第二章新能源汽車的動力電池與能量存儲案例

1、第二章 新能源汽車的動力電池與能量存儲第一節(jié) 概述第二節(jié) 電化學蓄電池第三節(jié) 新能源汽車用其他儲能系統(tǒng)第四節(jié) 混合能量存儲系統(tǒng)第五節(jié) 蓄電池的測試2022-4-62022-4-6 第一節(jié) 概述 目前各種蓄電池還不能滿足新能源汽車對動力電池的實際需要。 其主要不足歸納如下:. . 能量密度低能量密度低. . 充電時間長充電時間長. . 價格高且使用壽命短價格高且使用壽命短. . 汽車附件的使用受到限制汽車附件的使用受到限制一、新能源汽車用動力電池分類一、新能源汽車用動力電池分類. 按動力電池電解質(zhì)分類按動力電池電解質(zhì)分類)酸性電池)堿性電池)中性電池)有機電解液電池 第一節(jié) 概述. 按動力電池所

2、用正、負極材料不同分類按動力電池所用正、負極材料不同分類)鋅系電池)鎳系電池)鉛系電池)鋰系電池)金屬空氣電池 表- 為各種常用車用蓄電池的性能比較。 第一節(jié) 概述二、新能源汽車用動力電池性能指標二、新能源汽車用動力電池性能指標. 電壓電壓()開路電壓:動力電池未向外電路輸出電流時的端電壓。()放電電壓:蓄電池向外輸出電流時的端電壓。()充電電壓:在充電電源對蓄電池進行充電時，蓄電池的端電壓。. 內(nèi)阻內(nèi)阻 動力電池的內(nèi)阻主要與極板的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及裝配工藝有關(guān)。. 容量容量()理論容量:是假設動力電池極板上的活性物質(zhì)全部參加電化學反應而輸出電流時，根據(jù)法拉第定律計算出的電量。( )實際容量:是指充

3、足電的蓄電池在一定條件下所能輸出的電量。() 小時放電率容量:充足電的蓄電池以某一恒定電流放電，放電 小時后將蓄電池放電至終止電壓，此時蓄電池所能輸出的電量稱為 小時放電容量，通常用 表示。()額定容量:是指充足電的動力電池在規(guī)定的條件下所能輸出的電量。 第一節(jié) 概述. 能量能量()標稱能量:是指在一定的放電條件下動力電池所能輸出的電能。()實際能量:是指在一定的放電條件下動力電池所能輸出的電能。()比能量:即質(zhì)量比能量，是指動力電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位為或()能量密度:即體積比能量，是指動力電池單位體積所能輸出的電能，單位為 或. 功率功率()比功率:即質(zhì)量比功率，是指動力電池單位質(zhì)

4、量所能輸出的功率，單位為 或. 壽命壽命 動力電池的壽命通常用使用時間或循環(huán)壽命來表示。 第一節(jié) 概述三、新能源汽車對動力電池的基本要求三、新能源汽車對動力電池的基本要求. 比能量高比能量高. 比功率大比功率大. 充放電效率高充放電效率高. 相對穩(wěn)定性好相對穩(wěn)定性好. 使用成本低使用成本低. 安全性好安全性好 第二節(jié)電化學蓄電池一、鉛酸蓄電池一、鉛酸蓄電池. 鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池的分類 鉛酸蓄電池分為免維護鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。. 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu) 鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖- 所示。 第二節(jié)電化學蓄電池. 鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池的工作原理 放電時，當蓄

5、電池的正負極板浸入電解液中時，正負極板間就會產(chǎn)生約. 靜止電動勢。 此時若接入負載，在電動勢的作用下，電流就會從蓄電池的正極經(jīng)外電路流向蓄電池的負極，這一過程稱為放電，將蓄電池儲存的化學能轉(zhuǎn)化為電能輸出。 正極化學反應式是負極化學反應式是 充電時蓄電池的正負極分別與直流電源的正負極相連，當充電電源的端電壓高于蓄電池的電動勢時，在電場的作用下，電流從蓄電池的正極流入、負極流出，這一過程稱為充電。蓄電池的充電過程是電能轉(zhuǎn)換為化學能的過程。 正極化學反應式是負極化學反應式是 第二節(jié)電化學蓄電池 鉛酸蓄電池使用時，把化學能轉(zhuǎn)換為電能的過程叫放電。 在使用后，借助于直流電在電池內(nèi)進行化學反應，把電能轉(zhuǎn)變

6、為化學能而儲蓄起來，這種蓄電過程叫充電。 鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學反應式為. 鉛酸蓄電池的特點鉛酸蓄電池的特點主要優(yōu)點:()除鋰離子電池外，在常用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高為2.0V。()價格低廉。()可制成小至 大至幾千 的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池。()高倍率放電性能良好，可用于發(fā)動機起動。()高低溫性能良好，可在-4060條件下工作。()電能效率高達60。()易于浮充使崩，沒有“記憶”效應。()易于識別荷電狀態(tài)。 第二節(jié)電化學蓄電池 存在的缺點:()比能量低，在新能源汽車中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電行駛單程短。()使用壽命短，使用成本高。()充電時間長。()鉛是重金屬，存在污染

7、。. 鉛酸蓄電池的充放電特性鉛酸蓄電池的充放電特性)鉛酸蓄電池的放電特性 第二節(jié)電化學蓄電池)鉛酸蓄電池的充電特性 第二節(jié)電化學蓄電池二、鎳氫電池二、鎳氫電池. 鎳氫電池的分類鎳氫電池的分類 按照外形，鎳氫電池分為方形鎳氫電池和圓形鎳氫電池。. 鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池的結(jié)構(gòu) 鎳氫電池主要由正極、負極、極板、隔板、電解液等組成。. 鎳氫電池的工作原理鎳氫電池的工作原理充電時正、負極的電化學反應為:放電時正、負極的電化學反應為: 第二節(jié)電化學蓄電池. 鎳氫電池的特點鎳氫電池的特點()比功率高。()循環(huán)次數(shù)多。()無污染。()耐過充過放。()無記憶效應。()使用溫度范圍寬。()安全可靠。. 鎳氫電池

8、的充放電特性鎳氫電池的充放電特性 一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示，即 充放電倍率 充放電電流/ 額定容量 第二節(jié)電化學蓄電池)鎳氫電池的充電特性 在充電起始階段，電池端電壓迅速上升，隨著時間的延長，電池電壓上升減緩，電池的容量與電池的端電壓有一定的對應關(guān)系，如圖- 所示的曲線曲線。 第二節(jié)電化學蓄電池 電池在高溫情況下充電，雖然充電時間較長，但充電效率下降，導致放電容量減少如圖- 所示。 第二節(jié)電化學蓄電池)鎳氫電池的放電特性 隨著放電的進行，總的趨勢是隨著放電時間的延續(xù)，電池的端電壓不斷下降。 放電電流越大電池所能放出的安時量越小，電池的端電壓越低，如圖- 所示。 第二節(jié)電化學蓄電

9、池 雖然常溫下延長了充電時間，但在低溫情況下，電池放電容量將會下降，如圖- 所示。 第二節(jié)電化學蓄電池三、鋰離子電池三、鋰離子電池. 鋰離子電池的分類鋰離子電池的分類 按照鋰離子電池外形形狀，可以分為:()方形鋰離子電池()圓柱形鋰離子電池。 按照鋰離子電池正極的材料不同，可以分為:()錳酸鋰離子電池()磷酸鐵鋰離子電池()鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。. 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池的結(jié)構(gòu) 鋰離子電池由正極、負極、隔板、電解液和安全閥等組成。 圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖- 所示。 第二節(jié)電化學蓄電池. 鋰離子電池的工作原理鋰離子電池的工作原理 在充放電過程中，鋰離子電池的反應方程式如下: 鋰

10、離子電池的工作原理如圖- 所示(以 金屬為例進行說明)。 第二節(jié)電化學蓄電池. 鋰離子電池的特點鋰離子電池的特點 鋰離子電池的主要優(yōu)點有:()電壓高，單格電池的工作電壓高達. . ，是鎳鎘、鎳氫電池的 倍。()比能量大，達 ，是鎳鎘電池的 倍，鎳氫電池的. 倍。 鋰離子電池，其比能量可高達 。()循環(huán)壽命長，新型鋰離子電池的循環(huán)壽命可超過 次。()安全性能好，無公害，無記憶效應。()自放電小，室溫下充滿電的鋰離子電池儲存 個月后的自放電率僅為，低于鎳鎘電池的 、鎳氫電池的 。()可實現(xiàn)安全、快速充電。()允許溫度范圍寬，隨著電解質(zhì)和正極的改進，期望能擴寬到 。鋰離子電池的缺點主要有:()蓄電池

11、的成本較高。 這主要是因為正極材料 的價格高( 的資源較少)電解質(zhì)體系提純較困難。()不能大電流放電。 由于有機電解質(zhì)體系等原因，鋰離子電池的內(nèi)阻較大，因此放電電流不能過大，最大的放電電流通常被限制在 。 過大的放電電流會使蓄電池溫度過高，影響其使用壽命。 第二節(jié)電化學蓄電池. 鋰離子電池的充放電特性鋰離子電池的充放電特性 在電壓方面，鋰離子電池對充電終止電壓的精度要求很高，一般誤差不能超過額定值的。 充電電流方面，鋰電池的充電率(充電電流)應根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。 放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在 左右。 鋰電池的充電溫度一般應該被限制在 范圍。四、空氣電池四、空氣電池.

12、鋅空氣電池鋅空氣電池)鋅空氣電池的基本原理 鋅空氣電池放電時的電化學反應方程式如下: 負極反應式為:正極反應式為:總反應式為: 第二節(jié)電化學蓄電池)鋅空氣電池的特點 相比于鉛酸電池，鋅空氣電池具有以下優(yōu)點:()比能量高。()可采用機械式“充電”方式。()大電流持續(xù)放電的能力強。()自放電率低。()性能穩(wěn)定。()安全性好。()鋅可以回收利用。. 鋁空氣電池鋁空氣電池)鋁空氣電池的原理 鋁空氣電池充放電時的電化學反應方程式為: 第二節(jié)電化學蓄電池)鋁空氣電池的特點 相比于新能源汽車用的其他蓄電池，鋁空氣電池具有以下特點:()比能量大。()質(zhì)量輕。()鋁沒有毒性和危險性。()生產(chǎn)成本較低。一、燃料電

13、池一、燃料電池第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng). 燃料電池的分類燃料電池的分類)按燃料電池的運行機理分類 可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。)按電解質(zhì)分類 可分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEFMC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFL)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、再生型燃料電池(RFC)、鋅空燃料電池(ZAFC)、質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCFC)等。)按燃料使用類型分類 可分為直接型燃料電池、間接型燃料電池、再生型燃料電池。)按燃料種類分類 可分為氫燃料電池、甲醇燃料電池、乙醇燃料電池等。)按工作溫度分類 可分為低溫型(溫度

14、低于200)、中溫型(溫度為200750)、高溫型(溫度為7501000)、超高溫型(限度高于1000)。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng))按燃料狀態(tài)分類 可分為液體型燃料電池、氣體型燃料電池。. 燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理 圖- 是燃料電池基本原理簡圖，其反應過程如下: 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng)()氫氣通過管道或?qū)獍暹_到陽極。()在陽極催化劑的作用下，一個氫分子分解為兩個氫離子，并釋放出兩個電子，陽極反應為:()在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_陰極，同時，氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。()在陰極催化劑的作用下，氧和氫離子與電子發(fā)生反應

15、生成水，陰極反應為:總的化學反應為: 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng). 燃料電池的特點燃料電池的特點)燃料電池的優(yōu)點 燃料電池與蓄電池相比，具有以下優(yōu)點:()節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高。()排放基本達到零污染。()無振動和噪聲、壽命長。()結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)。)燃料電池的缺點 燃料電池的缺點如下:()燃料種類單一。()要求高質(zhì)量的密封。()價格高。 制造成本高，電池價格昂貴。()需要配備輔助電池系統(tǒng)。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng). 車用燃料電池系統(tǒng)車用燃料電池系統(tǒng))質(zhì)子交換膜() 表- 是美國Freedomcar Roadmap項目總結(jié)報告的質(zhì)子交換膜數(shù)據(jù)。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng))電極催化

16、劑 表- 是美國FreedomcarRoadmap項目總結(jié)報告給出的電催化劑數(shù)據(jù)。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng))雙極板 表- 是美國FreedomcarRoadmap項目總結(jié)報告給出的雙極板數(shù)據(jù)。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng))燃料電池的組裝 單個單元電池輸出的電壓較小，汽車動力裝置必須將多個單元進行連接組裝成，形成燃料電池堆，以提供高電壓和大電流。 )反應氣體供給系統(tǒng) 目前主要采用提高空氣供給壓力的方法，但空氣壓縮機的寄生功率又降低了PEMFC的功率輸出和整體效率。 )水、熱管理系統(tǒng) 熱管理和水管理是目前燃料電池面臨的兩個主要技術(shù)挑戰(zhàn):一是低溫運轉(zhuǎn)的燃料電池堆熱量排出很困難，特別是在高

17、環(huán)境溫度時 二是燃料電池需要含水薄膜和陽極、陰極氣體，使質(zhì)子轉(zhuǎn)移以產(chǎn)生電力。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng)二、超級電容器二、超級電容器. 超級電容的工作原理超級電容的工作原理 如圖- 所示，主要由集電極(電容板)、電解液和絕緣層等組成。 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng). 超級電容的特點超級電容的特點 超級電容器作為一種新型能源器件，主要具有以下特點:)功率密度高)充放電循環(huán)壽命長)充電時間短)特殊的功率密度和適度能量密度)儲存壽命長)工作溫度范圍寬 第三節(jié)新能源汽車用其他儲能系統(tǒng)三、飛輪電池三、飛輪電池. 飛輪電池的工作原理飛輪電池的工作原理 飛輪電池主要由飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電

18、力電子變換器等組成，如圖-所示。. 飛輪電池的特點飛輪電池的特點 超高速飛輪儲能裝置主要具有放電電流大、超高的比功率、一定的(相對一般蓄電池較小，相對超級電容為較高)比能量、能量轉(zhuǎn)換效率高、可快速充電、可實現(xiàn)免維護等優(yōu)點。 并且飛輪儲能裝置循環(huán)壽命長、無環(huán)境污染，是一種“零污染”能源。 第四節(jié)混合能量存儲系統(tǒng)一、動力電池一、動力電池 超級電容構(gòu)成的混合能源系統(tǒng)超級電容構(gòu)成的混合能源系統(tǒng) 圖- 為典型的動力電池 超級電容構(gòu)成的混合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 第四節(jié)混合能量存儲系統(tǒng)二、動力電池二、動力電池 燃料電池構(gòu)成的混合能源系統(tǒng)燃料電池構(gòu)成的混合能源系統(tǒng) 圖- 為典型的動力電池 燃料電池構(gòu)成的混合能源系統(tǒng)

19、的結(jié)構(gòu)形式。 第五節(jié)蓄電池的測試一、蓄電池性能檢測的相關(guān)標準一、蓄電池性能檢測的相關(guān)標準. 動力電池的國家標準動力電池的國家標準 我國頒布了動力電池的相關(guān)國家標準:電動道路車輛用鉛酸蓄電池 (GB/T18332.1-2009)、電動道路車輛用鋰離子蓄電池 (GB/T18333.1-2001)、電動道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池(GB/T18332.2-2001)。. 動力電池的行業(yè)標準動力電池的行業(yè)標準 國家發(fā)改委在2006年頒布了動力電池的相關(guān)行業(yè)標準:電動汽車用鉛酸蓄電池QC/T742-2006、電動汽車用鋰離子蓄電池QC/T743-2006、電動汽車用金屬氫化物鎳蓄電池QC/T744-20

20、06。 第五節(jié)蓄電池的測試二、蓄電池充放電性能的測試二、蓄電池充放電性能的測試. 蓄電池充電性能的測試蓄電池充電性能的測試)充電可接受電流)最高充電電壓)充電效率)耐過充電能力. 蓄電池放電性能的測試蓄電池放電性能的測試)定電流放電測試方法 蓄電池定電流放電性能測試電路如圖- 所示。 第五節(jié)蓄電池的測試)蓄電池放電性能的評價方法 圖- 所示為某蓄電池定電流放電測試時記錄下的定電流放電特性曲線。 第五節(jié)蓄電池的測試三、蓄電池容量的測定三、蓄電池容量的測定. 定電流放電法定電流放電法 用定電流放電法測定蓄電池的容量如同蓄電池的定電流放電性能測試。. 定電阻放電法定電阻放電法 定電阻放電過程蓄電池的

21、容量 可由式(-)確定。四、蓄電池壽命的測定四、蓄電池壽命的測定 具體的蓄電池循環(huán)壽命測定方法可參閱我國頒布的GB/T18332.1-2009、GB/T18333.1-2001和GB/T18332.2-2001等蓄電池國家標準中的蓄電池循環(huán)壽命測定規(guī)定或國際電工委員會()制定的相關(guān)標準。 第五節(jié)蓄電池的測試五、蓄電池內(nèi)阻及自放電的測定五、蓄電池內(nèi)阻及自放電的測定. 蓄電池內(nèi)阻的測定蓄電池內(nèi)阻的測定 蓄電池內(nèi)阻的測量方法有方波電流法、交流電橋法、交流阻抗法、直流伏安法、短路電流法和脈沖電流法等。. 蓄電池自放電的測定蓄電池自放電的測定)自放電程度的表示方法 蓄電池的自放電程度可用自放電速率z 表

22、示。 如果用 表水蓄電池存放的天數(shù)，1、2分別表示存放前后的蓄電池容量，那么z 的表達式為 從式(-)可知，z 表示單位時間內(nèi)蓄電池容量下降的百分數(shù)，而在實際測量中，通常用指定時間內(nèi)容量的保持率(或稱為剩余容量百分比、荷電保持能力等)b 來表示，即 第五節(jié)蓄電池的測試)自放電的測定方法 通常的自放電測定方法是:先通過定電流放電等方法測定蓄電池的容量1，然后將蓄電池再充足電，放置一定時間，再以定電流放電法測定蓄電池的容量2。 圖- 表示了某蓄電池在不同溫度下存放不同時間的容量保持率。蓄電池的開路電壓與放電程度有著對應的線性關(guān)系(見圖-)。 第五節(jié)蓄電池的測試六、蓄電池安全性能的測試六、蓄電池安全

23、性能的測試. 耐過充電、過放電能力的測試耐過充電、過放電能力的測試. 短路測試短路測試. 耐高溫測試耐高溫測試. 鉆孔測試鉆孔測試. 力學性能測試力學性能測試. 耐蝕性能測試耐蝕性能測試七、蓄電池荷電狀態(tài)七、蓄電池荷電狀態(tài) 的檢測方法的檢測方法. 放電試驗法放電試驗法)使用中的蓄電池剩余電量顯示和能量管理需要當前的，而放電試驗法都是在蓄電池放完電后才能得到。)在不同的定電流放電電流下，所能放出的電量是不同的，因而用該方法測得的只對一種定電流放電情況較準確，對于不同定電流放電或變電流放電的情況則誤差較大。)放電試驗法必須停止蓄電池的工作，且需要較長的時間才能獲得結(jié)果。 第五節(jié)蓄電池的測試. 安時計量法安時計量法 安時計量法是通過對蓄電池放電