動輪半徑(m)。
電動汽車機械傳動裝置是指與驅動電機輸出軸有運動學聯系的減速齒輪傳動箱或者變速器、傳動軸以及主減速器等機械裝置。機械傳動鏈中的功率損失有： 齒輪嚙合處的摩擦損失、軸承中的摩擦損失、旋轉零件與密封裝置之間的摩擦損失以及攪動潤滑油的損失等。
然而，根據式（33）所示的汽車行駛方程式可知，車輛的驅動力應與汽車的行駛阻力平衡：
Ft=Ff+Fw+Fi+Fj(33)
式中，Ff為滾動阻力； Fw為空氣阻力； Fi為坡度阻力； Fj為加速阻力。
汽車的滾動阻力
Ff=mf(34)
式中，m為汽車質量； f為滾動阻力系數。
汽車的空氣阻力
Fw=CDAu2a/21.15(35)
式中，CD為空氣阻力系數； A為迎面面積； ua為汽車行駛速度。
汽車的坡度阻力
Fi=δmdu/dt(36)
式中，δ為汽車旋轉質量換算系數； M為汽車質量； du/dt為行駛速度。
2. 能量與功率分析
驅動車輛所需要的功率為
Pv=ua(Ff+Fw+Fi+Fj)(37)
動力電池組所需要提供的功率
PB=PV/εMεE(38)
式中，εM為電動汽車傳動系統的機械效率； εE為電動汽車電氣部件的效率。
電動車輛行駛所需的能量是功率與行駛時間的積分，即
Er=∫PB(t)dt(39)
式中，Er為電動車輛一定工況下應用對電池的能量需求。
動力電池組的儲能量是有限的，為了滿足車輛行駛的需要，高的能量存儲量對于各種電動車輛都是需要的。電動車輛的應用主要分為兩類： 場地車輛和道路車輛。下面分別進行說明。
3.1.2車用動力電池的特征
1. 純電動場地車輛
純電動場地車輛的道路運行工況通常是事先確定的。例如，用于搬運貨物的電動叉車在工作時間之內，自身移動和搬運貨物的路程是特定的。因此，在這種應用條件下，可以精確地計算出執行具體任務時車輛所需的能量。
客戶為車輛制造商提供了數據，這些數據可以確定車輛完成具體搬運貨物等任務時電池所需的能量。這些數據包括： ①在平路上行駛的里程； ②任何斜坡的坡道； ③貨物的重量以及提升的高度。在功率需求方面，項①包括阻力Ff和Fj，而項②考慮了阻力Fi，由于場地車輛運行的速度較低，剩余的一個阻力Fw則可以忽略不計。在進行起重作業時，需要額外的功率。這是與舉起物體的總質量成正比的。在一個具體的工作周期內，每一次車輛運行的需求能量總和與運行的次數相乘可求出滿足要求的電池所需的總能量。為了確保動力電池組在應用中不發生過放電，并考慮電池組在正常使用過程中的電池性能下降的補償，動力電池組的設計容量比計算容量一般要大些。現有的動力鉛酸電池能滿足正常工況下電動叉車的能量功率需求。在起重工況下，大質量的鉛酸電池組還可以起到平衡有效載荷的作用，因而電池質量大在電動叉車上有時也是一個優點。
在變牽引條件的復雜道路工況下，計算牽引車所需動力電池性能難度較大。一般以綜合的常用工況為計算依據進行純電動場地車輛所需的動力電池功率和能量計算。
2. 純電動道路車輛
純電動道路車輛行駛完全依賴動力電池組(如圖31所示)的能量，動力電池能量越大，可以實現的續航里程就越長，然而此時動力電池組的體積和質量都會增大。純電動道路車輛要根據設計目標、道路情況和運行工況的不同來選配動力電池。具體要求歸納如下。
……
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