1、纯电动汽车动力电池及管理系统设计第1 章 绪论.纯电动汽车的基本知识.电动汽车及动力电池的发展历史.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势下一页返回第 章 纯电动汽车动力电池的基本概念.动力电池的概念及分类.动力电池的原理与结构.动力电池的参数及性能指标.电动汽车对动力电池的要求上一页 下一页返回第 章 纯电动汽车常用动力电池.铅酸蓄电池.碱性电池.锂离子电池.燃料电池.用作动力源的其他电池上一页 下一页返回第 章 动力电池设计应用.动力电池一致性设计.动力电池的热管理系统设计.动力电池的性能测试上一页 下一页返回第 章 动力电池管理系统.概述.电池管理系统的基本结构及功能.数据采集方法.电量管
2、理系统.均衡管理系统.热管理系统.数据通信系统.电池管理系统的故障诊断与分析上一页 下一页返回第 章 动力电池系统设计.电动车辆能耗经济性评价参数.电池系统与整车的匹配方法.电池包结构与设计.动力电池的梯次利用与回收上一页 下一页返回第 章 电动汽车充电技术.概述.充电机.充电站上一页返回第1 章 绪论.纯电动汽车的基本知识.电动汽车及动力电池的发展历史.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势返回.纯电动汽车的基本知识(,)、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车等类别。.纯电动汽车的定义 纯电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆,一
3、般采用高效率充电蓄电池作为动力源。纯电动汽车不需要内燃机,因此,纯电动汽车的电机相当于传统汽车的发动机,蓄电池相当于原来的油箱,电能是二次能源,来源可以是风能、水能、热能、太阳能等多种方式。在汽车污染较为严重的今天,这些能源的突出特点就是排放零污染,即。下一页返回.纯电动汽车的基本知识 纯电动汽车具有两个重要特点:一是搭载可拆卸的电化学和机电能源;二是牵引力仅由电机提供。图 所示为纯电动汽车的系统框图,连接汽车能量源和车轮的部分称为动力传动系统,它是机电能源转换系统,既有电气元器件,又有机械部件。储能装置如电池组用来存储所需能量,并实现能源传输。可用于发电以驱动车辆的能源很多,如化石燃料、太阳
4、能等。作为整个汽车的动力来源,动力电池在整个纯电动汽车系统中起着非常重要的作用。本课程我们就重点来介绍纯电动汽车的储能装置动力电池。上一页 下一页返回.纯电动汽车的基本知识.纯电动汽车的基本结构 纯电动汽车的结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除了电力驱动控制系统,其他部分的功能及结构组成基本与传统汽车相同,不过有些部件根据所选的驱动方式不同,已被简化或省去了。因此,电力驱动控制系统既决定了整个纯电动汽车的结构组成及其性能特征,也是纯电动汽车的核心,它相当于传统汽车中的发动机与其他功能以机电一体化方式相结合,这也是与传统内燃机汽车最大的不同点。电力驱动控制系统
5、的组成与工作原理如图 所示,它由电力驱动模块、车载电源模块和辅助模块三大部分组成。这里我们重点介绍一下车载电源模块。上一页 下一页返回.纯电动汽车的基本知识 习惯了传统汽车的发动机、底盘、车身和电气四大组成部分的人可能在想,电动汽车的动力电池安装在哪里呢?那我们就先来认识一下电动汽车的动力电池。如图 所示,这是北京汽车公司生产的 纯电动汽车的动力电池,它由多个电池包组成一个整体,位于传统汽车的底盘位置。图 所示为目前大多数电动汽车动力电池的安装位置。上一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史.电动汽车的发展历史 电动汽车市场竞争越来越激烈,除了特斯拉外,传统汽车生产商也在大力投资电动汽车市场,其
6、中包括通用、大众等。不过,电动汽车并非什么新鲜事物,它已经存在 多年的时间,并且一度还是最流行的汽车类型。下面,我们将带领大家一起回顾电动汽车的百年发展史。第一阶段,电动汽车的诞生阶段。电动汽车是世界上最古老的汽车之一,比内燃机汽车的出现早了半个多世纪。年,苏格兰商人罗伯特安德森用不可再充的蓄电池研发出电动汽车。下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 年,荷兰教授西博兰斯斯特特()设计了一款小型电动车应用法拉第电磁感应原理组装的一台电动三轮车。第二阶段,电动汽车的首个全盛时期。年,电动汽车的销量比其他类型的汽车销量都要好。实际上,根据全美人口调查局的调查,年,电动汽车生产量占到美国汽车总产量
7、 的份额,所出售的电动汽车总价值超过了当年汽油汽车和蒸汽汽车的总和。早期电动汽车基本上是一些由电池驱动的无马马车,如图 所示。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 与蒸汽汽车或者汽油汽车不同,电动汽车不会散发味道,没有噪声和振动,且操作非常简单。燃油汽车必须人工控制起动,需要驾驶员在驾车过程中变换挡位等。蒸汽汽车尽管不需要手动变挡,但是它们的起动得花些时间,并且续驶里程没有电动汽车长。第三阶段,到 年,电动汽车风光不再。从 世纪末到 世纪初,这是电动汽车的黄金时期,电动汽车生产在 年达到顶峰。当时,福特生产的燃油汽车价格要比电动汽车价格便宜很多。第四阶段,世纪六七十年代电动汽车市场
8、复苏。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 世纪 年代石油危机爆发,给世界各国政界一次不小的打击,因此世界各国开始考虑替代石油的其他能源,人们开始重新重视电动汽车的技术开发。年,美国颁布了清洁空气法案,再加上 年爆发的第一次石油危机,激发了人们开发燃油汽车替代品的兴趣。到 年,美国国会采取措施,通过了纯电动汽车和混合动力电动汽车研究开发和示范法案,该法案由美国能源部授权,用于支持和开发纯电动汽车和混合动力电动汽车。世纪 年代的电动汽车生产市场上,两家公司成为领导者,其中排名第一的是,它生产了超过 辆 电动汽车,这也是美国销量最高的电动汽车,直到 年被特斯拉 超越。上一页 下一页返回
9、.电动汽车及动力电池的发展历史 最高速度达到 英里/时,续航里程为 英里。另一家公司是 公司,其生产的 电动汽车最高速度达到 英里/时,续航里程为 英里,价格在 美元。第五阶段,电动汽车并非美国独有,而是呈现百花齐放的状态。宝马在 年夏季奥林匹克运动会上展示了其首款电动汽车宝马(见图),这款电动汽车由 个铅酸蓄电池组驱动,拥有 马力电动机,最高速度能够达到 英里/时。不过,这款汽车并没有进入量产。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 在 世纪 年代,越来越多的电动汽车出现了,但是大多销量一般,主要受限于时速、续航里程和外形设计。进入 世纪 年代后,电动汽车受欢迎度逐渐减弱。第六阶段
10、,世纪 年代,废气排放量监管促使汽车生产商将目标投向电动汽车,电动汽车的发展进入鼎盛时期。美国 年颁布的清洁空气法修正案 和 年颁布的能源政策法案 促使市场对电动汽车再次进行投资。美国加州空气资源委员会甚至还通过一项新的法规,要求汽车生产商需生产和销售零废气排放的汽车,这样才允许他们在该州出售其他车辆。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 从此各大汽车厂商纷纷投入对电动汽车的研发和生产,自此各种车型的电动汽车如雨后春笋般不断上市,并呈现出欣欣向荣的景象。从 年开始,通用汽车公司共生产了 辆 电动汽车(见图 ),不过这款汽车仅在美国几个州使用,并且不能卖,只能租。据悉这款电动汽车续航
11、里程能够达到 英里,从 加速到 英里/时只需要。由于 并不盈利,通用在租赁期到后,全部召回了这些电动汽车,并销毁了其中的大部分,只留下 辆捐赠给博物馆或者其他组织。日本丰田公司也在 年生产了第一批丰田 电动汽车,如图 所示。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 年开始进入全球市场,它也是第一批规模化生产的混合动力电动汽车。在全球推出一年时间里,这款电动汽车共卖出 万辆,到 年 月,这家公司已经卖出超过万辆混合动力电动汽车,其中超过 万辆为。年,特斯拉宣布计划推出续航里程达到 英里的电动汽车,这条消息轰动整个电动汽车市场。到 年,特斯拉拥有了其第一款电动汽车,如图 所示,其续航里程超
12、过 英里,售价超过 万美元。尽管特斯拉已经拥有 轿车和 ,但在很大程度上讲,它们还属于小众化产品。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 特斯拉计划在 年规模化生产其面向大众市场的电动汽车,这款汽车续航里程超过 英里,售价在.万美元左右。年,尼桑在美国开始交付其电动汽车,如图 所示。尼桑 续航里程为 英里,价格在 万美元左右,这款电动汽车目前仍然是全球销量最好的电动汽车。截至 年 月,尼桑共卖出 多万辆,单在美国就卖出.万辆。随着电动汽车的飞速发展和市场保有量的不断增加,传统汽车生产厂商也开始研发电动汽车的新技术,在未来几年内,我们将陆续看到来自各大品牌汽车生产商的电动汽车。上一页
13、下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 如今,混合动力电动汽车以及纯电动汽车又开始流行起来,而几乎所有的汽车厂商也都看准了这一市场。的确,由于环境恶化、油价上涨及能源消耗等诸多问题的出现,人们都或多或少开始关注这些新能源汽车。也许在不久的将来,电动汽车又能回到 年那样一个“全盛时期”,并且是达到一个新高度的全盛时期。.动力电池的发展历史.动力电池的使用特点()高能量(用电池)和高功率(用电池)。()高能量密度。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史()高倍率部分荷电状态下()的循环使用(用电池)。()工作温度范围宽()。()使用寿命长,要求 年。()安全可靠。.动力电池的发展史 目
14、前世界上各汽车生产厂家纷纷开发并推广使用电动汽车,电动汽车有着广阔的发展前景。电动汽车的蓬勃发展,促进了动力电池技术的发展,世界各大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电动车用动力电池。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 以下就电动车用动力电池及燃料动力电池的技术发展动态作一概述。根据动力电池的使用特点、要求和应用领域不同,国内外动力电池的研发大致经历了以下几个发展阶段。第一代动力电池铅酸蓄电池。图 所示为主要的阀控式铅酸蓄电池()。它最大的优点是大电流放电性能良好,价格低廉,资源丰富,电池的回收率较高,在电动自行车、电动摩托车上应用广泛;缺点是质量比能量低,主要原材
15、料铅有污染。铅酸蓄电池的应用历史最长,它也是最成熟、成本和售价最低廉的动力电池。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 当前存在的主要问题是一次充电的行程短,一般在 ;就是快速充电也要 ,且质量比能量只有/。为此人们一直探索改进铅酸蓄电池性能的方法,开发能量效率更高、稳定性更好、电荷容量更大的新动力电池。在改进铅酸蓄电池性能方面,人们现在已在广泛使用 蓄电池,它具有使用方便的优点。为使铅酸蓄电池更可靠,人们开发了 蓄电池。蓄电池也属于 蓄电池范畴。它依然用密度为./的硫酸溶液,但在其中添加了 ,电解液呈胶体状乳白色的凝胶,构成了胶体电解质。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展
16、历史 胶体的状况会随着温度和电场的作用而变化。当 蓄电池放电时,胶体的凝聚性会更明显;温度降低,胶体内部溶液扩散迁移及传导性变差,内电阻增加。在温度升到 以上,外施单格电压超过.时,要产生充电气泡;充电时间过长,温度过高,特别是单格电压超过.,胶体常常会发生水解,放出大量 和,并伴有硫酸和水外溢,胶体变成了液态。如及时停止充电,降低温度,去掉外电压,胶体还可恢复。蓄电池的性能、价格与普通铅酸蓄电池相似,只是由于其胶体电解质具有不易渗漏性,故能保证电源使用的可靠性。即使 蓄电池壳体产生了裂纹也可继续使用,不会对车辆产生腐蚀作用。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 因此其适用于道路状
17、况差(如乡间土路)和用电负荷变化大的车辆,如在我国中西部地区的山区、半山区、乡村使用的车辆的蓄电池,军用车辆的起动用蓄电池,以及由于环保要求,限制酸腐蚀的特种车辆等用的蓄电池。由于电解质中有 存在,在极板硫化过程中,会同时产生硫酸铅、硫酸钠结晶,从而防止极板生成粗大的硫酸铅结晶体,使极板不易硫化,容易再次充电活化,不易丧失极板的多孔性,还能防止正极板上生出尖锐的硫酸铅突起,避免隔板被刺穿形成极板间短路。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 从寿命上讲,蓄电池是现在普通铅酸蓄电池的 倍以上,在 仍能很好工作,且工作性能相当稳定,相比普通铅酸蓄电池,性能有了大幅度提高。估计 蓄电池会比
18、普通铅酸蓄电池多存在一段时间,但 蓄电池毕竟是铅酸蓄电池,随着人们对环保要求的深入,含铅的重金属产品将会随着世界禁铅运动的深入而逐渐被淘汰。尽管 蓄电池有许多优点,但终归要退出历史舞台。第二代动力电池碱性电池,如镍镉()电池、镍氢()电池。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 镍镉电池由于镉的污染性,欧盟各国已禁止用于动力电池,而镍锌电池的价格明显高于铅酸蓄电池,目前是 的主要动力电池。日本松下能源公司已为 提供 万只以上的镍锌电池,应用于电动自行车,但是由于价格问题,这种电池在市场上缺乏竞争力。镍氢电池是目前人们普遍看好的第二代蓄电池之一,是一种取代镍镉电池的产品,当然也是取代铅
19、酸蓄电池的产品。镍氢电池的生产过程中,存在着烧结体技术和发泡体技术两种技术。一般的生产厂家都经历了一个从发泡体技术向烧结体技术发展的过程。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 采用烧结体技术对镍氢电池正极进行处理,蓄电池的内阻会大幅度减少,具有放电电压稳定和能进行大电流放电的特性。烧结体镍氢电池还具有蓄电池不易老化,不需要预充电,以及低温放电特性比较好等优点。经烧结处理的正极,其镍化合物粒子会转换成活性的镍化合物,能确保蓄电池有平衡的输出电压,且具有长时间的性能稳定性、长寿命和蓄电池不老化。以发泡镍技术生产的蓄电池在放置一段时间后,要有 左右的电荷量流失,将这样的蓄电池装车后会发现
20、与装新蓄电池的差距很大,也说明其老化现象十分明显。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 为避免发泡镍蓄电池的老化所造成的内阻增高,发泡镍蓄电池在出厂时必须进行预充电,且使用此种蓄电池的放电电压不能低于.(单元体蓄电池),给用户的使用带来了极大的不便。除此之外,发泡镍蓄电池的工作电压极不稳定,不能进行长时间存放和流通,这也给销售和用户造成了很大负担。第三代动力电池锂电池。年以后,日本开发成功的镍氢电池得到了人们的高度重视,应用量急速增加。但自 年日本新力蓄电池公司推出锂离子电池后,人们又开始认同锂电池,一些镍氢电池企业纷纷转产生产锂电池。图 所示为锂电池的一种锂离子电池。上一页 下一
21、页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 一时间人们所热崇的镍氢电池似有被冷落的意思。锂电池可分为锂离子电池和锂分子(高聚合物)电池两种。锂电池具有体积小、质量能和质量功率高、电压高、安全性(固态)高、无污染、环保性好等优点。锂电池的能量密度(体积能和质量能)是镍镉电池的.倍,也就是说,在同样大小能量的情况下,锂电池的体积和质量可减小/左右。单元蓄电池的平均电压为.,相当于 个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能减少蓄电池组合体的数量,从而因单元蓄电池电压差所造成的蓄电池故障的概率可减少许多,也就是说大大延长了蓄电池组合体的寿命。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 相对于镍镉电池和镍氢
22、电池,锂电池充电时不用先进行放电(因锂电池无记忆性),给使用者带来了极大的便利,同时也节省了电能。锂电池的自放电率仅为 ,具备自放电低的优点,在非使用状态下储存,内部几乎不发生化学反应,相当稳定。由于锂电池不含有镉、汞和铅等重金属,因此它是一种绿色的环保蓄电池,在未来一段时间内将是较具竞争力的动力电池。总之,锂电池日益完善,在电动车上大有取代铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池之势,它将随着电动车的普及发展而成长壮大,并将与燃料电池一并成为 世纪电动车的主要蓄电池。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 第四代动力电池燃料电池。燃料电池是人们努力开发的一种蓄电池,目前各公司都致力于开发甲醇
23、改质氢燃料电池、汽油改质氢和纯氢燃料电池,并将其装车进行试验。燃料电池的典型代表有质子交换膜燃料电池(,见图)、直接甲醛燃料电池()和锌空气蓄电池(亦称锌氧蓄电池),其特点是无污染,放电产物为,是真正的电化学发电装置。目前以此类燃料生产的燃料电池的能量转换效率还比较低,但其工作原理有了很大发展,已从燃料电池只能由氢和氧结合生成电和水,发展到了利用甲烷等气体与氧化合生成电和水。此类燃料电池经改进后,还可直接使用汽油和柴油。因此,此类燃料电池的发展极具实际使用意义。上一页 下一页返回.电动汽车及动力电池的发展历史 这种工作原理的燃料电池开发成功,并经不断完善后,极有可能成为燃料电池的主流,进而取代
24、生产成本和使用成本都很高的氢燃料电池。燃料电池是车载动力最经济、最环保的解决方案,但是实现商业化还有许多问题需要解决,如价格昂贵,采用贵金属铂、铑作为催化剂,氢的存储、运输以及电池寿命问题。为了解决以燃油为动力的汽车排放对环境的污染,以电池为动力的纯电动汽车和油电混合电动汽车成为世界各国研发的热点,其中动力电池的研发更是其成败的关键。上一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势.目前常用的电池类型及应用车型 目前市场上电池的种类有很多,现在运用较成熟的有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池等。.铅酸蓄电池 蓄电池是一种电化学储能体系,其能量储存和释放是通过两个电极的电化学
25、反应实现的,伴随着化学能与电能的相互转换。铅酸蓄电池是由法国物理学家 于 年发明的,是第一种商业化应用的可充电电池。现在,铅酸蓄电池被广泛用于汽车、机车、通信后备电源和不间断电源()系统等。下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 铅酸蓄电池的应用历史最长,最成熟,成本也最低,已实现批量生产,但是比能量低,所占体积和质量大,且一次充电行驶里程较短,自放电率高,不能满足现代电动汽车的发展需要。铅酸蓄电池的结构如图 所示。铅酸蓄电池的缺点总结如下:()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。()使用寿命短,使用成本高。()充电时间长。()铅是重金属,存在污染。上一页
26、 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 目前常用的铅酸蓄电池及其特点如表 所示。铅酸蓄电池由于价格低廉,目前主要应用在速度不高、线路固定、充电站设立容易规划的电动汽车上。雷丁 是目前微型电动汽车市场上唯一一款自主研发采用三厢结构的车型,如图 所示,前期推出两个不同配置的铅酸 配套电池。.镍氢电池 镍氢电池是 世纪 年代发展起来的一种新型绿色电池,具有高能量、长寿命、无污染等特点。镍氢电池的优点有很多,如比功率高、循环功率次数多、无污染、耐过充过放、无记忆效应、使用温度范围宽、安全可靠等。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 同时也伴随着相应的缺点,如自放电率较高
27、,在满电常温下存储自放电率为 ,高温性能差,过充和过放时会排出气体等。目前,国内外镍氢电池生产厂商及电池特点如表 所示。日本丰田公司的丰田 纯电动汽车是世界上首款搭载镍氢电池的量产型电动汽车。目前使用镍氢电池作为动力源的纯电动汽车有通用汽车的 、本田的、福特汽车的 ,采用镍氢电池作为动力源的混合动力电动汽车有福特汽车的、雪佛兰的、本田的 等。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势.锂离子电池 与其他蓄电池比较,锂离子电池具有高电压、高比能量、充电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点,已成为未来电动汽车较为理想的动力电源。但是目前锂离
28、子电池成本较高,使用时必须有特殊的保护电路,以防止过充。锂离子电池是目前国内外主流的混合动力电动汽车及纯电动汽车的储能设备。目前主流的采用锂动力电池的情况如表 所示。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 在以上的产品中,插电式电动汽车丰田 最值得关注,这是丰田的第一款插电式混合动力量产车,是基于第三代 车身来构建的。它拥有三种可以随意切换的驾驶模式、和 ,其中 类似于普通的,由于发动机和电动机共同驱动车辆行驶,必要的时候发动机可以熄火以更好地降低功耗;第二种模式为纯电动零排放模式,电池组充满电之后可以行驶大约,而最高车速可以达到/;第三种模式则是吸收了前两种模式的优点,在汽
29、油发动机起动之前尽量使用电池组中的电力供应电机来驱动车辆,二挡车辆减速以及刹车的时候可以为电池组充电。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势.燃料电池 目前在电动汽车的动力电池领域,燃料电池以能量密度高,接近汽油和柴油的能量密度,几乎零污染,代表了电动汽车未来的发展方向,也是各国重点研发的领域之一。燃料电池具有以下特点:优点:()节能、转换效率高。()配方基本达到零污染。()无振动和噪声,寿命长。()结构简单,运行平稳。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 缺点:()采用金属铂作为催化剂,燃料种类单一。()存储和运输成本高。()加氢站等配套设施不完善。目前
30、,采用燃料电池的典型代表是现代汽车公司生产的现代 电动汽车,它采用氢燃料电池。现代汽车生产的 燃料电池车 年的注册量为 辆,主要针对公共领域或集团客户。现代 和所有氢动力汽车一样,水蒸气是其唯一排放的“尾气”,该车最高功率为,最高速度可达/,百公里加速仅用.。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 其驱动过程为:将电量储存在 的锂电池组,然后用电机驱动车辆,续航里程可达。与传统意义上的电动汽车不同的是,氢燃料电池车(见图)加氢只需要几分钟的时间,而且加氢站的建设要比电动汽车充电站更为环保、便宜。.太阳能电池 太阳能是一种储量极其丰富的清洁能源,是解决世界范围内能源危机和环境问
31、题的一条重要途径,目前太阳能电池电动车也是世界各国都在重点研究和关注的。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势 典型的太阳能电池车有福特公司生产的 太阳能电池车,它包含 公司.的 太阳能电池组,容量为 。同时它还拥有太阳能集中装置和太阳跟踪技术,二者共同为高效的 太阳能电池组服务。原理近似于放大镜,整个系统由东向西追踪太阳轨迹,从而获取尽可能多的太阳能,晴好天气所获得的能量几乎等同于 的插电式充电(),可以令该车在混合动力情况下行驶 英里(约合 公里),而纯电驱动则为 英里(约合 公里)。通过利用可再生能源,每年可降低 的温室气体排放量。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技
32、术的发展现状及趋势.目前动力电池存在的问题()电池的安全性有待进一步提高。()在电池容量上,目前车用电池的容量有限,一直未能实现突破。()续航里程短。()电池循环寿命短。()电池质量和尺寸制约。()电池价格昂贵。()对环境污染严重。上一页 下一页返回.电动汽车动力电池技术的发展现状及趋势.我国动力电池的发展现状 第一,从技术层面看,我国已经基本掌握车用动力电池的关键技术。第二,从产品层面来看,磷酸铁锂电池已经趋于成熟。第三,我国建立了比较完善的产业体系,关键材料、单体电池、电池系统和电池装备、检测仪器等都有一定的生产能力。上一页返回图 纯电动汽车的系统框图返回图 电力驱动控制系统的组成与工作原
33、理返回图 北汽 纯电动汽车动力电池返回图 动力电池安装位置返回图 早期的电动汽车返回图 宝马 电动汽车返回图 通用 电动汽车返回图 丰田 电动汽车返回图特斯拉 电动汽车返回图 尼桑 电动汽车返回图 阀控式铅酸蓄电池返回图 锂离子电池返回图 典型的质子交换膜燃料电池返回图 铅酸蓄电池结构返回表 目前常用铅酸蓄电池及其特点返回图 雷丁 电动汽车返回表 目前国内外镍氢电池生产厂商及电池特点返回表 目前主流锂动力电池的使用情况返回图 现代 氢燃料电池车返回第 章 纯电动汽车动力电池的基本概念.动力电池的概念及分类.动力电池的原理与结构.动力电池的参数及性能指标.电动汽车对动力电池的要求返回.动力电池的
34、概念及分类.动力电池的概念 对于动力电池,目前尚无统一的定义。动力电池的名称来源于动力机械应用领域(如潜艇等),并一直沿袭下来,但全球电动汽车行业基本约定:为电动汽车提供驱动动力的电池统称为动力电池,包括传统的铅酸蓄电池、镍氢电池以及新兴的锂离子电池等。手机、笔记本电脑等消费类电子产品使用的锂电池一般统称为锂电池,以区别于电动汽车用锂电池动力锂电池。动力电池是电动汽车发展最关键的技术。在/2004 中,动力电池()的定义为:为电动汽车动力系统提供能量的蓄电池。下一页返回.动力电池的概念及分类.动力电池的分类.按照电池的工作性质及使用特征分类 按电池的工作性质及使用特征分类,动力电池一般可分为一
35、次电池、二次电池、储备电池和燃料电池四类。()一次电池。一次电池又称“原电池”或者“干电池”,即放电后不能用充电的方法使它复原的电池。换言之,这种电池只能使用一次,放电后电池只能废弃。这类电池不能再充电的原因,或是电池反应本身不可逆,或是条件限制使可逆反应很难进行,如锌锰干电池、锌汞电池、银锌电池等。()二次电池。上一页 下一页返回.动力电池的概念及分类 二次电池又称“蓄电池”,即放电后又可以用充电的方法使活性物复原而能再次放电,且可反复循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学能量储存装置,用直流电将电池充足,这时电能以化学能的形式储存在电池中,放电时,化学能再转换为电能,如铅酸蓄电池、镍
36、镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。迄今已经实用化的车用动力电池有传统的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。()储备电池。储备电池又称“激活电池”,是正、负极活性物质和电解液不直接接触,使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的一类电池。上一页 下一页返回.动力电池的概念及分类 这类电池的正、负极活性物质化学变质或者自放电,因与电解液的隔离而基本上被排除,从而使电池能长时间储存,如镁银电池、钙热电池和铅高氯酸电池等。()燃料电池。燃料电池又称“连续电池”,即只要活性物连续注入电池,就能长期不断地连续放电的一类电池。它的特点是电池自身只是一个载体,可以把燃料电池看成一种需要电能时将反应物从
37、外部送入的一种电池,如氢燃料电池、肼空燃料电池等。必须指出的是,上述分类方法并不意味着某一种电池体系只能分属一次电池、二次电池、储备电池或燃料电池,恰恰相反,某一种电池体系可以根据需要设计成不同类型的电池。上一页 下一页返回.动力电池的概念及分类.按照电池的反应原理分类 按电池的反应原理,可以将电池分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。()化学电池。化学电池利用物质的化学反应发电,其按照工作性质,可分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池;按照电解质不同,可分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池和固体电解质电池等;按照电池的特性,可分为高容量电池、密封电池、高功率
38、电池、免维护电池和防爆电池等。()物理电池。上一页 下一页返回.动力电池的概念及分类 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、超级电容和飞轮电池等。在物理电池领域中,超级电容器也应用于纯电动汽车和混合动力电动汽车中。()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、酶电池和生物太阳电池等。生物燃料电池在车用动力中应用前景也十分广阔,以氢为燃料的燃料电池和氢化物燃料电池的研发已进入重要发展阶段。上一页返回.动力电池的原理与结构 动力电池是由许多单体电池组合而成的,这些单体电池存储了可转换为电能的化学能。一个或多个这样的电化学单体电池串联起来就形成了一块电
39、池,把成组的单体电池封装到一个箱体中就构成了一个电池模块。电池组就是将多个独立的电池模块并联或者串联到一起,从而为功率电子驱动系统提供所需的总电压和能量。动力电池组如图 所示。电池的基本单元是单体电池,它的基础理论包括电解质的使用、化学反应的发生以及电池的电动势。下面以常见的化学电池()为例来介绍电池的结构和原理,使读者对电池的内部结构及发生的化学变化有一定的了解。下一页返回.动力电池的原理与结构.动力电池的组成 存储在电池中的能量在电池的化学部件进行充放电时所含有的自有能量是不同的,只有当单体电池的基本化学部件工作时,化学能才能转化为电能。这些基本部件就是电池的基本组成部分,包括正极活性材料
40、、负极活性材料、电解质、隔膜、外壳及导电栅、汇流柱、极柱以及安全阀,具体结构如图 所示。动力电池工作时,在两电极上会发生化学反应,一端释放电子而另一端获得电子。两个电极必须选用导电材料并且中间用隔膜分开放置在电池容器中。电极与外部的连接点通常叫作电极柱()。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 外部电路保证了电池的化学能只有在需要使用时才会释放。下面对动力电池中各部件的功能进行简单介绍。()正极:正极的成分是某种氧化物或硫化物以及一些其他混合物,它在电池放电时发生还原反应并获得来自外电路的电子。典型的正极材料有二氧化铅()和氢氧化镍。正极材料都是以固态形式存在的。()负极:负极的成分是某种
41、金属或合金,它在电池放电时发生氧化反应并向外电路释放出电子。典型的负极材料有铅和镉。负极材料也是以固态形式放置在电池中的。()电解质:电解质是使电池正负极之间具有离子导电性的介质。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 电解质在电极发生反应时应具有较高的离子导电性,同时还必须对电子绝缘,以免在电池内部发生自放电。电解质的材料一般是液体、胶体或者固体,它可以是酸性的也可以是碱性的,取决于电池的类型。传统的铅酸蓄电池、镍镉电池使用的是液体电解质。以铅酸蓄电池为例,它的电解质是硫酸溶液(水)。电动汽车用的先进动力电池如密封式铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池,其电解质一般是胶体、糊剂或者树脂。而锂聚
42、合物动力电池使用的是固态电解质。()隔膜:隔膜是一层具有电绝缘特性的物质,它可以把正、负极分隔开来。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 隔膜应具有使电解质中离子通过的能力,还应具有存储和固定电解质的功能。目前所用的隔膜是由高分子聚合物制成的。.动力电池的工作原理 在电池工作时,发生在两电极上的化学反应只有当所产生的电子能够从连接两电极的外电路中通过时才可以持续进行。动力电池中,两电极表面所发生的化学反应产生源源不断的电子,这个过程一般称为氧化还原反应,动力电池正是利用正负极之间的氧化还原反应来完成充放电的。具体过程如下:当无源电路元件连接到电池极柱上时,电池负极释放电子,正极获得电子,从
43、而使外电路中产生电流。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 在这个过程中,电池放电。当电池放电时,正极从外部电路获得电子,发生还原反应;负极向外电路释放电子,发生氧化反应。若给动力电池提供高于电池端电压的电源,使电流能够反向流入电池中,就完成了给电池充电的过程。当电池充电时,正极向外电路释放电子,发生氧化反应;负极从外电路获得电子,发生还原反应。这就是动力电池的工作原理。无论哪种类型的化学电池,电池充放电时都会在两电极之间发生氧化还原反应,同时伴随着电子的释放与获得。我们可以通过下面的反应式来理解这种氧化还原反应。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 电池正极的反应如式()所示,当电池
44、充电时,电池正极的物质 发生氧化反应,生成物质 并同时对外电路释放电子,对电解质释放出阳离子。放电时则正好相反,正极上的材料吸收电子并与离子结合,最终生成物质。电池负极发生的反应如式()所示,当电池充电时,电池负极的物质 与电介质中的阳离子连同外电路的电子共同作用产生不带电的物质。电池放电时反应正好相反。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 在电动汽车中,动力电池的工作模式是,当能量从电池供应到电机产生驱动力时,电池放电;当能量从外部电源存储到电池中时,电池充电。下面我们以常见的化学蓄电池铅酸蓄电池为例,具体分析电池在充放电时所发生的氧化还原反应。无论在传统汽车、纯电动汽车还是混合动力电动
45、汽车中,铅酸蓄电池仍然是汽车低压电气附件电源的最佳选择。铅酸蓄电池的正极材料是二氧化铅(),负极材料是海绵状纯铅,电解质材料为纯硫酸()与蒸馏水按一定比例配制而成的溶液。上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 图 所示为铅酸蓄电池放电时的工作情况,当外电路连接无源电子器件时,正极的二氧化铅()获得由负极经外电路而来的电子和离子后被还原变成硫酸铅。当电池作为电源使用时,电路方向是由正极流向负载然后进入电池负极。放电时正极的反应式为(固)(水溶液)(水溶液)(固)(液)此时负极材料为固态铅,放电时,铅被氧化并向外电路释放出电子,其反应式为上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构(固)(水溶液)(
46、固)电池的充电过程与放电过程正好相反,电池的两端加入外部电源,电流流入电池并使化学反应反向进行,这时硫酸铅被重新转化成铅和二氧化铅。正极释放电子,负极从外部电源获得电子,电流从外电源流入正极,从而将电能输送到电池中并以化学能的形式存储起来。整个充电过程时,正极发生的反应可以用以下公式表示:(固)(液)(固)(水溶液)(水溶液)上一页 下一页返回.动力电池的原理与结构 负极在电池充电时获得电子的总化学反应式为(固)(固)(水溶液)综合以上,铅酸蓄电池在充放电时总的化学反应式为上一页返回.动力电池的参数及性能指标.电压 电池的电压分为电动势、端电压、终止电压、开路电压、工作电压、额定电压、充电电压
47、等,下面我们来一一介绍。()电动势。电池的电动势,又称电池标准电压或理论电压,为电池断路时正负两极间的电位差。电池的电动势可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算而得。()端电压和终止电压。电池的端电压()是指电池接通负载后两电极之间的有效电压,用 表示。当电池充满电时,端电压达到最大值,记为,然后随着放电过程的进行,电池的端电压不断下降。下一页返回.动力电池的参数及性能指标 电池必须停止放电的电压值称为终止电压(),记为。这样电池的端电压与放电状态(,)之间的关系如图 所示。()开路电压。电池的开路电压是在开路状态下(即无负荷情况下),电池两电极之间的内电压。开路电压不等于电池的电动势。必须
48、指出,电池的电动势是从热力学函数计算而得到的,而开路电压则是实际测量出来的。电池的开路电压取决于电池的荷电状态、温度、以往充放电历史(记忆效应)以及其他因素。()工作电压。工作电压是指电池在某负载下实际的放电电压,通常是指一个电压范围。上一页 下一页返回.动力电池的参数及性能指标()额定电压。额定电压(或公称电压),是指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。()充电电压。充电电压是指外电路直流电压对电池充电的电压。一般充电电压要大于电池的开路电压,且通常在一定的范围内。()电压效率。所谓电压效率,是指电池的实际输出电压与电动势的比值。由于电动势只是从热力学角度考虑而获得的一个理论电压值,而电
49、池的实际输出电压涉及反应体系的动力学性质,因此后者低于前者,二者的比值小于。电压降低的多少由电极反应的电化学极化、浓差极化及体系的欧姆极化所决定。上一页 下一页返回.动力电池的参数及性能指标 其中,欧姆极化包含电池各部件之间的接触电阻、固相电阻以及电解质溶液的液相电阻等引起的极化。因此,要获得较高的电压效率,必须选择具有高电化学活性的物质作为电极活性材料,并发展与之适配的具有高电导率特征的电解质体系,同时,尽量减小体系的固相电阻及接触电阻。所谓反应效率,是指实际电池反应能进行的最大限度,也就是活性物质的利用率。导致电极活性物质利用率降低的原因主要有各种副反应的发生(如水溶液电池中的置换析氢反应
50、)、电极表面钝化以及电极结构粉化等。因此,要提高电极材料的反应效率,必须避免和抑制上述现象发生。上一页 下一页返回.动力电池的参数及性能指标.内阻 电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。充电电池的内阻很小,需要用专门的仪器才能测量到比较准确的结果。一般所说的内阻是指充电态内阻及电池充满电时的内阻。电池的内阻越大,电池自身消耗的能量越多,电池的使用效率就越低。蓄电池的内阻包括正负极板的电阻、电解液的电阻、隔板的电阻和连接体的电阻等。()正负极板电阻。目前普遍使用的铅酸蓄电池正、负极板为涂膏式,由铅锑合金或铅钙合金板栅架和活性物质两部分构成。因此,极板电阻也由板栅电阻和活性物质电阻组成。上
