1、1 新能源汽车动力电池系统检测与维修2 新能源汽车动力电池系统检测与维修教学目标 知识目标：了解锌空气电池、飞轮电池、超级电容和燃料电池的应用特点，掌握它们的储电原理。能力目标：能简单阐述锌空气电池、飞轮电池、超级电容和燃料电池的工作原理。素质目标：1、培养学生自主学习、查找资料、制定计划的能力；2、培养学生具备从事汽车行业工作的职业素养。学习检测教学目标主要内容 学习小结3 新能源汽车动力电池系统检测与维修教学目标教学重点：掌握其他新型动力电池的应用及发展教学难点：理解其他新型动力电池的工作原理学习检测教学目标主要内容 学习小结4 新能源汽车动力电池系统检测与维修主要内容1.锌空气电池原理与
2、应用2.飞轮电池原理与应用3.超级电容的结构原理与应用4.燃料电池的结构原理与应用学习任务学习检测主要内容教学目标学习小结5 新能源汽车动力电池系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用1、锌空气电池原理 锌空气电池主要由空气电极、电解液和锌阳极构成；空气中的氧为正极活性物质，金属锌作为负极活性物质，多孔活性炭作为正极，铂或其他材料作为催化剂，使用碱性电解质。氧气经多孔电极扩散层扩散到达催化层，在催化剂微团表面的三相界面处与水发生反应，吸收电子，生成OH-，阳极的锌与电解液中的OH-发生电化学反应，生成ZnO和H2O，并释放出电子，电子被集电层收集起来，在外电路中产生电流。6 新能源汽车动力电池
3、系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用2、锌空气电池的分类 根据其充电的方式，以及在电动车辆应用的特点可分为三类：直接再充式锌空气电池、机械充电式锌空气电池以及注入式锌空气电池。（1）直接再充式锌空气电池容易出现电极变形、枝晶生长、自腐蚀及钝化等现象，导致电极失效。因此，直接再充式锌空气电池的应用受到了一定的限制。（2）机械式充电是指在电池完全放电后，将电池中用过的锌电极取出，换入新的锌电极，或者将整个电池组进行完全更换，整个过程控制在较短的时间内(35min)。使用过的锌电极或锌空气电池可在专门锌回收利用厂进行回收再加工，实现绿色环保无污染生产。（3)注入式锌空气电池是将配制好的锌膏源源不
4、断地通过挤压或压力输送送入电池内，同时将反应完毕的混合物抽取到电池外，这样在电动车辆上应用时，电池系统只需携带盛放锌膏的燃料罐，燃料罐加注足够的锌膏燃料就可实现车辆的连续行驶。7 新能源汽车动力电池系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用3、锌空气电池的应用美、德、瑞典等都在EV上积极推广锌空气电池。(1)美国Dreisback Electromotive公司开发的锌空气电池，已在公共汽车和总重9t的货车上使用，公共汽车可连续行驶10h左右，货车最大续驶里程达113km。(2)德国奔驰汽车公司的MB410型电动厢式车采用150kWh的锌空气电池，从法国的Chambery城越过阿尔卑斯山，连续爬
5、坡150km，公路全程244km，到达意大利的都灵，仅消耗了65%的电量（97.5kWh）。该车从德国的不莱梅到波恩，最高车速达到120 km/h，一次充电后走完全程425km的路程。(3)瑞典斯德哥尔摩市的电动货车、客车和服务车辆上的锌空气电池比能量180Wh/kg，比功率100Wh/L，续驶里程350425km之间。该市的锌空气电池废料回收处理能力为250kg/h，可为150辆EV提供再生的锌粒。8 新能源汽车动力电池系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用3、锌空气电池的应用 1995年以色列电燃料（Electric Fuel）有限公司首次将锌空气电池用于载重1000kg、总重3500k
6、g的电动邮车上，使得锌空气电池进入了实用化阶段。实验结果为：比能量达到207Wh/kg350kg的锌空气电池使电动邮车行驶了300km最高车速可达120km/h由静止加速到80km/h为12s更换锌粒匣和灌满电解质的时间为2min以色列设有每小时能处理10kg锌的再生处理厂，可以供给1015辆电动邮车更换锌粒匣服务。9 新能源汽车动力电池系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用3、锌空气电池的应用锌空气电池的应用 国内在注入式锌空气电池方面开展了多年的研究工作，在部分电动车辆上进行了实验性装车测试。2010年，北京市安排5辆电动大客车和环卫车进行运行测试，另安排50辆电动大客车和环卫车电池，在
7、北京市政府指定的线路进行路试，投入市公交和环卫系统的试验运行，为市场化运作提供可靠的依据。10 新能源汽车动力电池系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用4、锌空气电池的优点(1)容量大：空气电极的活性物质氧气来自周围的空气，材料不占用电池空间，在相同体积、重量的情况下，锌空气电池就储存了更多的反应原料，因而容量就会高出很多。(2)能量密度高：理论可达1350Wh/kg，目前已研制成功的锌空气电池比能量已经可以达到200Whkg以上，是铅酸电池的5倍。(3)价格低廉：阴极活性物质氧气来自空气，除了空气催化电极之外，不需要任何高成本组件；阳极活性物质锌来源充足，资源丰富，价格便宜，并且锌可回收利
8、用，价格可进一步降低。(4)储存寿命好:锌空气电池在储存过程中均采用密封措施，将电池的空气孔与外界隔绝，因而电池的容量损失极小，储存寿命好。(5)锌可回收利用、制造成本低:锌来源丰富，生产成本低、回收再生方便且再生成本较低。(6)绿色环保:锌空气金属燃料电池负极物质放电完毕后变成氧化锌，可通过电解还原成锌。在使用完毕后，正负极物质容易分离，便于集中回收，对于某些不便回收的场合，由于锌空气金属燃料电池内无有害物质即使抛弃也不会造成环境污染。11 新能源汽车动力电池系统检测与维修一、锌空气电池的原理与应用5、锌空气电池的应用中存在的问题（1）防止电解液中水分的蒸发或电解液的吸潮。（2）避免锌电极的
9、直接氧化。（3）防止锌枝晶的生长。（4）提高空气电极催化剂活性。（5）控制电解液的碳酸化。（6）解决电池的发热和温升问题。12 新能源汽车动力电池系统检测与维修二、超高速飞轮的结构原理与应用1、超高速飞轮的工作原理超高速飞轮电池储能是基于飞轮以一定角速度旋转时，可以存储动能:式中j飞轮的转动惯量与飞轮的形状和重量有关；飞轮转动的角速度。充电时，飞轮电池中的电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电动机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”，增加了飞轮的转速；放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速可
10、达200000rmin飞轮电池技术主要涉及复合材料科学、电力电子技术、磁悬浮技术、超真空技术、微电子控制系统等学科，具有明显的多学科交叉和集成特点。22jE13 新能源汽车动力电池系统检测与维修二、超高速飞轮的结构原理与应用2、典型的飞轮储能电池结构飞轮电池主要由以下几部分组成：复合材料飞轮、集成的发电机/电动机、支撑轴承、电力电子及其控制系统、真空腔、辅助轴承和事故屏蔽容器。14 新能源汽车动力电池系统检测与维修二、超高速飞轮的结构原理与应用3、飞轮电池的特性（1）能量密度高。储能密度可达100200Whkg，功率密度可达500010000Wkg。（2）能量转换效率高。工作效率高达90%。（
11、3）工作温度范围宽。对环境温度没有严格要求。（4）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，预期使用寿命20年以上。（5）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。15 新能源汽车动力电池系统检测与维修二、超高速飞轮的结构原理与应用4、飞轮电池的应用(1)交通运输。飞轮电池充电快，放电完全，非常适合车辆应用。现在由于成本和小型化的问题，仅在部分电动汽车和火车上有示范性应用，并且主要是混合动力电动车辆，车辆在正常行驶或制动时，给飞轮电池充电，在加速或爬坡时，飞轮电池则给车辆提供动力，保证发动机在最优状态下运转。(2)航空航天。航空航天方面包括在人造卫
12、星、飞船、空间站上的应用等。飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的3l0倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看剩余电能。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150kW的电能。(3)不间断电源。飞轮电池作为稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足以保证工厂进行电源切换。德国GmbH公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内可提供或吸收5MW的电能。16 新能源汽车动力电池系统检测与维修二、超高速飞轮的结构原理与应用5、飞轮电池的应用案例1987年，德国开发了飞轮电池混合动力汽车，利用飞轮电池吸收90%的制动能
13、量，并在需要短时加速等工况下输出电能补充内燃机功率的不足。1992年，美国飞轮系统公司(AFS)采用纤维复合材料制造飞轮，并开发了飞轮电池电动汽车，该车一次充电续驶里程达到600km。17 新能源汽车动力电池系统检测与维修三、超级电容器的结构原理与应用1、超级电容器工作原理 电容器是由两个彼此绝缘的平板形金属电容板组成，在两块电容板之间用绝缘材料隔开。电容器极板上所储集的电量q与电压成正比。电容的计量单位为“法拉”(F)。计算公式如上图所示 式中电介质的介电常数；A电极表面积；d电容器间隙的距离。电容器的容量与电容板面积大小成正比，而与电容板的厚度无关。与电容板间的间隙大小成反比，当电容元件充
14、电时，电容元件上的电压增高，电场能量增大，电容器从电源上获得电能，电容器存储的能量E为dAC22CUE 18 新能源汽车动力电池系统检测与维修三、超级电容器的结构原理与应用1、超级电容器工作原理 当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，两极板上电荷的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同向之间的接触面上，以正负电极之间极短间隙排列在相反的位置上，此电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。19 新能源汽车动力电池系统检测与维修三、超级电容器的结构原理与应用2、超级电容器分类（1）按工作原理分：双电层型超级电容器赝电容型超级电容器（2
15、）按电解质类型分：水性电解质超级电容器有机电解质超级电容器酸性电解质，多采用36%H2SO4水溶液作为电解质；碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂；中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。20 新能源汽车动力电池系统检测与维修三、超级电容器的结构原理与应用3、超级电容器特性超级电容主要有以下特点：（1）输出功率密度高。超级电容器的内阻很小，输出功率密度高达数千瓦每千克。（2）极长的充放电循环寿命。超级电容器循环寿命可达上万次。（3）非常短的充电时间。完全充电时间只要1012min。（4）储存寿命极长。理论上超级电
16、容器的储存寿命几乎可以认为是无限的。（5）比能量低。这一缺陷制约了超级电容的应用。21 新能源汽车动力电池系统检测与维修三、超级电容器的结构原理与应用4、超级电容器在电动汽车上的应用本田的FCX燃料电池一超级电容混合动力汽车是世界上最早安现商品化的燃料电池轿车，该车已于2002年在日本和美国加州上市；日产公司于2002年6月24日生产了安装有柴油机、电动机和超级电容的并联混合动力卡车，此外还推出了天然气超级电容混合动力客车，该车的经济性是原来传统天然气汽车的24倍；日本富士重工推出的电动汽车已经使用了日立机电制作的锂离子蓄电池和松下电器制作的储能电容器的联用装置22 新能源汽车动力电池系统检测
17、与维修 国内2004年7月，我国首部“电容蓄能变频驱动式无轨电车”在上海张江投入试运行，当电车停靠站时在30 s内快速充电，充电后就可持续提供电能，时速可达44 km/h；哈尔滨工业大学和巨容集团研制的超级电容器电动公交车，可容纳50名乘客，最高速度20km/h；2010年上海世博会期间，在世博园内也运行了采用超级电容器驱动的电动客车。23 新能源汽车动力电池系统检测与维修四、燃料电池的结构原理与应用1、燃料电池的工作原理燃料电池基本原理相当于电解反应的可逆反应燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，离子能通过两电极间的电解质在电极间迁移，在阴极、阳极间形成电压。24 新
18、能源汽车动力电池系统检测与维修燃料电池的工作原理25 新能源汽车动力电池系统检测与维修四、燃料电池的结构原理与应用1、燃料电池的工作原理以氢-氧型燃料电池为例，其基本原理是氢氧反应产生的吉布斯自由能直接转化为电能。其化学反应原理为：1)氢气通入阳极，在催化剂作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电子2)在电池另一端，氧气或空气到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路到达阴极。3)在阴极催化剂的作用下，氧气和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为4)总的化学反应为eHH222OHeHO222221OHOH2222126 新能源汽车动力电池系统检测与维修四、燃料电池的结构
19、原理与应用2、燃料电池的分类不同不同类型类型的燃的燃料电料电池特池特性对性对比比27 新能源汽车动力电池系统检测与维修四、燃料电池的结构原理与应用3、质子交换膜燃料电池系统电池组（燃料电池堆）气源（储氢和供氢系统）温度调节单元（排热）电压调整和功率变换单元系统控制单元28 新能源汽车动力电池系统检测与维修四、燃料电池的结构原理与应用4、燃料电池的应用与发展趋势美国通用汽车，2003年的氢动三号，0100km/h加速时间为16秒，最高时速为160km/h，输出功率达到94kW，基于欧宝赛飞利底盘平台。美国通用汽车：雪佛兰Equinox氢燃料电池汽车我国福田欧V燃料电池城市客车29 新能源汽车动力
20、电池系统检测与维修学习小结学习检测学习小结教学目标 主要内容锌空气电池具有容量大、能量密度高、价格低廉、储存寿命好、锌可回收和反复利用、绿色环保等优点，但因其空气电极在工作时暴露于空气中，推广应用时仍存在很多问题，目前主要在试验车上测试。飞轮电池具有能量密度高、能量转换效率高、工作温度范围宽、使用寿命长、低损耗、低维护等优点，典型的应用是作为混合动力车的能量回收装置，作为车辆主要动力来源的应用还不多。超级电容器的具有比功率高、充放电速度快、循环寿命长、使用温度范围宽、无污染等优点，在等间距定点停车的公交车、场地车领域有很好的发展前景，在其他类型车辆上可作为辅助电源满足车辆急加速、爬陡坡时的功率需求和制动减速时的快速回收能量等。燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池由于兼具无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量等特点，被公认为替代传统内燃机的最理想动力装置，是真正零排放的车用能源。30 新能源汽车动力电池系统检测与维修学习检测学习小结 学习检测教学目标 主要内容【思考题】1.车用锌空气电池的优缺点有哪些？2.车用飞轮电池的优缺点有哪些？3.车用超级电容器有哪些优缺点？4.车用燃料电池有哪些优缺点？5.哪些动力电池可能成为未来电动汽车的主要动力电源？31 新能源汽车动力电池系统检测与维修
