1、课题二 汽车蓄电池1.解燃油汽车面临的问题。2.掌握新能源汽车的定义。3.掌握新能源汽车的分类。4.了解新能源汽车的结构原理。5.熟悉新能源汽车的发展现状。 学习任务1.能够描述各电池的机构组成；2.能够描述各电池的工作原理；3.能够分析各电池的放电特性。技能要求 任务一 电池概述一、电池的分类化学电池常见的分类方法有三种：按电解液种类分类。按电池所用正、负极材料的不同。按工作性质和储存方式的不同。二、电池的工作原理电池基本工作原理如图2-3所示。三、电池的性能参数1. 电压(V)电池电压参数包括电动势、开路电压、工作电压、额定电压和截止电压等。电动势：电池正负极之间的平衡电极电位差。开路电压
2、：电池在开路时的端电压，等于正极电位与负极电位之差。工作电压：分为放电电压和充电电压。额定电压：电池在标准规定的条件下工作时应达到的电压，可作为验收电池质量和电池选用的依据。截止电压：分为放电截止电压和充电截止电压。2. 电池容量(Ah)指充满电的电池在指定的条件下放电到终止电压时输出的电量。3. 能量（Wh，kWh）是指在按一定标准所规定的放电制度下电池所输出的电能，它决定电动汽车的行驶距离。4. 功率(W，kW)指在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定电动汽车的加速性能和最高转速等。5. 电池的内阻电流通过电池内部时受到的阻力使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻
3、。电池的内阻作用使得电池在放电时端电压低于电动势和开路电压，在充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。6. 电池的放电深度指电池已经放出的电量与电池额定容量的比值。7. 电池的使用寿命电池使用寿命分为时间使用寿命和循环使用寿命两种。时间使用寿命指从电池制成开始，包括储存期和使用期在内的时间期限。循环使用寿命是电池容量降到某一规定值前，电池经历的充放电循环次数。8. 放电速率（放电率）一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。时率：电池以某种电流放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的放电时间。倍率：电池以某种电流放电的数值为额定容量数值的倍数。9. 自放电率指电池在存放时间
4、内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度。自放电率用单位时间（月年）内电池容量下降的百分数来表示。10. 成本电池的成本是与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关。四、电动汽车对动力电池的性能要求1. 电压(V)电动汽车上的蓄电池需满足以下基本要求。比能量高。充电时间短。连续放电率高，自放电率低。不需要复杂的运行环境。安全可靠。寿命长，免维修，制造成本低。 任务二 镍基蓄电池一、镍基蓄电池简介镍基蓄电池是指用氢氧化亚镍作正极活性物质的碱性蓄电池。二、镍氢（Ni-MH）蓄电池的结构镍氢（Ni-MH）蓄电池可以分为方形（图2-4）和圆形（图2-5）两种类型。三、镍氢（Ni-MH
5、）蓄电池的工作原理放电时电化学反应式如下。充电时的电化学反应式如下。过放电的反应式如下。正、负极发生如下反应。四、镍氢电池的正极材料镍氢电池的正极以质量轻、孔隙率高的泡沫镍作为电极基体，起导电和电极骨架的作用，泡沫镍的使用可增加电池容量。泡沫镍基体的要求：为增加活性物质填充量，要求有足够高的孔隙率。有合理的孔隙结构。有足够的强度，好的延伸率，良好的反复弯曲性能。有大的比表面积，质量分布均匀，以利于基体与活性物质颗粒的接触和电极反应的进行。良好的导电性。五、镍氢电池的负极材料镍氢电池负极材料为储氢合金，在充电和放电过程中发生吸氢和放氢反应，涉及电极表面电化学及体相扩散过程。储氢合金应满足如下要求
6、。储氢合金应满足如下要求。合金的储氢容量高。有良好的电催化活性。在强碱性电解质溶液中，化学性较稳定，在氢的阳极氧化电位范围内具有较强的抗氧化能力。充放电效率高。具有良好的电和热的传导性。循环使用寿命长，反复充放电过程中，合金不易粉化。六、镍氢电池的充放电特性1. 充电特性图2-7为镍氢电池的充电特性图。2. 放电特性图2-8为镍氢电池的放电特性图。3. 温度特性图2-9为镍氢电池各温度下的充电电压。图2-10为镍氢电池各温度下的放电特性。4. 自放电镍氢电池有一定程度的自放电行为，图10为镍氢电池的自放电特性。可能产生自放电的机制如图2-11所示。七、镍氢电池的特性镍氢电池的优点如下：镍氢电池
7、的优点如下：比能量达5070 Wh/kg，比功率达150300 W/kg。使用寿命较长，循环充放电达1 000次。耐过充、过放电能力较强。绿色环保，无铅、镉等对人体有害金属的污染。使用温度范围宽，可以在-2355下正常工作。镍氢电池的缺点如下：镍氢电池的缺点如下：自放电损耗较大，月损失20%40%。对温度敏感，温度对放电电压和容量有较大影响。目前成本较高，是铅酸电池价格的5倍以上。单体电池电压较低，为1.2 V。 任务三 锂电池一、锂电池简介1. 锂金属电池2. 锂离子电池锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂离子电池指的是以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离
8、子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。二、锂电池的结构锂离子电池的结构如图2-13所示。三、锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理如图2-14所示。（1）氧化钴锂（LiCoO2）（2）氧化镍锂（LiNiO2）（4）多元材料（3）氧化锰锂（LiMn2O4）四、锂离子电池的正极材料五、锂离子电池的负极材料负极材料也是锂离子电池的主要部分，它的好坏直接影响到电池的性能。对负极材，有以下要求。具有较低的氧化还原电位，接近金属锂的电位，使电池的输出电压高。Li+能够大量地在主体材料中可逆脱嵌，比容量值大。在Li+的脱嵌过程中，主体结构稳定，变化小，以获得好的循环性能。氧化还原电位随插锂数
9、目的变化应尽可能少，以使电压不发生显著变化，保持稳的充放电。有较好的电子电导率和离子电导率，减少极化，利于大电流充放电。Li+在材料中有较大的扩散系数，利于快速充放电。容易获得，成本不高，环保性好。（2）非石墨材料（1）石墨材料锂离子电池负极材料主要有以下几种。 任务四 铅酸电池一、铅酸电池简介铅酸电池自发明以来已有150余年的历程，在基础理论、性能等方面持续发展，很长时期内在化学电源中占据重要地位。目前形成了很大的产业链，在交通、通信、电力、航海、航空等领域有广泛的应用。早期的电动车辆多以铅酸电池为能量源。THANK YOUSUCCESS2022-5-15二、铅酸电池的结构铅酸蓄电池的主要部
10、件有正负极板、电解液、隔膜、电池壳、电池盖、安全阀，另外还有端子、连接条、极柱等附件。图2-18为普通铅酸电池结构图。1. 极板正负极板是由板栅和活性物质组成。正极活性物质主要成分为二氧化铅(PbO2)，呈棕红色，负极活性物质主要成分为海绵状铅(Pb)，呈深灰色。2. 隔膜隔膜的主要作用：在正、负极板间起绝缘作用，防止正负极板短路，使电池结构紧凑；隔膜上有许多微孔，使电解液中正负离子顺利通过；阻缓与隔离脱落的正负极板活性物质；防止正负极板因震动而损伤。AGM材料隔膜具有如下特征。优良的耐酸性能和抗氧化能力。厚度均匀一致，无针孔、无机械杂质。材料孔径小、孔率高。优良的吸附性能，保留电解液能力强。
11、电阻小。具有一定强度，保证工艺上的可操作性。杂质少，尤其是铁、铜的含量低。3. 电解液胶体电解质铅酸电池的优点如下。电解质凝胶化，使电池绝不漏液，比一般的铅酸电池多灌10%50%的电解液。充电接受能力强，容量衰减慢，能量转换效率高。自放电率小。循环寿命长，使用循环寿命在500次以上。耐低温，在-20状态下放电，接近常温状态性能。4. 电池壳、电池盖三、铅酸电池的工作原理1. 充放电电化学反应铅酸电池放电过程，如图2-19所示。2. 充电时的氧循环铅酸电池充电过程，如图2-20所示。四、铅酸电池的充放电特性1. 放电特性铅酸电池的放电特性，如图2-21所示的放电曲线AB段。2. 充电特性电极表面
12、硫酸浓度迅速增大，电池端电压沿着如图2-22所示的充电曲线AB段急剧上升。3. 铅酸电池的自放电五、铅酸电池的特性铅酸电池的优点如下：铅酸电池的优点如下：技术成熟，原料易得，成本低。比功率较大，达200300 W/kg。使用温度范围大，可在-4060环境下工作。适合于浮充电使用，无记忆效应。铅酸电池的缺点如下：铅酸电池的缺点如下：比能量低，只有3045 Wh/kg。质量大，限制了携带的电池数量。使用寿命不长，循环使用寿命不到500次。 任务五 超级电容电池一、超级电容电池简介二、超级电容电池的结构超级电容电池的结构如图2-24所示。三、超级电容的基本原理双电层电容的基本原理，如图2-25所示。
13、1. 双电层电容的基本原理2. 法拉第赝电容的基本原理四、超级电容的电极材料1. 碳基材料电极（1）活性炭（2）活性炭纤维（3）碳气凝胶（4）碳纳米管2. 金属氧化物材料电极3. 导电聚合物材料电极4. 复合材料电极五、超级电容电池的特性充电速度快。只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95以上，而现在使用最广泛的铅酸蓄电池充电通常需要几个小时。循环使用寿命长。深度充放电循环使用次数可达50万次，如果对超级电容电池每天充放电20次，连续使用可达68年，且没有“记忆效应”。大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小。大电流能量循环效率90%。功率密度高。可达300 W/kg5 000 W
14、/kg，相当于普通蓄电池的数十倍；比能量大大提高，铅酸蓄电池一般只能达到0.02 kWh/kg，而超级电容电池目前研发已可达10 kWh/kg。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。充放电线路简单，无需像充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护。超低温特性好。使用环境温度范围宽达40 70 。检测方便。剩余电量可直接读出。单体容量范围通常在0.1 F1 000 F。 任务六 金属空气电池一、金属空气电池简介金属空气电池是一类特殊的燃料电池，也是新一代绿色二次电池的代表之一。二、金属空气电池的结构及工作原理如图2-26所示，金属空气电池主要由正极
15、、负极、电解液三大部分组成。金属空气电池的工作原理如下。1. 正极（空气电极）2. 负极（金属电极）3. 电解液三、金属空气电池的类型和特点1. 锌空气电池（1）锌空气电池的类型中性锌空气电池。低功率大荷电量锌空气湿电池。将烧结或粘接式活 性炭电极和板状锌电极组合成电极组浸入李有氢氧化钠溶液的容器中（图2-27）。高功率锌空气电池。（2）锌空气电池的技术上存在的问题2. 铝空气电池3. 锂空气电池 任务七 飞轮电池二、飞轮电池的结构飞轮电池是一种典型的机电一体化装置，由飞轮电池本体、电力电子装置及控制器三部分组成（图2-31）。三、飞轮电池的工作原理图2-33所示是飞轮电池原理的示意图。飞轮电
16、池充放电工作过程如图2-34所示。四、飞轮电池特性飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表现在如下几个方面。能量密度高。储能密度可达100 200 Wh/kg，比功率可达5 000 W/kg 10 000 W/kg。能量转换效率高。工作效率高达90%。体积小、重量轻。飞轮直径约为20 cm多，总质量在10 kg多。工作温度范围宽。对环境温度没有严格要求。使用寿命长。不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万km。低损耗、低维护。磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。 任务八 氢燃料电池一、氢燃料电池
17、简介氢能源汽车的分类如图2-35所示。二、氢燃料电池车的基本构成和工作原理如图2-36所示，Mirai氢燃料电池车主要由高压储氢罐、氢燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力蓄电池组、驱动电动机和动力控制单元等组成。Mirai氢燃料电池车的工作原理如图2-37所示。三、燃料电池堆栈的构成和工作原理氢燃料电池的工作原理，如图2-39所示。四、高压储气罐氢气和汽油不同，常温下氢气是气体，密度非常低，并且非常难液化，常温下更是无法液化，因此氢气要安全储藏和运输并不容易，所以，氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。五、氢燃料电池车的特点节能环保。续航时间长。燃料补充时间与燃油车相当。性能优越。THANK YOUSUCCESS2022-5-15
