電動汽車技術(shù)課件：動力電池

電動汽車技術(shù)動力電池HarbinUniversityofScienceandTechnology5.1概述5.2動力電池基本術(shù)語5.3電動車輛對電池性能的要求5.4鋰離子動力電池5.5其他電動汽車用動力電池5.6本章小結(jié)主要內(nèi)容5.1概述5.2動力電池基本術(shù)語5.3電動車輛對電池性能的要求5.4鋰離子動力電池5.5其他電動汽車用動力電池5.6本章小結(jié)主要內(nèi)容5.1電池概述

鄭殿宇

鄭殿宇1859年法國科學(xué)家普蘭特發(fā)明的鉛酸電池是世界上第一個可充電的電池，而鋰離子電池在20世紀90年代出現(xiàn)。鋰離子電池分類鈷酸鋰鋰離子電池錳酸鋰鋰離子電池三元材料鋰離子電池按正極材料按電解質(zhì)材料液態(tài)鋰離子電池聚合物鋰離子電池目前鋰電池存在的問題能量密度低充電時間長電池價格昂貴汽車電動輔助系統(tǒng)的使用受限：目前：200Wh/kg未來：300wh/kg而汽油可達到：10000~12000wh/kg:一般需要3~5小時空調(diào)，動力轉(zhuǎn)向、制動系統(tǒng)5.1概述5.2動力電池基本術(shù)語5.3電動車輛對電池性能的要求5.4鋰離子動力電池5.5其他電動汽車用動力電池5.6本章小結(jié)主要內(nèi)容5.2動力電池基本術(shù)語

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鄭殿宇1.電壓開路電壓：即電池開路時，正負極之間的電位差。開路電壓與電池的荷電狀態(tài)有關(guān)。理論電壓：即電池的電動勢，是電池正極理論電動勢與負極理論電動勢之差。負載電壓：電池輸出電流時兩極間的電位差。標稱電壓：在規(guī)定條件下電池工作的標準電壓。終止電壓：即電池放電終止時的電壓。2.放電制度電池的放電制度是指電池放電時所規(guī)定的放電速度、放電溫度和終止電壓。放電速度：通常稱為放電率，以放電時率和放電倍率來表示。是以放電時間的長短或放電電流的大小來表示電池的放電速度，即在規(guī)定的時間內(nèi)或以恒定的電流值放電，使電池放出全部的額定容量。放電溫度:放電時電池所處的環(huán)境溫度，稱為放電溫度。在放電或充電開始時，電池的溫度稱為初始溫度。終止電壓

:當(dāng)達到電池放電截止條件時，終止對電池的放電稱為放電截止。放電截止可以有效地保護電池，防止電池出現(xiàn)過放電。5.2動力電池基本術(shù)語

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鄭殿宇3.容量電池的容量是指充滿電的電池在指定的條件下放電到終止電壓時輸出的電量，單位為A·h。理論容量：假定電池中的活性物質(zhì)全部參加成流反應(yīng)，根據(jù)法拉第定律計算所能給出的電量。理論容量是電池容量的最大極限值。電池實際放出的容量只是理論容量的一部分。i小時率放電容量：在恒流放電的條件下，正好用i小時把充滿電的電池放電到終止電壓時能夠放出的電量。通常用表示。通常啟動電池用，牽引電池用，電動汽車用電池用表示。額定容量：是在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的電量。額定容量是制造廠標明的安時容量，作為驗收電池質(zhì)量的重要指標。我國的國家標準中，使用3小時率放電容量來定義電動道路車輛用動力蓄電池的額定容量。實際容量：指的是充滿電的電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流和放電時間的乘積。剩余電量：是指電池經(jīng)過使用后，在指定的放電率和溫度狀態(tài)下可以從電池中放出的電量。5.2動力電池基本術(shù)語

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鄭殿宇4.能量電池的能量是指在按一定標準所規(guī)定的放電制度下，電池所輸出的電能，單位為瓦時（W·h）或千瓦時（kW·h）。5.能量密度電池的能量密度有質(zhì)量能量密度和體積能量密度之分，質(zhì)量能量密度是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位為瓦時/千克（W·h/kg），體積能量密度是指電池單位體積所能輸出的電能，單位為瓦時/升（W·h/L）。6.功率與功率密度電池的功率是指在一定的放電制度下，單位時間內(nèi)電池輸出的能量，單位為瓦（W）或千瓦（kW）單位質(zhì)量的電池輸出的功率稱為質(zhì)量功率密度，單位為W/kg。單位體積的電池輸出的功率稱為體積功率密度，單位為W/L。比功率的大小表征電池所承受的工作電流的大小，是體現(xiàn)電池性能的一項重要指標。5.2動力電池基本術(shù)語

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鄭殿宇7.荷電狀態(tài)電池的荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）描述電池剩余容量占額定容量的百分比。工作過程中電池的荷電狀態(tài)由式計算。

式中，SOC0為電池的初始SOC；Ibat為t時刻電池的工作電流，充電時為正，放電時為負，單位為A；t為充放電時間，單位為h；C為電池的額定容量，單位為A?h。8.荷電狀態(tài)電池的放電深度（DepthofDischarge,DOD）是電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容量的比值，其數(shù)學(xué)表達式為

5.2動力電池基本術(shù)語9.充電效率在規(guī)定條件下，蓄電池放電期間給出的容量與恢復(fù)到放電前的狀態(tài)所需充電電量之比，稱為充電效率。10.電池失效與記憶效應(yīng)在規(guī)定條件下，當(dāng)電池達不到預(yù)定特性水平工作時，稱為電池失效。可分為可逆失效（暫時失效）和不可逆失效（永久失效）。電池失效后可用一般的恢復(fù)性措施重新恢復(fù)其性能時，稱為可逆失效。若不能恢復(fù)，稱為不可逆失效。電池長時間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后，自動保持這一特定的電性能傾向，稱為記憶效應(yīng)。11.內(nèi)阻內(nèi)阻是指電流通過電池時所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時所表現(xiàn)的極化電阻兩部分。其他電池參數(shù)還有低溫放電能力，循環(huán)使用壽命，貯存，抗濫用能力5.1概述5.2動力電池基本術(shù)語5.3電動車輛對電池性能的要求5.4鋰離子動力電池5.5其他電動汽車用動力電池5.6本章小結(jié)主要內(nèi)容

鄭殿宇5.3電動車輛對電池性能的要求5.3.1純電動汽車對電池的要求1電池組要有足夠高的能量。2系統(tǒng)具有較高的輸出功率。3需要能承受較大的回饋制動電流。4在深度放電情況下循環(huán)壽命長，必要時能實現(xiàn)滿負荷功率和全放電5電池組體積和重量大，電池箱的設(shè)計、空間布置和安裝需認真研究。

鄭殿宇5.3電動車輛對電池性能的要求5.3.2混合動力電動汽車（HEV）對電池的要求從HEV的使用特點可以看出，電池是一個功率輔助系統(tǒng)，大部分放電是以大電流進行的，所以設(shè)計時應(yīng)著重注意功率性能。HEV循環(huán)幾乎不要求電池完全充電或完全放電，所以多支電池一起應(yīng)用通常存在的問題較少。主要問題是電池的失效、整體的可靠性及電流分布，以及大電流長時間循環(huán)下的溫度控制?；旌想妱悠噷﹄娫聪到y(tǒng)的總體要求如下：1對電池系統(tǒng)功率的要求與純電動汽車相似，但容量要更低2電池組瞬時提供的功率要滿足汽車加速或爬坡要求。3電池的峰值功率要求大，能短時大功率放電。4較高的瞬間回饋功率5循環(huán)壽命要長。6較高的能量效率7電池的SOC應(yīng)保持在30%～80%8需配備電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)5.3電動車輛對電池性能的要求5.3.2插電式混合動力電動汽車（PHEV）對電池的要求PHEV與HEV最大的兩個差異是：第一，PHEV的電池容量較大，可以靠電力行駛較遠的距離，燃油使用量與溫室氣體排放量都較低；第二，PHEV除了以發(fā)動機進行充電外，也可以用家用外接電源充電。與純電動汽車的最大差異是：具有混合電動模式，使用的電池容量要比純電動車的低，但功率要求高，在較低SOC時需要能承受較大電流的充電或放電。所以，對于PHEV用電池，主要應(yīng)當(dāng)有以下特點。PHEV對電池的要求性能壽命可靠的管理系統(tǒng)成本HEV用動力電池必須具有足夠高的能量密度和功率密度電池要能在SOC從100%到20%深放電工作時，保證有很長的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估計、能量管理、熱管理、安全管理和通信功能，其他擴展功能包括充電管理、數(shù)據(jù)顯示、能量管理和故障診斷等。電池成本必須低到使用時的花費能夠彌補購置時的費用5.1概述5.2動力電池基本術(shù)語5.3電動車輛對電池性能的要求5.4鋰離子動力電池5.5其他電動汽車用動力電池5.6本章小結(jié)主要內(nèi)容5.4鋰離子動力電池

鄭殿宇儲存和循環(huán)壽命長荷電保持能力強環(huán)境污染小無記憶效應(yīng)工作溫度范圍廣電壓高鋰離子電池優(yōu)點

鋰離子電池的單節(jié)電壓為3.6V，而MH-Ni電池為1.2V

在優(yōu)良的環(huán)境下，可以儲存5年以上

當(dāng)溫度為（20±5）℃時，在開路狀態(tài)下儲存30天后，電池常溫放電容量為額定容量的85%

在鋰離子電池中不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對環(huán)境污染低可反復(fù)充放電使用

鋰離子電池通常在-20~60℃的范圍內(nèi)正常工作，但溫度變化對其放電容量影響很大。5.4鋰離子動力電池鋰離子電池缺點鋰離子電池的內(nèi)阻較大充放電電壓范圍寬與普通電池相容性差管理系統(tǒng)復(fù)雜過充能力差

由于鋰離子電池的電解液為有機溶劑，其電導(dǎo)率遠低于MH-Ni和Cd-Ni電池的水性電解液

必須設(shè)計特殊的保護電路來防止過充電和過放電

由于電壓相差較大的緣故

必須管理到每一節(jié)電池，否則一旦有一節(jié)電池過充就會造成整組電池失效或安全性問題

當(dāng)充電電壓高過一定值的時候，電解質(zhì)會發(fā)生分解，產(chǎn)生大量熱電池失效5.4.1

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理

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鄭殿宇正極反應(yīng)負極反應(yīng)

充電過程中，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負極，負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補償電荷經(jīng)外電路供給到碳負極，保持負極的電平衡。放電時則相反，Li+從負極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極，正極處于富鋰態(tài)。

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鄭殿宇5.4.1

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理電池總反應(yīng)式中：M表示金屬離子，X表示陰離子基團鋰離子電池的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)（以LiFePO4為例）和外形如圖

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鄭殿宇5.4.2鋰離子電池的失效機理正極材料的溶解以尖晶石LiMn2O4為例，Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰減的主要原因。Mn的溶解沉積造成正極活性物質(zhì)減少；溶解的Mn游離到負極時會造成負極SEI（SolidElectrolyteInterface，SEI）膜的不穩(wěn)定，被破壞的SEI膜再形成時會消耗鋰離子，造成鋰離子的減少。正極材料的相變化:鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體構(gòu)型。這種現(xiàn)象叫做Jahn-Teller效應(yīng)（或J-T扭曲）。在LiMn2O4電池中，J-T效應(yīng)所導(dǎo)致的尖晶石結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變，也是容量衰減的主要原因之一造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有

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鄭殿宇5.4.2鋰離子電池的失效機理電解液的分解鋰離子電池中常用的電解液主要包括由各種有機碳酸酯（如PC、EC、DMC、DEC等）的混合物組成的溶劑以及由鋰鹽（如LiPF6、LiClO4、LiAsF6等）組成的電解質(zhì)。在充電的條件下，電解液對含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會發(fā)生還原反應(yīng)。電解液還原消耗了電解質(zhì)及其溶劑，會對電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響。過充電造成的容量損失

電池在過充電時，會造成負極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧的損失。這些副反應(yīng)或者消耗了活性物質(zhì)，或者產(chǎn)生不溶物質(zhì)堵塞電極孔隙，或者正極氧損失，這些都會導(dǎo)致電池容量衰減。自放電

鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。造成不可逆自放電的原因主要有：鋰離子的損失（形成不可溶的Li2CO3等物質(zhì)）、電解液氧化物堵塞電極微孔造成內(nèi)阻增大等。

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鄭殿宇5.4.2鋰離子電池的失效機理高溫等造成的SEI膜分解

采用石墨負極的電池，在充電溫度超過60℃時，負極表面的SEI膜會遭到破壞，損耗活性Li。再次充電，再次形成SEI膜。多次在高溫下進行充電，SEI膜不斷被破壞和形成，不斷消耗活性Li，造成電池的衰減速度加快。集流體的腐蝕鋰離子電池中的集流體材料常用銅和鋁，兩者都容易發(fā)生腐蝕，集流體的腐蝕會導(dǎo)致內(nèi)阻增加，從而造成容量損失。5.4.3鋰離子電池的電特性1.充放電特性鋰離子電池基本充放電電壓曲線如圖充電過程如圖AB段；鋰離子電池放電過程如圖BD段所示。在中前期電壓穩(wěn)定，下降緩慢，但在放電后期電壓下降迅速，如圖CD段所示。

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鄭殿宇5.4.3鋰離子電池的電特性①充電電流對充電特性的影響。以額定容量100A·h某鋰離子電池為例，在SOC=40%、恒溫20℃的情況下，采用不同充電率充電，得到充電曲線如圖

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鄭殿宇5.4.3鋰離子電池的電特性②放電深度對充電特性的影響。放電充電等容量充入能量/（W·h）充電時間/min恒流時間/min恒流充電容量/（A·h）單位容量平均充電時間/min等容量充放電效率（%）容量/（A·h）能量/（W·h）容量/（A·h）能量/（W·h）1032.8513.3257.4043.105831.55.8076.22065.1222.7898.3286.3211963.05.9575.43095.8630.91133.10129.20151126.05.0374.240122.0340.12169.60164.98171189.04.2874.050159.0750.32220.52214.472183417.04.3674.260188.3360.08263.39260.992524522.54.2072.280249.7680.35344.4342.903187235.763.9872.8不同放電深度充電試驗參數(shù)在恒溫環(huán)境溫度20℃下，對額定容量100A·h鋰離子電池在不同的SOC、以0.3C恒流限壓進行充電。

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鄭殿宇5.4.3鋰離子電池的電特性鋰離子電池20℃、0.3C恒流充電曲線結(jié)論：1.隨放電深度的增加，充電所需時間增加，但平均每單位容量所需的充電時間減少，即充電時間的增加同放電深度不成正比增加；2.隨放電深度的增加，恒流充電時間所占總充電時間比例增加，恒流充電容量占所需充入容量的比重增加；3.隨放電深度的增加，等安時充放電效率有所降低，但降低幅度不大。

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鄭殿宇5.4.3鋰離子電池的電特性③充電溫度對充電特性的影響。在不同環(huán)境溫度下對鋰離子電池進行充電，以某額定容量200A·h鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條件是充電電流下限為1A的充電參數(shù)，環(huán)境溫度/℃充電電流將至5A充電電流將至1A充入容量/（A·h）充入能量/（W·h）充電時間/h充入容量/（A·h）充入能量/（W·h）充電時間/h-25118.09516.819.0147.08640.7921.0-5127.29566.637.1160.75717.2719.010164.59707.656.4203.12867.3215.225168.94726.915.5205.98878.7112.3結(jié)論：隨著環(huán)境溫度的降低，電池的可充入容量明顯降低，而充電時間明顯增加。

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鄭殿宇5.4.3鋰離子電池的電特性④電特性影響因素以某額定容量200A·h鋰離子為例。在環(huán)境溫度20℃情況下，將電池充滿電，分別在-20℃、0℃、20℃進行100A（0.5C）放電試驗，其過程如圖鋰離子電池100A（0.5C）放電過程的曲線結(jié)論：在低溫情況下，電池的放電電壓較低，尤其在放電初期同樣的放電電流下，電池電壓將出現(xiàn)一個急劇的下降，所以放電能量偏低；在放電中期，放電消耗在電池內(nèi)阻上的能量使得電池自身的溫度升高，鋰離子電池活性物質(zhì)的活性增加，電池電壓有所升高，因此可放出的能量增加；在放電后期，電池電壓降低，單位時間放出的能量隨之降低。

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鄭殿宇5.4.3鋰離子電池的電特性2.安全性

鋰離子電池在熱沖擊、過充電、過放電和短路等濫用情況下，其內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液等組分間將發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體，使得電池內(nèi)部壓力升高，積累到一定程度可能導(dǎo)致電池著火，甚至爆炸。其主要原因如下：①材料穩(wěn)定性。②制造工藝。

鄭殿宇5.4.4不同類型鋰離子電池的性能比較

按照電池采用的正極材料不同，目前應(yīng)用于電動汽車的鋰離子電池主要分三種，鈷酸鋰（三元材料）電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池，對于不同材料電池的性能比較如表所示。正極材料鈷酸鋰鎳鈷錳鋰錳酸鋰磷酸鐵鋰振實密度（g/cm3）2.8~3.02.0~2.32.2~2.41.0~1.4比表面積（m2/g）0.4~0.60.2~0.40.4~0.812~20克容量（mA·h/g）135~145140~165100~120110~140電壓（V）3.63.53.73.2循環(huán)性能（次）≥300≥800≥500≥2000原料成本很高高低廉低廉制備工藝容易比較容易比較容易制備技術(shù)不成熟環(huán)保性環(huán)保環(huán)保環(huán)保環(huán)保安全性能差較好良好優(yōu)秀高溫性能差較好差很好低溫性能好較好較好差倍率性能好好較差較差

從安全性能來說，磷酸鐵鋰電池最好，并且將來的成本空間下降也比較大，但目前的產(chǎn)品材料生產(chǎn)穩(wěn)定定能還不太好，影響電池批量的一致性，其低溫性能也比較差。錳酸鋰電池高溫性能比較差，而電動車應(yīng)用高溫是普遍存在的一個問題。鈷酸鋰電池主要是安全性問題，不適合應(yīng)用于電動車輛。5.1概述5.2動力電池基本術(shù)語5.3電動車輛對電池性能的要求5.4鋰離子動力電池5.5其他電動汽車用動力電池5.6本章小結(jié)主要內(nèi)容5.5其他電動汽車用動力電池

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除了鋰離子電池外，目前可以作為車載動力電池的電池類型很多，主要有閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLAB）、Ni-Cd電池、Ni-MH電池、Ni-Zn電池、鋅空氣電池、超級電容器、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）

在國家汽車行業(yè)頒布的《QC/T743-2006電動汽車用鋰離子蓄電池》標準中將車載動力電池按照其應(yīng)用分為兩種不同的類型：能量型電池和功率型電池。能量型電池指以高能量密度為特點，主要用于高能量輸出的蓄電池。功率型電池指以高功率密度為特點，主要用于瞬間高功率輸出、輸入的蓄電池。本節(jié)主要針對幾種比較常見的車載動力電池做了詳細的介紹。

鄭殿宇5.5.1鉛酸電池鉛酸電池俗稱電瓶，其基本單元稱為一個單體（Cell），鉛酸電池單體結(jié)構(gòu)圖如圖負極反應(yīng)：正極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

“雙極硫酸鹽化理論”鉛酸電池單體主要由正負極板，隔板，電解液，安全閥，接線端子，電池外殼等部件組成。其中，正極板為氧化鉛，負極板為海綿狀鉛。稀硫酸作為電解液，使電子在正負極板之間轉(zhuǎn)移。采用超細玻璃纖維棉作為隔板，電解液吸附在隔板中，電池內(nèi)部無流動電解液。

鄭殿宇5.5.2鎳氫電池鎳氫電池的正極材料為氫氧化鎳Ni(OH）2，負極為儲氫合金，堿性電解液多采用氫氧化鉀溶液，電池正負極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。鎳氫電池在金屬鉑的催化作用下，完成充放電可逆反應(yīng)，工作原理圖如圖正極充放電反應(yīng)：負極充放電反應(yīng)總的電池反應(yīng)

M表示金屬離子

鄭殿宇5.5.3金屬空氣電池金屬空氣電池主要由正極、負極、電解液三大部分組成。金屬空氣電池的構(gòu)成圖如圖金屬空氣電池則發(fā)揮了燃料電池的優(yōu)點，以空氣中的氧作為正極活性物質(zhì)，金屬鋅（或鋁、鋰等）作為負極活性物質(zhì)，空氣中的氧氣可源源不斷地通過氣體擴散電極到達電化學(xué)反應(yīng)界面與金屬鋅（或鋁、鋰等）反應(yīng)而放出電能。由于金屬空