第1章 电动自行车蓄电池的种类特点及性能

1.1 电动自行车不同种类蓄电池的特点

蓄电池俗称电瓶，它是一种可反复充、放电的储能部件，是电动自行车的供电设备，图1-1所示为电动自行车中蓄电池的安装位置。

电动自行车的蓄电池根据内部化学元素的不同可分为铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍镉蓄电池和镍氢蓄电池等四种，如图1-2所示。

1.1.1 铅酸蓄电池的特点

1. 铅酸蓄电池的种类

铅酸蓄电池属于酸性蓄电池，根据密封形式，又可分为阀控式铅酸蓄电池和胶体铅酸蓄电池两种。

（1） 阀控式铅酸蓄电池

阀控式铅酸蓄电池是目前使用量最大的蓄电池，它具有制作工艺成熟，价格低廉等特点，但其缺点是体积较大，重量较重，寿命短，内部物质容易造成环境污染。图1-3所示为阀控式铅酸蓄电池的实物外形。目前，电动自行车常用3～4块单体蓄电池（12V）串联成36V或48V两种蓄电池。

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铅酸蓄电池按极板采用的铅合金分类，可分为铅锑镉合金的含镉电池和铅钙锡铝合金的无镉电池（绿色电池）。含镉的电池产品对环境有更大的污染。

（2） 胶体铅酸蓄电池

胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，它采用凝胶状电解质，内部无游离的液体存在，它的容量大，热消散能力强，能避免产生热失控现象。由于电解质浓度低且均匀，对极板的腐蚀弱，不存在酸分层的现象。

与阀控式铅酸蓄电池相比，胶体铅酸蓄电池可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电或过放电自我保护等优点。图1-4所示为胶体铅酸蓄电池的实物外形。

2. 铅酸蓄电池的结构

铅酸蓄电池是电动自行车中最常见的蓄电池种类，这种蓄电池普及率很高，结构比较简单。图1-5所示为铅酸蓄电池的整体结构，从图中可以看出铅酸蓄电池主要是由电解液（稀硫酸）、电池外壳、安全阀、极柱及6个单格电池（2V）组成的。

（1） 极板

几个单格电池内有多个极板，它们是参与电池内部电化学反应的主要部件，如图1-6所示。电池内部极板可由铅锑合金或铅钙合金制成，分为正、负极板两类，其中正极板上的附着物质为二氧化铅（黑色、较软），负极板上的附着物质为纯铅（灰色、较硬）。

单格电池中的正极板和负极板分别由跨桥焊焊接在一起，极板之间通过隔板进行隔离，而单格电池组之间也通过焊接的方式串连在一起，连接部位常用强力胶水进行密封固定，如图1-7所示。

（2） 隔板

为防止正、负极板间接触短路，在每两块极板之间需加入隔板。隔板可防止极板弯曲变形及活性物质的脱落，还能阻止正极板上的金属离子向负极板迁移，以减小硫酸盐硫化和大量自由电子的放电，并且极板经长时间使用，也不会出现劣化或释放杂质等现象。

铅酸蓄电池一般都使用胶质隔板或玻璃丝棉隔板，并且使用隔板进行包裹时，只将正极板进行包裹即可。图1-8所示为隔板的实物外形。

（3） 电解液

铅酸蓄电池的电解液是由蒸馏水和蓄电池专用硫酸按一定比例混合配置而成的。电解液在充、放电过程中，会与正、负极板发生电化学反应，将化学能转换成电能（或将电能转化为化学能），并在电池内部起导电作用。

（4） 安全阀

安全阀是阀控式铅酸蓄电池的重要部件之一，它位于蓄电池的顶部，有帽状、伞状和片状之分。图1-9所示为典型安全阀的实物外形，该安全阀主要由密封帽、遮挡片、排气孔构成。

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安全阀的作用是根据电池内部产生气体的气压情况，及时打开或关闭安全阀，以避免由于电池内部过压造成电池变形、开裂，还可以阻止外部空气进入电池内部增加负极的自放电反应。

（5） 蓄电池外壳

蓄电池的外壳用来盛装电解液和正、负极板（单格电池组），它具有耐酸性强、绝缘性好、耐腐蚀、耐高温、机械强度好等特点。电动自行车所用的蓄电池外壳通常使用材质强韧的合成树脂并经特殊处理制成，其机械强度特别强，上盖也使用相同材质，电池外壳和上盖通常使用热熔胶粘连，牢固可靠，如图1-10所示。

（6） 极柱

极柱是单体电池外部的接线焊片，它用于将蓄电池与电路导线进行相连，图1-11所示为极柱的实物外形。极柱有正、负极之分，通常正极用“+”标识，并使用红色密封树脂对正极进行固定；负极用“-”标识，使用黑色、蓝色或绿色密封树脂对其进行固定。

1.1.2 锂离子蓄电池的特点

1. 锂离子蓄电池的种类

锂离子蓄电池是一种新型蓄电池，该蓄电池的重量、体积要比铅酸蓄电池小很多，正在取代铅酸蓄电池。

锂离子蓄电池具有比能量大、比功率高、自放电小、无记忆效应、循环特性好、可快速放电、工作温度范围宽、无环境污染等优点。图1-12所示为锂离子蓄电池的实物外形。

【要点说明】

使用锂离子蓄电池时应注意，当电池在过充电或过放电的状态下寿命可能会缩短。

目前，电动自行车上使用的锂离子蓄电池多采用串连电池组，而串连电池组的保护电路的复杂程度远远超过单体电池的保护电路，其材料成本也大大增加。

2. 锂离子蓄电池的结构

锂离子蓄电池有筒形和方形两种，筒形是将正、负极板和隔板、极柱等材料卷曲在一起，插入电池外壳中，并注入少量电解液制成的。而方形锂离子蓄电池内部是以层叠的方式将正极板、负极板和隔膜板叠加在一起制成的。图1-13所示为锂离子蓄电池的结构图。从图中可以看出，锂离子蓄电池主要是由隔膜板、正极板、负极板、电解液、绝缘板等部分构成的。

（1） 正极板

目前，锂离子蓄电池的正极板主要以钴酸锂（LiCoO2）为主要原料，再加入导电剂和树脂黏合剂后涂覆在铝质基板上，整体呈细薄层分布。图1-14所示为锂离子蓄电池正极板的原子结构图。钴酸锂具有工作电压高（3.6V），放电平稳，适合大电流放电，比能量高，循环性好，制作工艺简单等优点；但其价格高、安全性差、容易污染环境。

而新型原料磷酸铁锂（LiFePO4）性能要比钴酸锂好，并且不污染环境，是良好的替代原料。

（2） 负极板

负极板上的活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成的糊状物，涂覆在铜基板上，整体呈薄层状分布。图1-15所示为锂离子蓄电池负极板的原子结构图。

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目前，负极材料主要包括：石墨类（天然石墨、人造石墨和石墨化碳）和非石墨类（软碳和硬碳）。

（3） 隔膜板

隔膜板可起到关闭或阻断通道的作用，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜板。所谓关闭或阻断功能是指电池出现异常温度上升的情况时，阻塞或阻断作为离子通道的细孔，使蓄电池停止充、放电反应。

隔膜板可以有效防止因外部短路等，所引起的过大电流充、放电而使电池产生异常发热现象。

（4） 电解液

锂离子蓄电池的电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。电解液对于活性物质具有化学稳定性，可良好适应充、放电反应过程中发生的剧烈氧化还原反应，因此电解液一般会混合不同性质的几种溶剂共同使用。

（5） 安全阀

为了确保锂离子蓄电池的安全性，在其外部电路或蓄电池内部都设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能因其他原因引起蓄电池内部压力异常上升。因此，在蓄电池的顶部设有安全阀来释放多余气体，防止蓄电池破裂。

锂离子蓄电池的安全阀是一种一次性非修复式的破裂膜，保护蓄电池使其停止充放电过程，它是蓄电池的最后保护手段。

1.1.3 镍镉蓄电池的特点

镍镉蓄电池属于碱性蓄电池，已有很长的使用历程，镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液，图1-16所示为典型镍镉蓄电池的实物外形。

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镍镉蓄电池具有循环寿命长（约500次）、经济耐用、内阻小、可快速充电、放电电流大、电池结构紧凑、耐冲击、耐过充、过放电能力强等特点，但由于其具有记忆效应，在使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，使用时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出 80%的电量后就开始充电，充足电后使用该电池也只能放出 80%的电量。另外，由于其电解液中含有镉元素，易产生污染，未能在电动自行车领域中得到发展和应用。

1.1.4 镍氢蓄电池的特点

镍氢蓄电池属于碱性蓄电池，它是氢以结合水的形式存储在金属壳内，作为电解质使用。该技术出现于20世纪90年代，属于新型的蓄电池类型。图1-17所示为镍氢蓄电池的实物外形。

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镍氢蓄电池具有比能量高（一次充电可行驶距离长）；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力好）；低温放电性能好；循环寿命长；安全可靠，免维护；无记忆效应；对环境不存在任何污染，可再生利用，符合可持续发展的理念。但是，镍氢蓄电池成本高，价格昂贵，在电动车市场上并不多见。