电动车燃料电池及电池组的工作原理

电动车燃料电池及电池组的工作原理

新能源汽车的关键技术之一是动力电池，可以说，动力电池的技术水平是掣肘新能源汽车发展的关键。动力电池的成本、技术、制造等水平，决定了新能源汽车的成本、续驶里程、性能、舒适度等。

而燃料电池是电动汽车中的一个特殊的存在，因为他不属于固态电池，虽然其输出的是电能但其工作原理更像是内燃机的。今天一猫君就整理了电动车燃料电池和电池组的相关组成和工作原理资料。

燃料电池由燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原。如果在阳极(即外电路的负极，也可称燃料极)上连续供给气态燃料(氢气)，而在阴极(即外电路的正极，也可称空气极)上连续供给氧气(或空气)，就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。

由此可见，燃料电池与常规电池不同，它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外部的储罐中。当它工作(输出电流并做功)时，需要不间断地向电池内输人燃料和氧化剂并同时排出反应产物。

因此，从工作方式上看，它类似于常规的汽油或柴油发电机。

由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(气体或液体)。

最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液)，常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)。

燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再向外电路传输。

阴极(氧电极)的作用是为氧和电解液提供公共界面，对氧的还原产生催化作用，从外电路向氧电极的反应部位传输电子。

由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料并涂有电催化剂。

电解质的作用是输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子，并能阻止电极间直接传递电子。

隔膜的作用是传导离子、阻止电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂。因此隔膜必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质，并具有良好耐润湿性。

燃料电池是一种化学电池，它利用物质发生化学反应时释出的能量，直接将其变换为电能。从这一点看，它和其他化学电池如锌锰干电池、铅蓄电池等是类似的。

但是，它工作时需要连续地向其供给反应物质——燃料和氧化剂，这又和其他普通化学电池不大一样。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。

与传统的内燃机相比，同样都是需要燃料，但以汽油柴油等石油提炼而来的燃料产生的是热能做功为汽车提供动力，而燃料电池是燃烧后直接产生电能，两种能量的不同导致发动机也完全不一样。

纯电动车电池组的基本知识

电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池，充电到4.2V的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。

如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组故障。

为防止这种情况发生，每个电池的电压都必须监视，以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状态。

电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC板内的通信而言，常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线，每种总线的通信开销都很低，适用于低干扰环境。

另一个选项是控制器局域网(CAN)总线，这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN总线非常棒，具有误差检测和故障容限特性，但是它的通信开销很大，材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主CAN总线的连接是值得要的，但在电池组内采用SPI或I2C通信是有优势的。

近年来，我国动力电池技术已经取得长足进步。但是，当前动力电池水平仍受制于材料特性、工艺水平、集成技术等多重因素的影响，尚不能完全满足纯电动汽车的要求。

比如制约燃料电池发展的问题——安全性，众所周知，气体往往是极不稳的的一种存在，氢气作为气体的一种实则是十分危险的，氢燃料电池制造的大规模制氢、储氢、输氢和注氢等环节统统都会涉及到安全问题。再加之氢气是一种无色无味的气体，所以一旦泄露人的感官也无法立刻对其有所警觉，与空气混合在一定浓度和温度下就会燃烧，后果将不堪设想。

这就对系统的密封性和安全性要求非常之高了，而目前也还未出台关于氢燃料电池的国际通用安全标准。氢燃料电池的另一大痛点，就是居高不下的成本问题。