新能源汽车技术第三章 电动汽车能量储能装置 教学目标： n 了解电池的类型和电动汽车对动力电池的 要求， n 熟悉电池的主要性能指标，掌握电动汽车 各种储能装置的主要特点和应用， n 对蓄电池的充电方法和性能测试等有一个 初步的认识。教学要求： p了解什么是化学电池、物理电池和生物电 池； p熟悉电池容量、能量、功率等主要性能指 标； p了解蓄电池有哪些类型；一、概 述l 电池的类型 电池是电动汽车的动力源，是能量的存储装置，它可以 分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1、化学电池化学电池是利用物质的化学反应发电，按工作性质分为 原电池、蓄电池、燃料电池和 储备电池。 2物理电池物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的 电池，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。 3生物电池生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物 电池、酶电池、生物太阳电池等。一、概 述电池的性能指标 电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率 、输出效率、自放电率、放电倍率、使用寿命等，根据电池 种类不同，其性能指标也有差异。1电压电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压 和放电终止电压等。电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差；开路电压是指电池在没有负载情况下的端电压；额定电压是电池在标准规定条件下工作时应达到的电压；充电终止电压：蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达 到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升。放电终止电压是指电池放电时允许的最低电压。一、概 述2容量电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量。常 用单位为安培小时(Ah)，它等于放电电流与放电时间的乘积。电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容 量等。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高 理论值。 实际容量反映了电池实际存储电量的大小，电池容量越大，电 动汽车的续驶里程就越远。 标称容量是用来鉴别电池的近似安时值。额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保 证电流在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。一、概 述按照IEC标准和国标，镍镉和镍氢电池在(20i5)条件下，以 01C充电工6h后以0，2C放电至10V时所放出的电量为电池的 额定容量，以C表示；锂离子电池在常温、恒流(1C)、恒压(4 2V)条件下充电3h后，再以02C放电至275V时所放出的电量 为电池的额定容量。荷电状态(SOC)是电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条 件下额定容量的比值，它反映电池容量的变化。3内阻电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。4能量电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能 ，单位是W*h或kWh。它影响电动汽车的行驶距离。能量分为 理论能量、实际能量、比能量和能量密度。一、概 述理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标 准所规定的放电条件下，电池所输出的能量；实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在 一定条件下电池所能输出的能量；比能量也称质量比能量，是指电池单位质量所能输出的电 能，单位是W*hkg，常用比能量来比较不同的电池系统；能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的 电能，单位是W*hL。电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。 电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电 动汽车的动力电池是否满足预定续驶里程的重要指标。一、概 述5功率电池的功率是指电池在定放电制度下，单位时间内所输 山能量的大小，单位为W 或kW。电池的功率决定了电动汽车的 加速性能和爬坡能力。功率分为比功率和功率密度。比功率是指单位质量电池所能输出的功率，也称质量比功率 ，单位为Wkg或kW/kg；功率密度是指单位体积电池所能输出的 功率，也称体积比功率，单位为WL或kWL。 6输出效率 容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之 比；能量效率是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之 比。7自放电率自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷 时自身放电使容量损失的 速度。 一、概 述8、放电倍率电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示，即电池的放电 倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需 的小时数来表示。放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大 小，可分为低倍率(70C)。 9使用寿命使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。 电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指 电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池 可供重复使用的次数。一、概 述电动汽车对动力电池的要求电动汽车对动力电池的要求主要有如下几点。(1)比能量高。 (2)比功率大。 (3)充放电效率高。(4)相对稳定性好。 (5)使用成本低。 (6)安全性好。 二、 蓄电池 电动汽车使用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉 电池、锂离子电池、锌镍电池、空气电池等。 放电时总的反应为：二、 蓄电池放电时总的反应为：充电时的总反应为二、 蓄电池 4铅酸蓄电池的特点 铅酸蓄电池具有以下优点。(1)除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最 高，为20V。(2)价格低廉。 (3)可制成小至lA*h大至几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池 .(4)高倍率放电性能良好，可用于引擎起动。(5)高低温性能良好，可在一4060条件下工作。(6)电能效率高达60。 (7)易于浮充使用，没有“记忆”效应。(8)易于识别荷电状态。 铅酸蓄电池具有以下缺点。(1)比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充 电行驶里程短。(2)使用寿命短，使用成本高。(3)充电时间长。(4)铅是重金属，存在污染。二、 蓄电池 1、镍氢电池的分类按照外形，镍氢电池分为方形镍氢电池和圆形镍氢电池。2、镍氢电池的结构镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢 氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体电 池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。3、镍氢电池的工作原理 充电时正、负极的电化学反应为Ni(OH)2一e+OH=NiOOH+H202MH-2e)2M+H2放电时正、负极的电化学反应为NiOOH+H20-4-e一+Ni(OH)2+OH2M+H22MH+2e当镍氢电池以标准电流放电时，平均工作电压为12Vo当电 池以8C率放电时，端电压降至11V时，则认为放电已完成。电 压11V称为8C率放电时的放电终止电压(0，6-08V)。二、 蓄电池 4、镍氢电池的特点(1)比功率高。目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350W kg。(2)循环次数多。目前应用在电动汽车上的镍氢电池，80 放电深度(DOD)循环可以达1000次以上，为铅酸蓄电池的3倍以上 ，100DOD循环寿命也在500次以上，在混合动力汽车中可使用5 年以上。(3)无污染。镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属，为 21-世纪“绿色环保电源”。(4)耐过充过放。(5)无记忆效应。(6)使用温度范围宽。正常使用温度范围一3055；储存 温度范围一4070。(7)安全可靠。短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落 、加热、耐振动等安全性及可靠性试验，无爆炸、燃烧现象。二、 蓄电池 镍镉电池 1镍镉电池的结构镉镍电池是采用金属镉作为负极活性物质，氢氧化镍作为正 极活性物质的碱性蓄电 池。正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带(或镍带)中，经拉 浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘干、压片等方法制成极板； 用聚酰胺非织布等材料作为隔离层； 用氢氧化钾水溶液作为电解质溶液；电极经卷绕或叠合组装在塑 料或镀镍钢壳内。 2，镍镉电池充放电时的电化学反应 镍镉电池放电时负极和正极发生的电化学反应为总的电化学反应为镍镉电池充电时负极和正极发生的电化学反应为总的电化学反应为二、 蓄电池 镍镉电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再 放电时，就不能放出全部电量。 镍镉电池充电时负极和正极发生的电化学反应为总的电化学反应为二、 蓄电池 锂离子电池 1、锂离子电池的分类按照锂离子电池的外形形状，可以分为方形锂离子电池和圆 柱形锂离子电池。按照锂离子电池所用电解质材料的不同，可以分为聚合物锂 离子电池和液态锂离子电池。按照锂离子电池正极材料的不同，可以分为锰酸锂离子电池 、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。 2锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。 (1)正极。正极物质在锰酸锂离子电池中以锰酸锂为主要原料， 在磷酸铁锂离子电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钴锂离子电 池中以镍钴锂为主要材料，在镍钴锰锂离子电池中以镍钴锰锂为 主要材料。 二、 蓄电池 (2)负极。负极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糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。(3)隔板。隔板的功能是关闭或阻断通道， 它一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔 膜。 (4)电解液。电解液是以混合溶剂为主体的 有机电解液。 (5)安全阀。安全阀实际上是一次性非修复 式的破裂膜，一旦其进人工作状态，就会 保护蓄电池使其停止工作，因此是蓄电池 的最后保护手段。 图36 圆柱形锂离子电池结构 1-一绝缘体；2一垫圈；3一PTC元件； 4一正极端子；5一排气孑L；6一安全阀； 7一正极板；8一隔板；9一负极；10一负 极板；11一正极；12一外壳二、 蓄电池 3，锂离子电池的工作原理锂离子电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或 LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液 。 以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离子电池，正、负 极的电化学反应为总反应为二、 蓄电池 4锂离子电池的特点锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现如下。(1)工作电压高。锂离子电池工作电压为36V，是镍氢和镍镉 电池工作电压的3倍。(2)比能量高。锂离子电池比能量已达到150Whkg，是镍 镉电池的3倍，镍氢电池的15倍。(3)循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上 ，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。(4)自放电率低。锂离子电池月自放电率仅为68，远低 于镍镉电池(2530)和镍氢电池(1520).二、 蓄电池 (5)无记忆性。可以根据要求随时充电，而不会降低电池性 能。(6)对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副 其实的“绿色电池”。(7)能够制造成任意形状。锂离子电池也有一些不足，主要表现如下。(1)成本高。主要是正极材料LiCoO：的价格高，但按单位瓦 时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于 铅酸蓄电池。(2)必须有特殊的保护电路，以防止过充。二、 蓄电池 锌镍电池锌镍电池由镍电极和锌电极组成，兼有镉镍电池中镍正极长 寿命和锌银电池中锌负极高容量的优越性能，是一种高性能绿色 二次动力电池。1，锌镍电池的结构锌镍电池的正极为氧化镍电极，负极为锌电极；锌电极外包 裹多层隔膜，隔膜一般为无纺布(常用聚丙烯和聚酞胺两种)，分 为储存电解液的吸液隔膜和防止锌枝晶穿透的隔膜；电极以极耳 引出。锌镍电池的组成还包含电解液、气阀、辅助电极和电池容 器等。2锌镍电池的电化学反应机理 锌镍电池放电时负极和正极发生的电化学反应为总的电化学反应为二、 蓄电池 3锌镍电池的特点锌镍电池具有以下优点。(1)比能量高，可达5080Whkg，明显高于铅酸和镍镉电 池。(2)比功率高，仅次于锂离子电池。(3)工作电压高，可达165V，高于镍氢和镍镉电池。(4)工作温度宽，为一2060。(5)无记忆效应。(6)电池的生产