動力電池系統(tǒng)

1、第4章 動力電池系統(tǒng) 4.1 動力電池簡介 4.2 鋰離子動力電池 4.3 其他電池 4.4 動力電池管理系統(tǒng) 4.5 動力電池組的使用壽命 4.6 動力電池的梯次利用與回收 4.1 動力電池簡介 電池：化學(xué)能直流電能，直流電能化學(xué)能 電池的組成部分 正極活性物質(zhì) 電解質(zhì) 負(fù)極活性物質(zhì) 隔膜 外殼及導(dǎo)電柵 匯流柱 極柱 安全閥 4.1.1 動力電池的基本結(jié)構(gòu) 鉛蓄電池的結(jié)構(gòu) 圖6-6單體鉛蓄電池的結(jié)構(gòu) 1單格電池2蓋3負(fù)極接線柱4電解液加入口5外殼6電極連接板 7負(fù)極板8隔板9正極板10沉淀物存儲槽11外隔板12極板連接板 13單格電池正極接線柱14單格電池負(fù)極接線柱15活性物質(zhì) 幾種蓄電池的

2、種類及外形。 圖2-11 蓄電池的類型 1、端電壓和電動勢 （1）端電壓：動力電池正極和負(fù)極之間的電位差。 （2）開路電壓：沒有負(fù)載情況下的端電壓。 （3）負(fù)載電壓：接上負(fù)載后處于放電狀態(tài)下的電壓。 又稱工作電壓。 （4）終止電壓：電池充放電結(jié)束時的電壓，分為充電 終止電壓和放電終止電壓。 （5）電動勢（E）：組成電池的兩個電極的平衡電極 電位之差。 4.1.2 動力電池的基本參數(shù) 2、容量：電池在一定的放電條件下所能放出的電量，用 C表示，單位A.h或mA.h （1）理論容量：計(jì)算得出，是電池容量的最大極 限值。 （2）額定容量：也叫標(biāo)稱容量，是驗(yàn)收電池質(zhì)量 的重要技術(shù)指標(biāo)。 （3）實(shí)際容量

3、：在實(shí)際工作中，放出的電量。 3、內(nèi)阻 （1）放電時，端電壓低于電動勢和開路電壓；充電 時，端電壓高于電動勢和開路電壓。 （2）內(nèi)阻越小越好。 （3）電池內(nèi)阻不是常數(shù)。包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。 4、能量與能量密度 （1）能量：電池在一定放電制度下所能釋放出的電能。 單位W.h或kW.h。 （2）理論能量（W0）：電池的理論容量與其電動勢的 乘積。 （3）實(shí)際能量（W）：電池放電時實(shí)際輸出的能量。 （4）能量密度：單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的 能量，也稱為比能量，分為質(zhì)量比能量和體積比能量。 5、功率與功率密度 （1）功率：電池在一定放電制度下，單位時間內(nèi)輸出 的能量。單位W或kW。 （2）

4、功率密度：單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率， 也稱為比功率，單位W/kg或W/L。 u電動汽車，質(zhì)量比能量影響電動汽車的整車質(zhì)量和 續(xù)駛里程，體積比能量影響電池的布置空間。 u比功率是評價電池及電池包是否滿足電動汽車加速 和爬坡能力的重要指標(biāo)。 6、荷電狀態(tài)：SOC （1）描述電池的剩余電量。 （2）值為：剩余電量與相同條件下額定容量的比值。 （3）是相對量，一般用百分比的方式表示，SOC取值 為：0SOC 100% 。 7、放電深度：DOD，是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)。 8、循環(huán)使用壽命 （1）電池充電和放電一次為一個循環(huán)。 （2）按一定測試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定值， （一般規(guī)定

5、為額定值的80%）以前，電池經(jīng)歷的充放電 循環(huán)總次數(shù)。 （3）是評價電池壽命性能的重要指標(biāo)。 9、自放電率 （1）在沒有負(fù)荷的條件下自身放電。 （2）用單位時間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)表 示。 （1）常用容量效率和能量效率表示。 （2）通常，能量效率為55%-85%，容量效率為65%- 95% 。 （3）對電動汽車，能量效率比容量效率更重要。 10、輸出效率 （1）一般以電池單位容量或能量的成本表示。 （2）單位為：元/(A.h)或元/(kW.h)。 12、成本 11、抗濫用能力：對非正常使用情況的容忍程度。 13、放電制度：電池放電時所規(guī)定各項(xiàng)條件。 （1）放電電流：放電時電流的大小

6、，通常用放電率表 示，即放電時的速率，有時率和倍率兩種。 u時率：以放電時間（h）表示的放電速率，即以一定 的放電電流放完額定容量所需的時間（h），常用C/n表 示。 u倍率：在規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量所輸出的電流值。 數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。如：3C放電。 （2）放電終止電壓：放電時，電壓下降到不宜再繼續(xù) 放電的最低工作電壓。 1、按電解液種類分 （1）堿性電池：電解質(zhì)主要為KOH水溶液。 （2）酸性電池：電解質(zhì)主要為H2SO4水溶液。 （3）中性電池：電解質(zhì)主要為鹽溶液。 （4）有機(jī)電解液電池：以有機(jī)溶液為介質(zhì)。 4.1.3 動力電池的分類 2、按工作性質(zhì)和儲存方式分 （1）一次電池：即

7、原電池，不能再充電使用的電池， 如：鋅-錳干電池、鋅-汞電池、鋰電池。 （2）二次電池：可充電電池，如：鉛酸電池、鎘-鎳電 池、氫-鎳電池、鋰離子電池。 （3）燃料電池：又稱“連續(xù)電池”，即將活性物質(zhì)連 續(xù)注入電池，使其連續(xù)放電的電池。如：氫-氧燃料電 池。 （4）儲備電池：又稱“激活電池”，使用前臨時注入 電解液或用其它方法使電池激活。如：鎂-氯化銀電池。 3、按電池所用正、負(fù)材料分 （1）鋅系列電池 （2）鎳系列電池 （3）鉛系列電池 （4）鋰系列電池 （5）二氧化錳系列電池 （6）空氣（氧氣）系列電池 4.2 鋰離子動力電池 1、分類 4.2.1 概述 （1）根據(jù)正極材料不同：鈷酸鋰鋰離

8、子電池、錳酸鋰鋰 離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池和三原材料鋰離子電 池。 （2）根據(jù)所用電解質(zhì)材料不同：液態(tài)鋰離子電池（LIB） 和聚合物鋰離子電池（LIP）。 2、優(yōu)點(diǎn)： （1）工作電壓高 （2）比能量高 （3）循環(huán)壽命長 （4）自放電小 （5）無記憶效應(yīng) （6）環(huán)保性高 鋰離子電池鋰離子電池 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 無環(huán)境污染，綠色電池?zé)o環(huán)境污染，綠色電池 輸出電壓高輸出電壓高 能量密度高能量密度高 安全，循環(huán)性好安全，循環(huán)性好 自放電率小自放電率小 快速充放電快速充放電 充電效率高充電效率高 鋰離子電池工作原理 4.2.2 工作原理 鋰離子濃差電池 鋰離子電池工作原理 鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池工

9、作原理圖 鋰一次電池鋰一次電池 (又稱鋰原電又稱鋰原電 池池, Primary LB) 鋰電池鋰電池 (Lithium Battery, 簡寫成簡寫成LB) 鋰二次電池鋰二次電池 (又稱鋰可充又稱鋰可充 電電池，電電池， Rechargeable LB) 備注：鋰電池與鋰離子電池 鋰一次電池發(fā)展史 當(dāng)前當(dāng)前 70年代年代 60年代的能源危機(jī)年代的能源危機(jī) 20世紀(jì)世紀(jì)50年代年代 多種材料應(yīng)用于鋰一次電池多種材料應(yīng)用于鋰一次電池 鋰一次電池商品化 鋰一次電池大發(fā)展 開始鋰一次電池的研究 手表、計(jì)算器、植入式醫(yī)療設(shè)備手表、計(jì)算器、植入式醫(yī)療設(shè)備 Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、

10、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等等 在商業(yè)化鋰一次電池的同時，人們發(fā)現(xiàn)許多層狀無 機(jī)硫族化合物可以同堿金屬發(fā)生可逆反應(yīng)，這樣的化合物統(tǒng)稱為 嵌入化合物。在嵌入化合物基礎(chǔ)上，鋰二次電池誕生了，其中最 具有代表性的是1970年?？松镜腗.S.Whittingham利用 Li-TiS體系，制成首個鋰電池。但由于其枝晶所產(chǎn)生嚴(yán)重的安全 隱患而未能成功實(shí)現(xiàn)商品化。 循環(huán)循環(huán)100100次形成的鋰枝晶圖次形成的鋰枝晶圖 鋰二次電池的產(chǎn)生鋰二次電池的產(chǎn)生 u1941年出生，于牛津大學(xué)BA (1964), MA (1967), 和 DrPhil(1968)學(xué)位，目前就職于賓漢姆頓大學(xué)。Dr. Whit

11、tingham是發(fā)明嵌入式鋰離子電池重要人物，在與 Exxon公司合作制成首個鋰電池之后，他又發(fā)現(xiàn)水熱合 成法能夠用于電極材料的制備，這種方法目前被擁有磷 酸鐵鋰專利的獨(dú)家使用權(quán)的Phostech公司所使用。 u由于他所作出的卓越貢獻(xiàn)，他于1971年被電化學(xué)會授 予青年作家獎，于2004年被授予電池研究獎，并且被推 舉為會員。 Manley Stanley Whittingham 鋰與過渡金屬的鋰與過渡金屬的 復(fù)合氧化物復(fù)合氧化物 鋰離子電池的產(chǎn)生 鋰離子電池鋰離子電池 比能量比能量 層狀結(jié)構(gòu)的石墨層狀結(jié)構(gòu)的石墨 120-150Wh/kg 是普通鎳鎘電池是普通鎳鎘電池 的的2-3倍倍 高達(dá)高達(dá)

12、3.6V 正極正極 20世紀(jì)世紀(jì)80年代末，日本年代末，日本Sony公司公司 提出者 鋰離子電池區(qū)別于鋰電池 【早期的鋰電池】 鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而 來。所以在介紹之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以 前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正 極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝 完成后電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電, 但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰結(jié) 晶，造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁 止充電的。 【鋰離子電池：炭材料鋰電池】 后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含 鋰的化合物作正極的鋰電池，

13、在充放電過程中，沒有金 屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對電池 進(jìn)行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離 子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)， 它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔 中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電 池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳 層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極?；卣龢O的鋰離子越 多，放電容量越高。 目前所說的鋰離子電池通常為鋰二次電池。 “搖椅式電池” 20世紀(jì)80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌鋰化合物代替二 次鋰電池中金屬鋰負(fù)極的構(gòu)想。在新的系統(tǒng)中，正極和負(fù)極材料均 采用鋰離子嵌入/脫嵌

14、材料。 當(dāng)對電池進(jìn)行充電時，正極的含鋰化合物有鋰離子脫出，鋰離 子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極。負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微 孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多， 充電容量越高。當(dāng)對電池進(jìn)行放電時（即我們使用電池的過程）， 嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動回正極?；卣龢O的鋰離子越 多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。 在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正 極負(fù)極正極的運(yùn)動狀態(tài)。這就像一把搖椅，搖椅 的兩端為電池的兩極，而鋰離子就在搖椅兩端來回運(yùn) 動。人們把這種電化學(xué)儲能體系形象地稱為“搖椅式 電池” （Rocking-chair Cell）。

15、Armand教授是鋰離子電池的奠基人之一， 是國際學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界公認(rèn)的、在電池領(lǐng)域具 有原始創(chuàng)新成果的電池專家。Armand教授主 要原創(chuàng)性學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)有： 1.1977年，首次發(fā)現(xiàn)并提出石墨嵌鋰化合物 作為二次電池的電極材料。在此基礎(chǔ)上，于 1980年首次提出“搖椅式電池” （RockingChair Batteries）概念，成功 解決了鋰負(fù)極材料的安全性問題。 2.1978年，首次提出了高分子固體電解質(zhì)應(yīng) 用于鋰電池。 3.1996年，提出離子液體電解質(zhì)材料應(yīng)用于 染料敏化太陽能電池。 4.提出了碳包覆解決磷酸鐵鋰（LiFePO4） 正極材料的導(dǎo)電性問題，為動力電池及電動 汽車的產(chǎn)業(yè)化奠定了基

16、礎(chǔ)。 M. Armand 鋰離子電池的商品化 u1990年日本年日本SONY公司正式推出公司正式推出LiCoO2/石墨這種鋰離石墨這種鋰離 子電池，子電池，該電池成功的利用能可逆脫嵌鋰的碳材料替代該電池成功的利用能可逆脫嵌鋰的碳材料替代 金屬鋰作為負(fù)極，克服了鋰二次電池循環(huán)壽命低、安全金屬鋰作為負(fù)極，克服了鋰二次電池循環(huán)壽命低、安全 性差的缺點(diǎn)，性差的缺點(diǎn)，鋰離子電池得以商品化鋰離子電池得以商品化。標(biāo)志著電池工業(yè)。標(biāo)志著電池工業(yè) 的一次革命。的一次革命。 鋰離子電池特點(diǎn) 與鎳鎘（Ni/Cd）、鎳氫（Ni/MH）電池相比，鋰離子電池的主要特點(diǎn)如 下： 鎳鎘電池鎳氫電池鉛酸電池鋰離子 電池 聚合物

17、鋰 離子電池 重量能量密度 （Wh/kg） 45-8060-12030-50110-160100-130 循環(huán)壽命 （至初始容量80%） 1500300-500200-300500-2000300-500 單體額定電壓(V)1.251.2523.63.6 過充承受能力中等低高非常低低 月自放電率 （室溫） 20%30%5%10%10% 4.2.3 失效機(jī)理 理想：除了鋰離子在正負(fù)極之間嵌入和脫出外，不 發(fā)生其他副反應(yīng)，不出現(xiàn)鋰離子的不可逆消耗。 實(shí)際：每時每刻都有副反應(yīng)存在，也有活性物質(zhì)的 不可逆消耗，如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬 鋰沉積鋰沉積等，只是程度不同

18、。 造成鋰離子電池容量衰退的主要原因： （1）正極材料的溶解 （2）正極材料的相變化 （3）電解液的分解 （4）過充電造成的容量損失 （5）自放電 （6）SEI界面膜的形成 （7）集流體的腐蝕 4.2.4 電性能 （1）兩段式充電：第一階段，恒流限壓；第二階段， 恒壓限流。 （2）從電動汽車實(shí)際應(yīng)用的角度看，恒流時間越長， 充電時間越短，更有利于應(yīng)用。 （3）要防止電池過放電，避免對電池造成不可逆損 害。 1、充放電特性 u充電電流對充電特性的影響 u放電深度對充電特性的影響 u充電溫度對充電特性的影響 u放電特性影響因素 u濫用情況：熱沖擊、過充電、過放電、短路等。 u危害：電池內(nèi)部壓力升高

19、，可導(dǎo)致電池著火，甚 至爆炸。 2、安全性 主要原因：主要原因： （1 1）材料穩(wěn)定性：材料穩(wěn)定性：正負(fù)電極、有機(jī)電解液相互作用正負(fù)電極、有機(jī)電解液相互作用 的熱穩(wěn)定性是制約鋰離子電池安全性的首要因素。的熱穩(wěn)定性是制約鋰離子電池安全性的首要因素。 （2 2）制造工藝：制造工藝：分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池 消費(fèi)類電子 4.2.5 典型應(yīng)用 消費(fèi)類電子 消費(fèi)類電子 消費(fèi)類電子 交通運(yùn)輸業(yè) 交通運(yùn)輸業(yè) 工業(yè)工具類電子 新型電子產(chǎn)品 儀器儀表產(chǎn)品 儀器儀表產(chǎn)品 儀器儀表產(chǎn)品 醫(yī)用設(shè)備儀器產(chǎn)品 行政辦公產(chǎn)品 DC 600 V客車電池系統(tǒng)采用鋰離子電池，由獨(dú) 立的25.6 V/4

20、0Ah鋰離子電池模塊串并聯(lián)組成 110 V/120Ah電池組。同容量鋰離子電池的質(zhì) 量、體積只有鎘鎳電池的1/3左右；低溫不同倍 率放電性能，鋰離子電池大大優(yōu)于鎘鎳電池；鋰 離子電池充電不需要溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)得到社會的 關(guān)注和研究！ (1)電池串聯(lián)方式：通常用于滿足高電壓的工作需要。 (2)電池并聯(lián)方式：通常用于滿足大電流的工作需要。 (3)串并結(jié)合：就是要求滿足電池組既提供高電壓又要 有大電流放電的工作條件。 EV車的應(yīng)用 呼喚采用“綠色”電池為動力的EV車。為此,世界 各先進(jìn)國家如美國、日本、德國、法國等積極開展 了EV車的研究試制工作。美國早在90年代初就成 立了“先進(jìn)電池聯(lián)合會(US-A

21、BC)”負(fù)責(zé)為EV車 提供電池。 為扶持EV車用電池(主要是鋰離子電池)的研制,先 后投資2.6億美元,其中向美國SAFT公司投資1180 萬美元,用以開發(fā)鋰離子電池,向加拿大魁北克公司 投入8500萬美元,用以開發(fā)鋰離子電池和鋰聚合物 電池;另外,還向美國Duracell及其合作伙伴德國 Varta公司投入了1450萬美元,開發(fā)以LiMn2O4為 正極的鋰離子動力電池。日本政府 投資了1億美元, 并制定了一項(xiàng)叫做LIBES的計(jì)劃, 開發(fā)用于EV車。 德固賽正致力于開發(fā)新材料以應(yīng)用于鋰離子電池 生產(chǎn)，從而使起動電池僅重2.5千克。目前，這一新 型電池已在標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛的賽車場上亮相，應(yīng)用于英國蓮 花

22、汽車公司的新一代蓮花賽車上。 北大先行科技產(chǎn)業(yè)采用磷酸鐵鋰正極材料的動力電池首次應(yīng)用于 奧運(yùn)大巴。 奔馳及寶馬09年推出鋰電池混合動力車！ 梅塞德斯-奔馳汽車公司與寶馬汽車公司在日內(nèi)瓦國 際車展上展出了S400 BlueHubrid混合動力車型， 并宣布在2009年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。 豐田汽車日前開始批量生產(chǎn)車載鋰離子充電電池，用于2003年2 月份上市的小型車“Vitz”的型號 4.3 其他電池 4.3.1 鉛酸電池 1、在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，新型綠色電池。 4.3.2 鎳氫電池 2、組成 （1）正極：氫氧化物 （2）負(fù)極：儲氫合金 （3）電解質(zhì)：KOH水溶液 （4）隔膜：尼龍纖維、聚丙 烯

23、纖維、維綸纖維。 正極片、 負(fù)極片、 隔膜紙、 蓋帽、 外殼、 絕緣層。 3、鎳氫電池的原理 鎳氫電池采用Ni氫氧化物作為正極，儲氫金屬作為負(fù) 極，堿液（主要為KOH）作為電解液。 鎳氫電池充電時： 正極反應(yīng)：Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2Oe- 負(fù)極反應(yīng)：M+H2O +e- MH+ OH- 鎳氫電池放電時： 正極反應(yīng)：NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH- 負(fù)極反應(yīng)：MH+ OH- M+H2O +e- 途銳混合鎳氫電池透視圖 鎳氫電池的安裝位置 鎳氫電池組的主要組成部分 寶馬X6混合動力新技術(shù)剖析 鎳氫蓄電池 鎳氫蓄電池結(jié)構(gòu)如圖2 所示。鎳氫蓄電池是全

24、混合動力驅(qū)動裝置最重要的組件之一，因?yàn)樗鼪Q定了功率和可達(dá)里程。由于這種類型的蓄電池存儲容量較大且比較成熟，因此目前所有全混合動力車型均采用這種蓄電池。寶馬ActiveHybrid X6 采用的288V 蓄電池重83kg，容量為2.4kWh。高電壓蓄電池通過冷卻液散熱，必要時還通過空調(diào)系統(tǒng)冷卻。因此高電壓蓄電池的冷卻效率比雷克薩斯RX450h 等車輛采用的傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)高得多。因此，寶馬ActiveHybrid X6的蓄電池可以更加高強(qiáng)度地使用并實(shí)現(xiàn)更長久的功率輸出，特別是在極端車外溫度情況下。 4、優(yōu)點(diǎn)：功率密度高、耐久性好 5、缺點(diǎn)（與鉛酸型比） （1）價格較高 （2）自放電損耗大 （3）對環(huán)

25、境溫度敏感 （4）有記憶效應(yīng) （5）充電發(fā)熱 6、應(yīng)用：豐田普銳斯 1、介于電解質(zhì)電容器和電化學(xué)蓄電池之間的儲能裝置， 儲能方式與傳統(tǒng)電容器不同。 4.3.3 超級電容器 1)固體介質(zhì)，包括紙、塑料薄膜、云母、陶瓷和或固態(tài) 聚合物等。 2)液體電解質(zhì)，為水解有機(jī)溶液。 3)絕緣層，即在兩個絕緣平板上的氧化層。 2、電容器的結(jié)構(gòu) 3、超級電容的基本原理 又叫雙電層電容、黃金電雙電層電容、黃金電 容、法拉電容容、法拉電容，即通過外 加電場極化電解質(zhì)，使電 解質(zhì)中荷電離子分別在帶 有相反電荷的電極表面形 成雙電層，從而實(shí)現(xiàn)儲能。 雙電層電容原理雙電層電容原理 雙電層電容原理是指由于正負(fù)離子在固體電極

26、與電解 液之間的表面上分別吸附, ,造成兩固體電極之間的電 勢差, ,從而實(shí)現(xiàn)能量的存儲。 這種儲能原理允許大電流快速充放電, ,其容量大小隨 所選電極材料的有效比表面積的增大而增大。 充電時 , ,在固體電極上電荷引力的作用下 , ,電解液 中陰陽離子分別聚集兩個固體電極的表面; ; 放電時 , ,陰陽離子離開固體電極的表面 , ,返回電解 液本體。雙電層的厚度取決于電解液的濃度和離子 大小。 雙電層原理示意圖 儲能過程是物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)，且過程完 全可逆，這與蓄電池電化學(xué)儲能過程不同。 具有電容器可以快速充放電的特點(diǎn)，又具有電池 的儲能特性。 性能特點(diǎn)-介于電池與物理電容器之間 電容

27、量大，采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化 電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的 計(jì)算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越 大。因此，一般雙電層電容器容量很容易超過1F， 它的出現(xiàn)使普通電容器的容量范圍驟然躍升了3-4 個數(shù)量級，目前單體超級電容器的最大電容量可達(dá) 5000F。 充放電壽命很長，可達(dá)500 000次，或90 000小 時，而蓄電池的充放電壽命很難超過1 000次， 4、超級電容的特點(diǎn) 可以提供很高的放電電流（如2700F的超級電容器 額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá) 1680A，一般蓄電池通常不能有如此高的放電電流 一些高放電電流的蓄電池在如此高的放電電流

28、下的 使用壽命將大大縮短。 可以數(shù)十秒到數(shù)分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池在如此 短的時間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)的或幾乎不可能。 可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作（-40-+70） 而蓄電池很難在高溫特別是低溫環(huán)境下工作。 超級電容器用的材料是安全的和無毒的，而鉛酸蓄 電池、鎳鎘蓄電池多具有毒性。 等效串聯(lián)電阻ESR相對常規(guī)電容器大（10F/2.5V 的ESR為110m）。 可以任意并聯(lián)使用一增加電容量，如采取均壓后， 還可以串聯(lián)使用。 5、超級電容的性能指標(biāo) 額定容量：以規(guī)定的恒定電流（如1000F以上的超 級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為 3A）充電到額定電壓后保持2-3分鐘，在規(guī)定的

29、恒 定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與 電流的乘積再除以額定電壓值 。 額定電壓：可使用的最高安全端電壓（如2.3V、 2.5V、2.7V） 額定電流：5秒內(nèi)放電到額定電壓一半的電流。 等效串聯(lián)電阻：以規(guī)定的恒定電流和頻率（DC和大 容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。 漏電流：一般為10A/F 壽命：在25環(huán)境溫度下的壽命通常在90 000小時， 在60的環(huán)境溫度下為4 000小時，與鋁電解電容器 的溫度壽命關(guān)系相似。壽命隨環(huán)境溫度縮短的原因是 電解液的蒸發(fā)損失隨溫度上升。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為： 電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5 倍。 循環(huán)壽命：20

30、秒充電到額定電壓，恒壓充電10秒， 10秒放電到額定電壓的一半，間歇時間：10秒為一 個循環(huán)。一般可達(dá)500000次。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為： 電容量低于額定容量20%，ESR增大到額定值的1.5 倍 功率密度（kW/kg）和能量密度（wh/kg） 6、超級電容與傳統(tǒng)電容的比較 電容是以將電荷分隔開來的方式儲存能量的， 儲存電荷的面積越大，電荷被隔離的距離越小， 電容越大。電容值為： C = A / 3.6 d 其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度，為相 對介電常數(shù) 傳統(tǒng)電容是從平板狀導(dǎo)電材料得到其儲存電荷面積 的，只有將一很長材料纏繞起來才能獲得大的面積， 從而獲得大的電容。另外傳統(tǒng)電容是用塑料薄膜、

31、紙張或陶瓷等將電荷板隔開。這類絕緣材料的厚度 不可能做得非常簿。 超級電容是從多孔碳基電極材料得到其儲存電荷面 積的，這種材料的多孔結(jié)構(gòu)使它每克重量的表面積 可達(dá)2000平方米。而超級電容中電荷分隔的距離是 由電解質(zhì)中的離子大小決定的，其值小于10埃。 由于活性碳材料具有1200m 2 /g的超高比表面積 （即獲得了極大的電極面積A），而且電解液與多 孔電極間的界面距離不到1nm（即獲得了極小的介 質(zhì)厚度d），這種雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容 的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，從 而使利用電容器進(jìn)行大電量的儲能成為可能。一個 超級電容單元的電容值，實(shí)現(xiàn)電容量 0.5-5000F， 工

32、們電壓 12-400v ，最大放電電流 400-2000A 。 超級電容能量密度較傳統(tǒng)電容高，但功率密度較之 低。 7、超級電容與電池的比較 超低串聯(lián)等效電阻，功率密度是鋰離子電池的數(shù)十 倍以上，適合大電流放電，（一枚4.7F電容能釋放 瞬間電流18A以上）。 超長壽命，充放電大于50萬次，是Li-Ion電池的 500倍，是Ni-MH和Ni-Cd電池的1000倍，如果對超 級電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年。 可以大電流充電，充放電時間短，對充電電路要求 簡單，無記憶效應(yīng)，免維護(hù)，可密封。 溫度范圍寬-40+70，一般電池是-20 60 。 4.3.4 燃料電池 1、燃料電池：是一種能

33、夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰 極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝 置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時需要 連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供 應(yīng)，燃料電池就會不斷提供電能。 2 2、燃料電池原理 燃料電池由陽極、陰 極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu) 成，其工作原理與普通電 化學(xué)電池類似，燃料在陽 極氧化，氧化劑在陰極還 原，電子從陽極通過負(fù)載 流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn) 生電流。 燃料氧化劑 陽極 陰極 電 解 質(zhì) 導(dǎo)電離子 燃料：氫氣 氧化劑：氧氣 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理 單體PEMFC的基本結(jié)構(gòu) PEMFC電池組( 堆)結(jié)構(gòu) 3 3、燃料電池優(yōu)點(diǎn) 1）由于輸出功率單位

34、由堆的輸出功率定，故機(jī)組容 量具有自由度；部分負(fù)荷時也能保持高的效率； 2）通過與燃料供給裝置的組合，可適用范圍的燃料； 3） 沒有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大尺寸 相仿的效率； 4)4)轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60% 60% ； 5)5)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，噪音?。?6)NOx6)NOx及SOxSOx等的排出量少，有利環(huán)保, ,若以氫為燃料， 排放是水，電池部分可實(shí)現(xiàn)“零排放”。 4 4、燃料電池分類 （1）根據(jù)工作溫度分：低溫型、中溫型和高溫型低溫型、中溫型和高溫型。 （2）根據(jù)電解質(zhì)的種類分： u堿性燃料電池堿性燃料電池(AFC)(AFC) u磷酸燃料電池磷酸燃料電池(PAFC)(PAFC) u

35、熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(MCFC) u固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(SOFC) (SOFC) u聚合物離子膜燃料電池聚合物離子膜燃料電池(PEMFC)(PEMFC)。 （3）按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分： 酸性燃料電池和堿性燃料電池酸性燃料電池和堿性燃料電池 （4）按燃料類型分： u氫燃料電池氫燃料電池 u甲烷燃料電池甲烷燃料電池 u甲醇燃料電池甲醇燃料電池 u乙醇燃料電池乙醇燃料電池 通用Hy-wire 氫動三號 由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電 池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池 組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機(jī)后，通 過功率為6

36、0千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動車輛行駛， 并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá) 400公里和270公里。 同濟(jì)大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動機(jī)。能在14秒內(nèi)加 速到80公里，最高時速達(dá)110公里，可連續(xù)行駛210公里。 行李箱內(nèi)，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿 管道進(jìn)入反應(yīng)器，和空氣中的氧氣結(jié)合釋放能量，提供汽 車前進(jìn)的動力。為防止氫氣從瓶中逃逸，氫氣瓶采用了鋁 板碳纖維的特殊材料，里面層層設(shè)防。為安全起見，在后 廂內(nèi)還安裝了監(jiān)測器，一旦氫氣濃度升高，它會及時報(bào)警。 經(jīng)測試該車在污染排放、CO2排放、噪聲、蛇行和燃料經(jīng) 濟(jì)性方面達(dá)到A級水平。 超越二號 燃料電池汽車尚需解決的

37、問題 1、整車的開發(fā)設(shè)計(jì)； 2、車用燃料氫，其制備、儲存和分配等環(huán)節(jié)都存在問題； 3、電池系統(tǒng)性能有待提高，有小型化和輕型化要求； 4、成本高，現(xiàn)有50KW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)的成本為300美分 /KW，是內(nèi)燃機(jī)的10倍。 4.4 動力電池管理系統(tǒng) 1、電池管理系統(tǒng)（BMS）：對蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控 及有效管理、提高蓄電池使用效率。 2、是電動汽車必不可少的核心部件之一。 4.4.1 基本構(gòu)成 如圖4-12所示為主從式電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它采 用一個主控單元（BCU）、多個從控單元（HMU、BMU） 的結(jié)構(gòu)形式。 圖4-13電池管理系統(tǒng)的電氣連接 電池管理系統(tǒng)也能通過CAN總線與組合儀

38、表及充電機(jī) 等進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、充電監(jiān)控等功能。 圖4-14電池管理系統(tǒng)功能示意圖 4.4.24.4.2主要功能主要功能 （1）數(shù)據(jù)采集 n電池管理系統(tǒng)的所有算法均以采集的動力電池?cái)?shù)據(jù) 作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電 池系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。 n電動汽車電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于 20Hz（50ms）。 （2）電池狀態(tài)計(jì)算 u主要包括SOC和電池組健康狀態(tài)（和電池組健康狀態(tài)（SOH）兩方面。 uSOC：提示動力電池組剩余電量，是計(jì)算和估計(jì)電動 汽車?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)。 uSOH：提示電池技術(shù)狀態(tài)、預(yù)計(jì)可用壽命等健康狀態(tài) 的參數(shù)。 u在電動汽車中，準(zhǔn)確估算蓄電池SOC主要

39、有保護(hù)蓄電 池、提高整車性能、降低對動力電池的要求以及提高 經(jīng)濟(jì)性等作用。 （3）能量管理 能量管理主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和 SOH為輸入進(jìn)行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度 等參數(shù)為條件進(jìn)行放電功率控制兩個部分。 （4）安全管理 u安全管理主要用于監(jiān)視電池電壓、電流、溫度等是 否超過正常范圍，防止電池組過充、過放。 u安全管理系統(tǒng)功能：煙霧報(bào)警；絕緣檢測；自動滅 火；過電壓和過電流控制；過放電控制；防止溫度過 高；在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。 （5）熱管理 主要用于電池工作溫度超高時對電池進(jìn)行冷卻，低 于適宜工作溫度下限時對電池進(jìn)行加熱，使電池處于 適宜的工作溫度范圍內(nèi)，并在

40、電池工作過程中保持電 池單體間溫度均衡。 熱管理功能：電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；電池組 溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加 熱；有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場 的均勻分布。 （6）均衡控制 由于電池的一致性差異導(dǎo)致電池組的工作狀態(tài)由最差 電池單體決定。 在電池組各個電池之間設(shè)置均衡電路，實(shí)施均衡控制 是為了使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高 整體電池組的工作性能。 （7）通信功能 l 通過電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)和信息與車載設(shè)備 或非車載設(shè)備的通信，為充放電控制、整車控制提供 數(shù)據(jù)依據(jù)是電池管理系統(tǒng)的重要功能之一，根據(jù)應(yīng)用 需要，數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口，

41、l如：模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接 口。 （8）人機(jī)接口 圖4-15某電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控信息顯示界面 圖4-16電池管理系統(tǒng)的實(shí)際安裝位置 4.5.1動力電池單體壽命的影響因素 充電截止電壓。提高充電截止電壓，甚至超過電池 電化學(xué)電位后進(jìn)行充電一般會加劇副反應(yīng)的發(fā)生，并 導(dǎo)致電池使用壽命縮短，并可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路損 壞，甚至著火爆炸等危險(xiǎn)工況的出現(xiàn)。 放電深度。深度放電會加速動力電池的衰退。 4.5動力電池組的使用壽命動力電池組的使用壽命 單體電池通過串、并聯(lián)的方式組成電池組單體電池通過串、并聯(lián)的方式組成電池組 充放電倍率 u動力電池單體的充放電倍率是其在使用工況下最直 接

42、的特征參數(shù)，其大小直接影響著動力電池單體的衰 退速度。 u充放電倍率越高，動力電池單體的容量衰退越快。 u動力電池單體大倍率的充放電都會加快其容量的退 化速度。 u如果充放電倍率過大，動力電池單體還可能會出現(xiàn) 直接損壞，甚至過熱、短路起火等極端現(xiàn)象。 環(huán)境溫度 u不同的動力電池均有最佳的工作溫度范圍，過高或 過低的溫度都將對電池的使用壽命產(chǎn)生影響。 u在高溫下運(yùn)行應(yīng)用的動力電池容量衰減明顯大于常 溫下工作的電池。 存儲條件 u存儲過程中，由于電池的自放電、正負(fù)極材料鈍化、 電解液分解蒸發(fā)、電化學(xué)副反應(yīng)等因素，將導(dǎo)致電池 產(chǎn)生不可逆的容量損失。 u以鋰離子電池為例，在鋰離子電池存儲期間，石墨 負(fù)

43、極的副反應(yīng)是引起鋰離子動力電池容量衰減的主要 原因。 圖4-17降低充電截止電壓對電 池容量衰退影響比較圖 圖4-18提高充電截止電壓對電 池容量衰退影響比較圖 表4-3放電深度與循環(huán)壽命的對應(yīng)關(guān)系 表4-3所示為某鋰離子動力電池在不同放電深度下的循 環(huán)壽命數(shù)據(jù)。從中可以發(fā)現(xiàn)，淺充淺放可以有效地提高動力 電池的使用壽命。 圖4-19不同充放電倍率下動力電池的容量衰退情況 圖4-20某10Ah鋰離子動力電池不同溫度條件下的容量衰減 4.5.2動力電池的一致性與電池組壽命 不一致性主要表現(xiàn)在兩方面： 在制造過程差異引起的單體原始差異：由于工藝上 的問題和材質(zhì)的不均勻 在裝車使用時的環(huán)境差異引起的單

44、體退化差異：由 于電池組中各個電池的溫度、通風(fēng)條件、自放電程度、 電解液密度等差別的影響。 (1)電池一致性的分類 電壓一致性：電壓不一致的主要影響因素在于并聯(lián) 組中電池的互充電，當(dāng)并聯(lián)組中一節(jié)電池電壓低時， 其他電池將給此電池充電。 容量一致性：初始容量不一致不是電動汽車電池成組 應(yīng)用的主要矛盾。在電池組實(shí)際使用過程中，容量不一致 主要是電池起始容量不一致和放電電流不一致綜合影響的 結(jié)果。 內(nèi)阻一致性：電池內(nèi)阻不一致使得電池組中每個單體 在放電過程中熱損失的能量各不相同，最終會影響電池單 體的能量狀態(tài)。 圖4-21并聯(lián)電壓不一致性 (2)電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)律 圖4-22電壓不一致性統(tǒng)計(jì)

45、結(jié)果 n隨使用時間和行駛里程的增加，電池的不一致程度逐漸 增加。 n最直觀的反映為運(yùn)行一段時間后，單體電池電壓不一致 程度增加。 n以某鋰離子電池組為例，說明電池組在使用過程中電壓 一致性的分布規(guī)律，如圖4-22所示。 提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質(zhì)量，尤其 是初始電壓的一致性。 在動力電池成組時，務(wù)必保證電池組采用同一類型、 同一規(guī)格、同一型號的電池。 在電池組使用過程中檢測單電池參數(shù)，尤其是動、 靜態(tài)情況下（電動汽車停駛或行駛過程中）的電壓分 布情況 對使用中發(fā)現(xiàn)的容量偏低的電池，進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)性 充電，使其性能恢復(fù)。 (3)提高電池一致性的措施 間隔一定時間對電池組進(jìn)行小電流維護(hù)性充電，促 進(jìn)電池組自身的均衡和性能恢復(fù)。 盡量避免電池過充電，盡量防止電池深度放電。 保證電池組良好的使用環(huán)境，盡量保證電池組溫度 場均勻，減小振動，避免水、塵土等污染電池極柱。 采用電池組均衡系統(tǒng)，對電池組充放電進(jìn)行智能管 理。 溫度差異：在電動車輛上電池的安裝位置根據(jù)布置 的需要可能在不同的位置，電池所處的熱環(huán)境存在差 異。或者在同一位置的電池內(nèi)