動(dòng)力電池系統(tǒng)

動(dòng)力電池系統(tǒng)第1頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.1動(dòng)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(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)第2頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鉛蓄電池的結(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(chǔ)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)第3頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第4頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一幾種蓄電池的種類及外形。圖2-11蓄電池的類型第6頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一1、端電壓和電動(dòng)勢（1）端電壓：動(dòng)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(shí)的電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓。（5）電動(dòng)勢（E）：組成電池的兩個(gè)電極的平衡電極電位之差。4.1.2動(dòng)力電池的基本參數(shù)第7頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一2、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：在實(shí)際工作中，放出的電量。第8頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一3、內(nèi)阻（1）放電時(shí)，端電壓低于電動(dòng)勢和開路電壓；充電時(shí)，端電壓高于電動(dòng)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。第9頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4、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(dòng)勢的乘積。（3）實(shí)際能量（W）：電池放電時(shí)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。第10頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一5、功率與功率密度（1）功率：電池在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量。單位W或kW。（2）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。電動(dòng)汽車，質(zhì)量比能量影響電動(dòng)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。比功率是評(píng)價(jià)電池及電池包是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。第11頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一6、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：0≤SOC≤100%。7、放電深度：DOD，是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)。第12頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一8、循環(huán)使用壽命（1）電池充電和放電一次為一個(gè)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(píng)價(jià)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(shí)間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)表示。第13頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（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(dòng)汽車，能量效率比容量效率更重要。10、輸出效率第14頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（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。第15頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一13、放電制度：電池放電時(shí)所規(guī)定各項(xiàng)條件。（1）放電電流：放電時(shí)電流的大小，通常用放電率表示，即放電時(shí)的速率，有時(shí)率和倍率兩種。時(shí)率：以放電時(shí)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(shí)間（h），常用C/n表示。倍率：在規(guī)定時(shí)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(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓。第16頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一1、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(dòng)力電池的分類第17頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一2、按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分（1）一次電池：即原電池，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(chǔ)備電池：又稱“激活電池”，使用前臨時(shí)注入電解液或用其它方法使電池激活。如：鎂-氯化銀電池。第18頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一3、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）系列電池第19頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.2鋰離子動(dòng)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）。第20頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一2、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)保性高第21頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)無環(huán)境污染，綠色電池輸出電壓高能量密度高安全，循環(huán)性好自放電率小快速充放電充電效率高第22頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池工作原理4.2.2工作原理鋰離子濃差電池第23頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池工作原理第24頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池的工作原理充電放電第26頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池工作原理圖第27頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰一次電池(又稱鋰原電池,PrimaryLB)鋰電池(LithiumBattery,簡寫成LB)鋰二次電池(又稱鋰可充電電池，RechargeableLB)備注：鋰電池與鋰離子電池第28頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰一次電池發(fā)展史當(dāng)前70年代60年代的能源危機(jī)20世紀(jì)50年代多種材料應(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Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等第29頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一

在商業(yè)化鋰一次電池的同時(shí)，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年埃克森公司的M.S.Whittingham利用Li-TiS體系，制成首個(gè)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)100次形成的鋰枝晶圖鋰二次電池的產(chǎn)生第30頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一1941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.Whittingham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(gè)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。由于他所作出的卓越貢獻(xiàn)，他于1971年被電化學(xué)會(huì)授予青年作家獎(jiǎng)，于2004年被授予電池研究獎(jiǎng)，并且被推舉為會(huì)員。ManleyStanleyWhittingham第31頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰與過渡金屬的復(fù)合氧化物鋰離子電池的產(chǎn)生鋰離子電池比能量電壓負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)的石墨120-150Wh/kg是普通鎳鎘電池的2-3倍高達(dá)3.6V正極20世紀(jì)80年代末，日本Sony公司提出者第32頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池區(qū)別于鋰電池【早期的鋰電池】

鋰離子電池(Li-ionBatteries)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。

第33頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一【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，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(shí)，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(dòng)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(shí)（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(dòng)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。第34頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一“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/脫嵌材料。

當(dāng)對電池進(jìn)行充電時(shí)，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(dòng)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(shí)（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(dòng)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。第35頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一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(dòng)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(dòng)。人們把這種電化學(xué)儲(chǔ)能體系形象地稱為“搖椅式電池”（Rocking-chairCell）。第36頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一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”（RockingChairBatteries）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(dòng)力電池及電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。M.Armand第37頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池的商品化1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨這種鋰離子電池，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、安全性差的缺點(diǎn)，鋰離子電池得以商品化。標(biāo)志著電池工業(yè)的一次革命。第38頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鋰離子電池特點(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%第39頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.2.3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(shí)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、金屬鋰沉積等，只是程度不同。第40頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一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）集流體的腐蝕第41頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.2.4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(dòng)汽車實(shí)際應(yīng)用的角度看，恒流時(shí)間越長，充電時(shí)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、充放電特性第42頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一充電電流對充電特性的影響放電深度對充電特性的影響充電溫度對充電特性的影響放電特性影響因素第43頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一濫用情況：熱沖擊、過充電、過放電、短路等。危害：電池內(nèi)部壓力升高，可導(dǎo)致電池著火，甚至爆炸。2、安全性主要原因：（1）材料穩(wěn)定性：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。（2）制造工藝：分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池第44頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一消費(fèi)類電子4.2.5典型應(yīng)用第45頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一消費(fèi)類電子第46頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一消費(fèi)類電子第47頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一消費(fèi)類電子第48頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一交通運(yùn)輸業(yè)第49頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一交通運(yùn)輸業(yè)第50頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一工業(yè)工具類電子第51頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一新型電子產(chǎn)品第52頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一儀器儀表產(chǎn)品第53頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一儀器儀表產(chǎn)品第54頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一儀器儀表產(chǎn)品第55頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一醫(yī)用設(shè)備儀器產(chǎn)品第56頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一行政辦公產(chǎn)品第57頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第58頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一DC600V客車電池系統(tǒng)采用鋰離子電池，由獨(dú)立的25.6V/40A·h鋰離子電池模塊串并聯(lián)組成110V/120A·h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(huì)的關(guān)注和研究！第59頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一(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。第60頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一EV車的應(yīng)用呼喚采用“綠色”電池為動(dòng)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(huì)(US-ABC)”負(fù)責(zé)為EV車提供電池。第61頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一為扶持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(dòng)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。第62頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一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(dòng)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)用于英國蓮花汽車公司的新一代蓮花賽車上。第63頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一北大先行科技產(chǎn)業(yè)采用磷酸鐵鋰正極材料的動(dòng)力電池首次應(yīng)用于奧運(yùn)大巴。

第64頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一奔馳及寶馬09年推出鋰電池混合動(dòng)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S400BlueHubrid混合動(dòng)力車型，并宣布在2009年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

第65頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一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(hào)

第66頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.3其他電池4.3.1鉛酸電池第67頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一1、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(chǔ)氫合金（3）電解質(zhì)：KOH水溶液（4）隔膜：尼龍纖維、聚丙烯纖維、維綸纖維。第68頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一正極片、負(fù)極片、隔膜紙、蓋帽、外殼、絕緣層。第69頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第70頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第71頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一3、鎳氫電池的原理

鎳氫電池采用Ni氫氧化物作為正極，儲(chǔ)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(shí)：正極反應(yīng)：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O–e-負(fù)極反應(yīng)：M+H2O+e-→MH+OH-鎳氫電池放電時(shí)：正極反應(yīng)：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-負(fù)極反應(yīng)：MH+OH-→M+H2O+e-第72頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第73頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第74頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一途銳混合鎳氫電池透視圖第75頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鎳氫電池的安裝位置第76頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一鎳氫電池組的主要組成部分第77頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一寶馬X6混合動(dòng)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。鎳氫蓄電池是全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(chǔ)容量較大且比較成熟，因此目前所有全混合動(dòng)力車型均采用這種蓄電池。寶馬ActiveHybridX6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(shí)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ActiveHybridX6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。

第78頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4、優(yōu)點(diǎn)：功率密度高、耐久性好5、缺點(diǎn)（與鉛酸型比）（1）價(jià)格較高（2）自放電損耗大（3）對環(huán)境溫度敏感（4）有記憶效應(yīng)（5）充電發(fā)熱6、應(yīng)用：豐田普銳斯第79頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第80頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一1、介于電解質(zhì)電容器和電化學(xué)蓄電池之間的儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能方式與傳統(tǒng)電容器不同。4.3.3超級(jí)電容器第81頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一1)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(gè)絕緣平板上的氧化層。2、電容器的結(jié)構(gòu)第82頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一3、超級(jí)電容的基本原理又叫雙電層電容、黃金電容、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(chǔ)能。第83頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一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(chǔ)。這種儲(chǔ)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。第84頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一充電時(shí),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(gè)固體電極的表面;放電時(shí),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。第85頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一雙電層原理示意圖第86頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能特性。第87頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一性能特點(diǎn)--介于電池與物理電容器之間

性能鉛酸電池超級(jí)電容器普通電容器充電時(shí)間 1-5小時(shí)0.3-若干秒

10-3—10-6秒放電時(shí)間 0.3-3小時(shí)0.3-若干秒

10-3—10-6秒比能Wh/kg30-401-20

<0.1

循環(huán)壽命 300 >10000>100000

比功率W/kg<

300>1000 <100000

充放電效率0.7-0.850.85-0.98>0.95第88頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一①電容量大，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(gè)數(shù)量級(jí)，目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000F。②充放電壽命很長，可達(dá)500000次，或90000小時(shí)，而蓄電池的充放電壽命很難超過1000次，4、超級(jí)電容的特點(diǎn)第89頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一③可以提供很高的放電電流（如2700F的超級(jí)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下的使用壽命將大大縮短。④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(shí)間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)的或幾乎不可能。第90頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一⑤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。⑥超級(jí)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。⑦等效串聯(lián)電阻ESR相對常規(guī)電容器大（10F/2.5V的ESR為110mΩ）。⑧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。第91頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一5、超級(jí)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(jí)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)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時(shí)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。第92頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一漏電流：一般為10μA/F壽命：在25℃環(huán)境溫度下的壽命通常在90000小時(shí)，在60℃的環(huán)境溫度下為4000小時(shí)，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(shí)間：10秒為一個(gè)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）第93頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一6、超級(jí)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(chǔ)存能量的，儲(chǔ)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=ε·A/3.6πd

其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度，ε為相對介電常數(shù)第94頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一傳統(tǒng)電容是從平板狀導(dǎo)電材料得到其儲(chǔ)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、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(jí)電容是從多孔碳基電極材料得到其儲(chǔ)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(jí)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。第95頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一由于活性碳材料具有≥1200m2/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(chǔ)能成為可能。一個(gè)超級(jí)電容單元的電容值，實(shí)現(xiàn)電容量0.5-5000F，工們電壓12-400v，最大放電電流400-2000A。超級(jí)電容能量密度較傳統(tǒng)電容高，但功率密度較之低。第96頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一7、超級(jí)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(jí)電容每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年?？梢源箅娏鞒潆?，充放電時(shí)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℃。第97頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.3.4燃料電池1、燃料電池：是一種能夠持續(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(shí)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(huì)不斷提供電能。第98頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一2、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：氧氣第99頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理第100頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一單體PEMFC的基本結(jié)構(gòu)第101頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一PEMFC電池組(堆)結(jié)構(gòu)第102頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一第103頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一3、燃料電池優(yōu)點(diǎn)1）由于輸出功率單位由堆的輸出功率定，故機(jī)組容量具有自由度；部分負(fù)荷時(shí)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；第104頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4)轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%；5)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，噪音小；

6)NOx及SOx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”。第105頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4、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。（2）根據(jù)電解質(zhì)的種類分：堿性燃料電池(AFC)磷酸燃料電池(PAFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)聚合物離子膜燃料電池(PEMFC)。第106頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（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

（4）按燃料類型分：氫燃料電池甲烷燃料電池甲醇燃料電池乙醇燃料電池第107頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一

第108頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一通用Hy-wire

氫動(dòng)三號(hào)

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(chǔ)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(dòng)機(jī)后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)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。第109頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一同濟(jì)大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。能在14秒內(nèi)加速到80公里，最高時(shí)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(dòng)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(huì)及時(shí)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(jí)水平。超越二號(hào)第110頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一燃料電池汽車尚需解決的問題1、整車的開發(fā)設(shè)計(jì)；2、車用燃料氫，其制備、儲(chǔ)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(dòng)機(jī)的成本為300美分/KW，是內(nèi)燃機(jī)的10倍。第111頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.4動(dòng)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(dòng)汽車必不可少的核心部件之一。第112頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.4.1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(gè)主控單元（BCU）、多個(gè)從控單元（HMU、BMU）的結(jié)構(gòu)形式。第113頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一圖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。第114頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一圖4-14電池管理系統(tǒng)功能示意圖4.4.2主要功能第115頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（1）數(shù)據(jù)采集電池管理系統(tǒng)的所有算法均以采集的動(dòng)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)。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于20Hz（50ms）。第116頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（2）電池狀態(tài)計(jì)算

主要包括SOC和電池組健康狀態(tài)（SOH）兩方面。SOC：提示動(dòng)力電池組剩余電量，是計(jì)算和估計(jì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)。SOH：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)。在電動(dòng)汽車中，準(zhǔn)確估算蓄電池SOC主要有保護(hù)蓄電池、提高整車性能、降低對動(dòng)力電池的要求以及提高經(jīng)濟(jì)性等作用。第117頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（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(gè)部分。第118頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（4）安全管理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。安全管理系統(tǒng)功能：煙霧報(bào)警；絕緣檢測；自動(dòng)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。第119頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（5）熱管理主要用于電池工作溫度超高時(shí)對電池進(jìn)行冷卻，低于適宜工作溫度下限時(shí)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(shí)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(shí)的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場的均勻分布。

第120頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（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(gè)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。第121頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（7）通信功能通過電池管理系統(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，如：模擬信號(hào)、PWM信號(hào)、CAN總線或I2C串行接口。第122頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一（8）人機(jī)接口圖4-15某電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控信息顯示界面第123頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一圖4-16電池管理系統(tǒng)的實(shí)際安裝位置第124頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一4.5.1動(dòng)力電池單體壽命的影響因素①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(huì)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)。

②放電深度。深度放電會(huì)加速動(dòng)力電池的衰退。4.5動(dòng)力電池組的使用壽命單體電池通過串、并聯(lián)的方式組成電池組第125頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一③充放電倍率動(dòng)力電池單體的充放電倍率是其在使用工況下最直接的特征參數(shù)，其大小直接影響著動(dòng)力電池單體的衰退速度。充放電倍率越高，動(dòng)力電池單體的容量衰退越快。動(dòng)力電池單體大倍率的充放電都會(huì)加快其容量的退化速度。如果充放電倍率過大，動(dòng)力電池單體還可能會(huì)出現(xiàn)直接損壞，甚至過熱、短路起火等極端現(xiàn)象。第126頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一④環(huán)境溫度不同的動(dòng)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。在高溫下運(yùn)行應(yīng)用的動(dòng)力電池容量衰減明顯大于常溫下工作的電池。第127頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一⑤存儲(chǔ)條件存儲(chǔ)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。以鋰離子電池為例，在鋰離子電池存儲(chǔ)期間，石墨負(fù)極的副反應(yīng)是引起鋰離子動(dòng)力電池容量衰減的主要原因。第128頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一圖4-17降低充電截止電壓對電

池容量衰退影響比較圖第129頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一圖4-18提高充電截止電壓對電

池容量衰退影響比較圖第130頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一表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(dòng)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(dòng)力電池的使用壽命。第131頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一圖4-19不同充放電倍率下動(dòng)力電池的容量衰退情況第132頁，共145頁，2023年，2月20日，星期一