1、新能源汽车专业规划教材“十二五”职业教育国家规划教材目录 第第2 2章章 电动汽车动力电池基本知识电动汽车动力电池基本知识 第第3 3章章 铅酸动力电池及其应用铅酸动力电池及其应用 第第4 4章章 碱性动力电池及其应用碱性动力电池及其应用 第第5 5章章 锂离子动力电池及其应用锂离子动力电池及其应用 第第6 6章章 用于电动汽车的其他动力源用于电动汽车的其他动力源 第第7 7章章 电动汽车电源管理系统电动汽车电源管理系统 第第1 1章章 电动汽车与动力电池发展历程电动汽车与动力电池发展历程【引入】 铅酸电池的发明距今已有50年，由于其可靠性好，成本低、瞬间输出功率大、使用安全、维修方便，在当前
2、所有化学电源中，铅酸电池的生产规模最大，单就起动蓄电池而言，全世界年产量达10亿只之多，每年生产铅酸电池消耗的铅质量约200万吨，占全年全球铅总产量的一半以上。作为发展历史最悠久的动力电池，铅酸电池技术成熟、性能可靠、成本低廉、维护方便，在储能电源、起动电源、车载电源等领域仍然应用广泛。本部分将重点介绍铅酸电池的基本工作原理、充放电特性及其影响因素以及板栅合金、电解液、隔板等内部功能部件的结构特点。本章学习目标 1.了解铅酸蓄电池的特点 2.了解阀控密封铅酸蓄电池的优点 3.熟悉蓄电池的充、放电的原理及蓄电池的结构 4.了解铅酸蓄电池的性能 5.了解铅酸蓄电池的应用 6.熟悉铅酸蓄电池的回收第
3、第3 3章章 铅酸动力电池及其应用铅酸动力电池及其应用1.1.铅酸动力电池的储能原理与结构2.2.铅酸动力电池的性能及检测3.3.铅酸动力电池的应用1.1.铅酸动力电池的储能原理与结构铅酸电池的储能原理2铅酸电池的结构3铅酸蓄电池的类型1铅酸蓄电池的类型 根据铅酸电池的作用可将其分为三种类型： 起动式铅酸蓄电池（Starter batteries)。 牵引式铅酸蓄电池(Traction batteries)。 固定式铅酸蓄电池(Stationary batteries)。类型常用容量/Ah正极板负极板特点起动式铅酸蓄电池5200涂膏式涂膏式比功率高、比能量高牵引式铅酸蓄电池401200管状涂膏
4、式可深度充放电固定式铅酸蓄电池405000板状涂膏式比能量较低、自放电率小 起动式铅酸蓄电池由于不能深度充放电，不能用于电动汽车的主电源，一般仅作为低压辅助电源使用； 固定式铅酸蓄电池虽然容量可以做到很大，但是比能量较低，体积和质量很大，不适合车用，一般仅用于不间断电源等位置相对固定的场合。 牵引式铅酸蓄电池容量相对较大，可深度充放电，比能量较高，可用于电动汽车主动力电源。 随着铅酸蓄电池技术的不断发展，目前牵引式铅酸动力电池已有很多种类型，如开口式铅酸蓄电池、阀控密封铅酸蓄电池VRLA、胶体蓄电池、双极性密封铅酸蓄电池、水平式密封铅酸蓄电池、卷绕式圆柱形铅酸蓄电池、超级蓄电池等。 铅酸蓄电池
5、作为电动汽车的动力源，虽有许多不足，但由于其技术成熟，可大电流放电，适用温度范围宽和无记忆效应等性能上的优点，以及原材料的易于获取和远低于镍氢和锂离子等高能电池应目前仍然是在电动汽车中切实可行的动力电池。电动车辆上应用的铅酸电池主要是阀控式密封铅酸电池(VRLA)。铅酸电池的储能原理 铅酸电池的放电时的电化学反应被称为双硫化反应，正极成流反应为 负极成流反应为 电池总反应2442322PbOHHSOePbSOH O442P bH SOP bSOeH424422220PbSOPbH SOPbSOH 在充电时，铅酸电池内部发生如下反应 正极： 负极：42224222PbSOeH OPbOHH SO
6、221222HOHOe42422PbSOeHPbH SO222HeH 在充电过程中，可以根据两种反应的激烈程度将充电分为三个阶段：高效阶段、混合阶段和气体析出阶段。 1)高效阶段。 高效阶段的主要反应是PbSO4转换成为Pb和PbO2，充电接受率约为100%。充电接受率是转化为电化学储备的电能与来自充电机输出端电能之比。这一阶段在电池电压达到2.39V单元(取决于温度和充电率)时结束。 2)混合阶段。 水的电解反应与主反应同时发生，充电接受率逐渐下降。当电池电压和酸液的浓度不再上升时，电池单元被认为是充满了。 3)气体析出阶段。 电池已完满，电池中进行水的电解和自放电反应。由于在密封的阀控免维
7、护铅酸电池中，具有氧循环的设计，即正极板上析出的氧在负极板上被还原重新生成水而消失，因此析气量很小，不需要补充水。图3-1铅酸电池反应原理铅酸电池的结构 正负极板是蓄电池的核心部件，是蓄电池的“心脏”，分为正极和负极。正极活性物质主要成分为二氧化铅，负极活性物质主要成分为铅。 隔板是由微孔橡胶、玻璃纤维等材料制成的，新型隔板由聚丙烯、聚乙烯等制成，其主要作用是：防止正、负极板短路；是电解液中正、负离子顺利通过；延缓正、负极板活性物质的脱落，防止正、负极板因振动而损伤。因此要求隔板要孔率高、孔径小，耐酸，不分泌有害物质，在电解液中电阻小，具有化学稳定性。 电解液是蓄电池的重要组成不分，是由浓硫酸
8、和净化水配置而成的，他的作用是闯到电流和参加电化学反应。电解液的纯度和密度对将电池容量和寿命有重要影响。 电池壳、盖是安装正、负极板和电解液的容器，应该耐酸、耐热、耐振。壳体系多采用硬橡胶或聚丙烯塑料材料制成，为整体式结构，底部有凸起的肋条以搁置极板组。 排气栓一般由塑料材料制成，对电池起密封作用，阻止空气进入，防止极板氧化。同时可以将充电时电池内产生的气体排出电池，避免电池产生危险。 除上述部件外，铅酸电池单体内还有链条、极柱、液面指示器等零部件。 为了增加铅酸电池的容量一般由多块极板组成极群，即多块正极板和多块负极板分别用连接条(汇流排)焊接在一起，共同组成电池(Battery)。传统内燃
9、机汽车用的12V铅酸起动电池就是6个独立的铅酸电池单体组成的。图3-2阀控密封铅酸蓄电池构造与原理【课堂活动】阀控密封铅酸蓄电池的优缺点剖析 活动目的：探索阀控式密封铅酸电池是否具有无酸雾逸出、无需定期补水、自放电小、浮充寿命长等优点，巩固铅酸蓄电池结构与原理知识 所需材料：阀控铅酸蓄电池结构与原理挂图、纸笔等 活动方式：小组讨论 活动过程：认真分析阀控密封铅酸蓄电池的结构与工作原理，探索阀控密封铅酸蓄电池的优缺点。2.2.铅酸动力电池的性能及检测温度对铅酸电池性能的影响2放电深度对性能的影响3铅酸蓄电池的性能1铅酸蓄电池的性能 1.充电特性 恒流限压法作为铅酸电池最为常用的充电方法，无论是对
10、于铅酸电池单体还是铅酸电池构成的电池组，在工程实践中应用最多。 图3-3电池组中单电池充电曲线 图3-4电压变化曲线 2.放电特性 在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的 放电末期，电池端电压急剧下降，此时应停止放电，否则会造成电池的过度放电。 过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”。 3.自放电性能 1)正极自放电正极自放电是由于在放置期间，正极活性物质发生分解，形成硫酸铅并伴随着氧气析出 总反应： 如果正极板栅中含有锑或银，产生局部自放电：42442222PbSOHH SOePbSOH O221222H OHOe22442212PbOH SO
11、PbSOH OO+22224442()52656PbOSbH SOSbSOPbSOH O2244224222PbOAgH SOPbSOH OAg SO十 在电极的上端和下端，以及电极的孔隙和电极的表面处酸的浓度不同，因而电极内外和上下形成了浓差电池。处在较稀硫酸区域的二氧化铅为负极，进行氧化过程而析出氧气；处在较浓硫酸区域的二氧化铅为正极，进行还原过程，二氧化铅还原为硫酸铅。这种浓差电池在充电终了的正极和放电终了的正极都可形成，因此都有氧气析出。但是在电解液浓度趋于均匀后，浓差消失，由此引起的自放电也就停止了。 可变价态的盐类可使正极和负极的自放电连续进行，一定要防止电解液中其他盐类杂质的存在
12、。 2)负极自放电蓄电池在开路状态下，铅的溶解导致容量损失，与铅溶解的共轭反应通常是溶液中H+的还原过程，即 该过程的速度与硫酸的浓度、储存温度、所含杂质和膨胀剂的类型有关。 溶解于硫酸中的氧也可以发生铅自溶的共轭反应，即2442PbH SOPbSOH2244212PbOH SOPbSOH O温度对铅酸电池性能的影响 电池热效应可以分为两部分。 焦耳热：为克服电池极化和欧姆内阻而产生的电压降，损失的电能将全部转化为热量。 反应热：根据热力学第二定律的放热或吸热。 由于有焦耳热存在，在放电时电解液温度并不会真正降低，并且随放电过程的进行，电池内阻增加，电池温度会逐步增加；充电时两种热效应叠加，电
13、池温度也会升高。 温度对蓄电池的容量和电动势影响很大，电解液温度高时扩散速度增加、电阻降低，其电池电动势也略有增加因此铅酸电池的容量及活化物质利用率随温度的增加而增加。反之，电解液温度降低时，其黏度增大，使离子运动受到较大阻力，扩散能力降低。在低温下电解液的电阻也增大，电化学反应的阻力增加，结果导致蓄电池容量下降。图3-6 85Ah铅酸电池在不同温度下以0.3放电的放电曲线放电深度对性能的影响 铅酸电池在不同放电深度下，电池充电接受能力具有很大的差别。这种差别直接反映为充电过程中恒流充电时间的变化。图3-7 85Ah铅酸电池在不同放电深度下电流充电时间曲线 在电池不同的放电深度反映电池使用性能
14、的参数主要有电池放电功率和内阻两项，分别代表电池的输出能力和自身能量消耗情况。图3-8不同放电深度铅酸电池性能参数的变化3.3.铅酸动力电池的应用铅酸动力电池应用实例2铅酸电池的回收3铅酸电池的应用1铅酸电池的应用 铅酸电池发明100多年来，广泛应用于人类生产和生活的各个方面。作为起动、点火、照明电池，主要用于汽车、摩托车、内燃机车和电力机车；作为工业用铅酸蓄电池，主要用于邮电、通信、发电厂和变电所开关控制设备以及计算机备用电源等；阀控密封式铅酸蓄电池可用于应急灯、UPS、电信、广电、铁路和航标等；作为动力电池，主要用于电动汽车、高尔夫车、电动叉车等。铅酸动力电池应用实例 1.电动自行车 电动
15、自行车应用VRLA电池在我国已经有十多年了，电池的制造技术和产品质量都有了巨大的提高。性能1997年2003年2007年2h率放电容量2h率比能量100%深循环寿命使用寿命10Ah30Wh/kg5060次35个月1113Ah3336Wh/kg250300次1年14Ah38Wh/kg400次(最高600次)12年1800km4km/Ah年份电动自行车产量增长率年份电动自行车产量增长率/%1998年5.8万辆-2006年1950万辆95%1999年14.8万辆155%2007年2138万辆9.6%2000年29万辆96%2008年2188万辆2.3%2001年58万辆100%2009年2369万辆
16、8.3%2002年100万辆72%2010年2954万辆24.7%2003年400万辆300%2011年2600万辆-12%2004年650万辆60%2012年2028万辆-22%2005年1000万辆60%2013年2528.7万辆24.7%表3-5 中国电动自行车产量年份电动车保有量/万辆配 套 电池数量/万套配套电池容量/104kWh年份电 动 车保有量/万辆配 套 电池数量/万套配套电池容量/104kWh1998年662.5922003年672.6672.6290.56321999年20.620.68.89922004年1348.31348.3582.46562000年49.649.6
17、21.42722005年2557.32557.31104.7542001年107.6107.646.48322006年4507.34507.31947.1542002年272.6272.6117.76322007年6645.56645.52870.856表3-6 电动自行车电池需求量 2.电动牵引车 电动牵引车是制造工厂、物流中心等搬运产品的常用运输工具，主要采用富液管式铅酸蓄电池或胶体VRLA电池作为动力电源，具有无污染、无噪声的优点，尤其是在需要举升重物时，铅酸动力电池还可以起到配重的作用。 3.低速纯电动车 在二三线城市和农村地区，主要采用阀控密封铅酸蓄电池为动力电源的低速纯电动汽车以其
18、购车成本和使用成本低、环保低噪、驾驶技术要求低、安全等优点得到人们的欢迎，在我国许多省份，如山东、广东、河南等地有许多低速电动车企业受益于这种需求快速发展起来。 4.纯电动乘用车 总部设在美国的先进铅酸电池联合会（AL-ABC）一直致力于铅酸蓄电池在EV和HEV上的应用研究，并取得突破性进展。 采用铅酸动力电池作为电源的纯电动乘用车的典型代表是风靡一时的美国通用汽车公司（GM）的纯电动汽车EV-1，该车在1997年推出，到1999年共制造1117辆。当时的EV-1的时速为100km/h，一次充电的续驶里程为193km，电池重量500kg，售价为33995美元。1999年还推出了第二代EV-1，
19、但由于种种原因，到2004年GM公司终止了EV-1计划。铅酸电池的回收 随着社会各界对环境问题的重视，铅酸电池中的硫酸以及铅、锑、砷、镍等重金属会对环境产生污染成为限制其发展和应用的一个重要因素。如铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统和肝、肾等器官，能抑制血红蛋白的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴、幼儿的毒害很大，它将导致儿童身体发育迟缓，慢性铅中毒的儿童智力低下。 在铅酸电池回收方面已经形成了完善的工艺，常用的有火法冶金、湿法冶炼、固相电解还原等方法。现在在铅酸电池处理中的核心问题是铅酸电池的回收网络问题，需要建立从用户到回收厂的物流体系，使散落在用户的废旧铅酸电池回流到回收厂。
20、 例如，美国East Penn公司投资8000万美元建立了年处理8万t废旧电池的庞大体系，每天要处理将近20个40t集装箱内装载的废旧电池，使之变成合金铅锭、塑料粒子和纯净的硫酸溶液全部可回用到电池中去。该公司废旧电池的回收处理得到了政府的大力支持，政府发文规定在出售新电池的同时务必回收旧电池，在区域内形成庞大的回收网络，以保证源源不断的货源此举不仅变废为宝、治理环境，也为公司本身提供了物美价廉的原材料。【实训操作】铅酸电池充放电性能测试 一、实训目标 1.掌握车用电池检测设备的功能、原理和组成； 2.掌握电池充放电性能检测方法。 二、实验设备 1.HT-VCD系列动力电池性能检测装置； 2.
21、单体电池信号采集线缆转接箱； 3.车用铅酸动力电池； 4.车用铅酸动力电池管理系统； 5.快速充电机； 6.万用表、绝缘扳手、绝缘手套等工具及护具若干； 7.上位机电脑。 三、操作步骤及工作要点 1. COM口连接：关闭计算机和设备电源，通讯电缆一端与设备的串行输出口相连，另一端连接一个RS232-RS485的转换接口，然后与计算机的某个串行通讯口相连，若有不止一台设备，通讯电缆采用并接的方式相连，然后再与计算机相连。 2.网线连接：关闭计算机和设备电源，用网线将设备和交换机连接，再接到计算机。 3.通讯调试：打开计算机和设备的电源，进入WINDOWS操作系统，按以下步骤操作： （1）单击开始
22、程序HT-VCD，或者直接在电脑桌面上双击控制软件图标，进入测控软件主界面。 （2）初始设置。单击主要设置初始设置通讯设置，选择好与设备连接的通讯端口或者设置电脑IP。如果是首次安装并第一次运行本程序或重新安装后第一次运行本程序，在操作设备前必须进行初始设置。如果不是这两种情况，可以跳过此步骤。但如果通讯端口改变或者被占用，会提示“通讯端口已被占用，请重新设置”，确定后自动进入初始设置的通讯设置窗口，根据实际修改通讯端口。 初始化通讯参数、设备型号参数、颜色设置、打印设置、用户信息等。 （3）单击柜号参数，选择好柜参数后，点击中间的“参数拷贝”按钮把设置拷贝至所有通道。如果有多于1个相同型号的
23、检测柜，可以利用参数拷贝把柜号参数拷贝到其它柜号，并点击“现有柜号”中相应的列表项，如果型号不同，则在“柜号”下拉框中单击某柜号，选择设备名称并按回车键。单击 确定，再单击确定，退出程序使通讯及柜号参数生效。 （4）重新打开本程序，主要设置跟踪巡检设置，确保正在联机的柜号处于被选中状态（打），按确定后，单击控制部分联机，计算机将读所有巡检柜号的工作状态，如果某柜通讯不成功，将提示“未联机”，此时需要检查通讯通道，排除存在的问题。网络模式下，可打开电脑“开始”菜单下的“运行”命令，输入ping命令，检测电脑与设备网络的接通情况，（例如：ping 192.168.1.1），如果网络通讯正常将会看到
24、reply from 设备IP。 如果一台电脑带多台设备，则必须设置跟踪柜号和巡检柜号。 （5）如果通讯正常，在电池检测窗口显示的每个通道都是在复位状态。 （6）启动工作，设定每通道的工作参数并发送到下位机。进入工步设置窗口，如下图，窗口状态已被锁定，无法更改，需要点击左上角的 选项开锁，才能对流程进行修改。每台设备分若干个通道，每通道独立控制，可以设置完全独立的工作流程和数据文件。每种工作状态称为一个“工步”。启动工作后，该通道就会按照工步顺序进行充放电检测，直至结束。 可选的工步状态包括恒流恒压充电、恒流充电、搁置、恒流放电、直流内阻测试、恒功率充电、恒功率放电、恒阻值放电、脉冲充电、脉冲
25、放电、脉冲搁置、循环和结束。每个工作流程可以设置最多64或者75个工步。 在设备工作的时候，也可在不复位的情况下修改工步参数再次发送（特殊要求的软件版本除外），以在【历史记录】里的【设定值信息】查看发送过的信息。 （7）在工作过程中，用户可对某个通道或者某柜设备发送“暂停”命令，暂停后发送“接续”命令即可接续暂停前的工作状态继续工作。 （8）完成所有的设定工步后，该通道会自动停止，进入结束状态。也可以通过软件的“复位”功能强制停止某通道或整柜的工作，或者通过“强制跳转工步”功能使该通道跳转到用户所选择的工步。 （9）软件具有完备的实时监控功能，提供了灵活快捷的控制方式和直观清晰的监控界面，使用
26、户方便地对设备进行操作。 1）实时显示设备所有通道的工作状态，包括当前工步号、循环号、充放电状态、工作时间、设定值信息等。 2）实时显示所有通道的实时电压、电流、时间、容量和充放电曲线等并实时记录。 3）记录下位机状态日志，如对下位机的复位、发送工作、来电接续运行等信息。 （10）数据处理和打印输出 软件的数据处理功能包括以下几点： 1）显示工步列表 显示工步常规数据，包括：时间、电流、容量、电量、开路电压、平均电压、中值电压、终止电压、终止电流等，恒流充电的最高电压，到达最高电压的时间和容量，充放电效率，恒流放电时到达5个指定电压的时间、容量、效率，放电效率，损失比，容质比等。 双击该通道界
27、面后出现曲线界面，可双击曲线界面或者点击曲线界面的【数据】按钮查看数据，查看每个单体电池的电池值时需按下【分点电压】按钮，单位为mV，如下图所示，Cell-V1是指第1个单点电池的电压值，Cell-V2是指第2个单体电池的电压值。点击控制菜单“工步数据”显示电池历史工步数据界面。窗口显示了已经完成了的工步数据信息，如时间、电流、容量和终止条件，用户可以查看每个工步的工作情况，如终止是否正常。 2)显示电池充放电曲线 显示用户选择的电池充放电曲线，包括：电压时间、电流时间、容量时间、电量时间、电压容量曲线等等。 3)显示循环寿命图 显示用户选择的电池循环曲线，包括：电压、时间、容量、电量等参数相
28、对于循环次数的循环图。 v 4)数据和图表输出数据和图表输出 数据和图表转换到数据和图表转换到EXCEL或或WORD文档文档中，也可复制到粘中，也可复制到粘贴板，便于在其他贴板，便于在其他程序使用。程序使用。图3-24数据读取图3-25数据导出 5)打印输出 上述数据和图表均支持打印预览和打印输出，并自适应纸张大小。 6)数据文件对接 可以把两个或两个以上的文件进行数据对接。 7)数据修改 在工步列表界面和曲线数据界面中，表格中的数据可以编辑修改，并把修改结果保存到数据文件中。此操作需要输入密码。 (11)断开蓄电池与检测设备之间的线束连接。 (12)断开动力电池或动力电池模块之间的电缆。 (
29、13)测试完毕关闭测试设备总电源开关。 (14)断开测试设备电源线。 (15)关闭上位机电脑。 (16)通过电源管理系统确认电池状态，如果电池电量不足，则使用充电机进行补充充电。 (17)整理、清洁实验室。【本章小结】 本部分对主要介绍了铅酸动力蓄电池的结构原理及应用情况。 铅酸蓄电池由于具有廉价、安全、技术成熟、回收率高等优点，在电动自行车、低速短途电动车、电动牵引车领域仍然有广泛的应用，但是由于其能量密度较低，在纯电动乘用车领域的应用受到一定的限制，未来铅酸电池的技术仍会不断的改进，短时间内铅酸动力电池还会在动力电池领域占有重要地位。【复习题】 1.铅酸动力电池的结构组成如何？ 2.哪些类型铅酸动力电池适合电动汽车使用？ 3.铅酸动力电池有哪些优缺点？ 4.铅酸动力电池在电动汽车领域的应用情况如何？
