動(dòng)力蓄電池及儲(chǔ)能裝置.ppt

1、第三章 動(dòng)力蓄電池及儲(chǔ)能裝置,按反應(yīng)原理分為三大類：,堿性電池以氫氧化鉀水為電解液，如堿性鋅錳電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等；,按電池的電解液種類分為四大類,酸性電池主要以硫酸水溶液為介質(zhì)，如鉛酸蓄電池；,中性電池以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池；,有機(jī)電解液電池以有機(jī)溶液為介質(zhì)，如鋰電池、鋰離子電池等。,一、電能儲(chǔ)存裝置的種類,鋅系列有鋅錳電池、鋅銀電池等；,按電池的正負(fù)極材料分為六大類,按電池特征功能分為四大類,鎳系列有鎳鎘電池、鎳氫電池等；,鋰系列有鋰離子電池、鋰錳電池、聚合物鋰電池、磷酸鐵鋰電池；,二氧化錳系列有鋅錳電池、堿錳電池等；,空氣(氧氣)系列有鋅空氣電池、鋁空氣電池等。,一次電池為不

2、可充電的原電池，若電解質(zhì)不流動(dòng)則稱干電池；,二次電池為可充電的蓄電池，是目前電動(dòng)汽車所用的主要?jiǎng)恿﹄姵兀?鉛系列電池有鉛酸電池等；,燃料電池又稱“連續(xù)電池”，將活性物質(zhì)不斷注入能連續(xù)放電的電池；,電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存裝置主要有：二次電池、超級(jí)電容器、飛輪電池、太陽(yáng)能電池和車載發(fā)電裝置等。 1 二次電池(Secondary Battery)又叫可充電電池(Rechargeable Battery) 現(xiàn)代電動(dòng)汽車最常用的二次電池有鉛酸蓄電池(Lead-acid)、鎳-氫(Ni-MH)電池、鋰離子(Lithium-ionization)電池、鎳-金屬氫化物(Ni-MH)電池和鐵電池等五類；蓄電池(St

3、orage Battery)習(xí)慣上指鉛酸蓄電池，也屬于二次電池。 2超級(jí)電容器（Super Capacitor）又叫電化學(xué)電容器 它是一種新型的、雙電層電容器，與常見(jiàn)的物理電容器不同。其特點(diǎn)是電容量大，比物理電容器的極限容量高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了103F/g以上。 3飛輪電池FWB(FlyWheel Battery)亦稱飛輪儲(chǔ)能器、高速或超高速飛輪儲(chǔ)能器 它是利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存和釋放電能的一種裝置。這種電能儲(chǔ)存裝置目前應(yīng)用得較少，但其應(yīng)用前景仍然被不少研究和開(kāi)發(fā)人員看好。,一、電能儲(chǔ)存裝置的種類,電動(dòng)汽車的電能儲(chǔ)存裝置主要有：二次電池、超級(jí)電容器、飛輪電池、太陽(yáng)能電池和車載發(fā)電裝置等。 4

4、 太陽(yáng)能電池 (solar cell）將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的器件（本課程不講授） 它是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的濕式太陽(yáng)能電池則還處于萌芽階段。 5車載發(fā)電裝置 車載發(fā)電裝置主要有風(fēng)力發(fā)電、質(zhì)子交換膜發(fā)電等。,一、電能儲(chǔ)存裝置的種類,二、電能儲(chǔ)存裝置的主要性能指標(biāo),對(duì)于EV，其電能儲(chǔ)存裝置應(yīng)具有盡可能高的比能量，以保證汽車的續(xù)駛里程; 對(duì)于HEV，其電能儲(chǔ)存裝置則應(yīng)具有盡可能高的比功率，以保證汽車的動(dòng)力性。,幾種二次電池的比能量和比功率比較,鐵電池主要用于高放電需求的產(chǎn)品，擁有比堿性電池長(zhǎng)7倍以上的使用

5、壽命，而且自放電低、儲(chǔ)藏壽命長(zhǎng)達(dá)15年，可大幅減少電池丟棄數(shù)量。此外，由于采用高能金屬元素鋰和全自然的硫化鐵元素，鉛、汞含量為零，所以它又被認(rèn)為是一款真正的綠色環(huán)保電池。 有高鐵和鋰鐵兩種，高鐵電池以合成穩(wěn)定的高鐵酸鹽（K2FeO4、BaFeO4等）為正極材料。,鐵電池,常用二次電池的的性能比較,超級(jí)電容在壽命、比功率和充、放電效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)； 鋰離子電池則在比能量和比功率方面具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力； 鉛酸蓄電池各種指標(biāo)均處于中等水平。但其突出優(yōu)點(diǎn)是成本低、可靠性高。,注：從優(yōu)到差的順序?yàn)?1基本術(shù)語(yǔ) 充電/放電：外部電源輸入直流電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存的過(guò)程/將化學(xué)能以電能釋放而向外電路輸送電流

6、； 放電容量：電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下的放電電量或有效工作時(shí)間； 短路電流：電池短路后一瞬間流過(guò)的電流，可達(dá)額定電流的數(shù)十倍。 放電率：放電率指放電時(shí)的速率，常用“時(shí)率”和“倍率”表示。 “時(shí)率”指以一定的放電電流放完額定容量所需的小時(shí)數(shù)，“倍率”指電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所輸出的電流值，數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。 “時(shí)率”和“倍率”在數(shù)值上互為倒數(shù)。 荷電狀態(tài)SOC:使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。 放電深度DOD: 指當(dāng)前放電狀態(tài)，DOD=1-SOC 活性物質(zhì)：電池放電時(shí)，能進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能的電極材料； 充電率：充電時(shí)的速

7、率，也用時(shí)率和倍率表示； 恒壓充電/恒流充電：保持充電器端電壓不變/充電電流保持不變； 極化：極化是電池由靜止?fàn)顟B(tài)(電流i=0)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)(i0)產(chǎn)生的電池電壓、電極電位的變化現(xiàn)象。 極化現(xiàn)象有陽(yáng)極極化、陰極極化、歐姆極化(電阻極化)、濃差極化和電化學(xué)極化 充電效率：指充入電池的電能與所消耗總電能的百分比。,三、二次電池的基本概念,2. 主要性能指標(biāo) 開(kāi)路電壓：電池不放電處于斷路狀態(tài)時(shí)，電池兩極之間的電位差被稱作開(kāi)路電壓。開(kāi)路電壓下降很快或低于公稱電壓值時(shí)則是不正常的； 內(nèi)阻：內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化電阻兩部分。極化電阻是電極反應(yīng)形成的，與電極反應(yīng)的本質(zhì)及電池材料有關(guān)； 工作電壓：受放電制度的

8、影響很大。放電制度是指電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電方式（連續(xù)的還是間斷的）、放電電流、放電時(shí)間、終止電壓、放電電阻、放電環(huán)境溫度的高低等。 終止電壓：電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止電壓。在低溫或大電流放電時(shí)，電極極化大，活性物質(zhì)不能得到充分利用，電池電壓下降較快，因而終止電壓低。 放電曲線：電池工作電壓隨放電時(shí)間的變化曲線。下圖為6 Ah的 Li離子電池在不同放電率下的放電曲線?？梢钥闯?，放電電流越大(時(shí)率越小)，終止電壓越低。,容量(Ah)：在一定放電制度下，電池給出的電量或有效工作時(shí)間?？煞譃槔碚撊萘?、實(shí)際容量、額定容量和標(biāo)稱容量等. 理論容量：根據(jù)蓄電池活性物

9、質(zhì)的特性，按法拉第定律計(jì)算出的最高理論值，一般用質(zhì)量容量(Ahkg)或體積容量(AhL)來(lái)表示; 實(shí)際容量：在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積; 額定容量(保證容量)：按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量，達(dá)不到此值時(shí)，可認(rèn)為該電池不合格; 標(biāo)稱容量(公稱容量)：用來(lái)鑒別電池適當(dāng)?shù)慕瓢矔r(shí)值，由于是在沒(méi)有指定的放電條件，因此，只標(biāo)明電池的容量范圍而沒(méi)有確切值； 能量(kWh)：在一定的放電條件下，電池對(duì)外做功時(shí)所能輸出的電能； 功率(kW)：在一定的放電制度下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量。電池的功率決定電動(dòng)汽車的加速性能和最高車速等; 成本： 電池

10、的成本與電池的新技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān); 壽命：指使用時(shí)間的長(zhǎng)短或充、放電循環(huán)次數(shù)，單位為年、小時(shí)或循環(huán)次數(shù)。,何時(shí)用容量來(lái)衡量？什么情況下用能量表示？,思考,蓄電池的放電方式,1）工況放電。模擬實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的相應(yīng)負(fù)載放電；2）倍率放電。蓄電池以額定電流倍數(shù)值進(jìn)行的放電；3）深度放電。50或更大容量被釋放的程度；4）恒流放電。以受控的恒定電流進(jìn)行放電；5）恒功率放電。以受控的恒定功率進(jìn)行放電。,充電效率：指充入電池的電能與所消耗總電能的百分比。,2）恒壓充電 保持充電器端電壓不變的充電法；,3）涓流充電 為補(bǔ)充自放電以保持完全充電狀態(tài)的小電流充電；,1）恒流充電 充電電流保持

11、不變的充電法；,蓄電池的充電方式,要求：以高比功率提高加速、爬坡性能；高比能量延長(zhǎng)續(xù)駛里程；并有壽命長(zhǎng)、安全可靠、免維護(hù)、成本低、效率高、污染小、使用溫度寬以及制作電池的原材料豐富等。,各類動(dòng)力儲(chǔ)能裝置的性能比較,3. 性能比較,電池能量密度和比能量的變化,汽車的續(xù)駛里程、車速等與蓄電池的放電電流、放電端電壓、效率、輸出功率等密切相關(guān)。 放電特性通?？杀硎緸? U0Ub+Ib Ri 式中： U0蓄電池的開(kāi)路端電壓(V)； Ub蓄電池放電時(shí)的端電壓(V)；Ib蓄電池的放電電流(A)；Ri蓄電池的內(nèi)阻(). 輸出功率 PbIb UbIb (U0-Ib Ri ) 效率: b(Ib Ub)(Ib U0

12、 )(U0-Ib Ri) U01-(Ib Ri) U0 蓄電池能輸出的最大功率為: PbmaxU02(4 Ri) 輸出最大功率時(shí)的放電電流為: IbmaxU0(2 Ri),電流、功率和效率的關(guān)系,放電電流Ib 與輸出功率 Pb、蓄電池的開(kāi)路端電壓U0和放電時(shí)的端電壓Ub 之間的關(guān)系如下圖所示。,初步確定蓄電池的單電池?cái)?shù)量 假設(shè)某HEV需要的最大電功率為30kW，單節(jié)電池的開(kāi)路端電壓U0=2 V，蓄電池的內(nèi)阻Ri=0.015。試計(jì)算所需電池?cái)?shù)量。 則單節(jié)蓄電池能輸出的最大功率Pbmax =22(40.015)=66.66W，所需蓄電池的單電池節(jié)數(shù)n=30000/66.66=450節(jié)。,四、 蓄電

13、池充電原理與充電器,充電方法與充電過(guò)程 1. 充電方法 蓄電池的充電可分為恒(定)流充電、恒(定)壓充電和脈沖快速充電三種不同的充電方法。 (1)恒流充電充電過(guò)程中使充電電流保持不變的充電方法 優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)性好、容易將蓄電池完全充足，并有益于延長(zhǎng)壽命。 缺點(diǎn)：充電過(guò)程中需根據(jù)逐漸升高的蓄電池電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)充電電壓，以保持充電電流不變，充電時(shí)間也較長(zhǎng)。 涓流充電：恰好能抵消電池自放電的一種充電方法，該充電速率對(duì)滿充電的電池長(zhǎng)期充電有利； 最小電流充電：能使深度放電的電池有效恢復(fù)電池容量的前提下，把充電電流盡可能地調(diào)整到最小的方法； 標(biāo)準(zhǔn)充電：采用標(biāo)準(zhǔn)速率充電，充電時(shí)間為一定值； 高速率充電：在3h內(nèi)就

14、能充滿電的方法，需要自動(dòng)控制保護(hù)電路。,(2)恒壓充電充電過(guò)程中保持充電電壓不變的充電方法 充電電流隨蓄電池電動(dòng)勢(shì)的升高而逐漸減小。充電電壓過(guò)高會(huì)造成充電初期充電電流過(guò)大和過(guò)充電，如果電壓過(guò)低則會(huì)使蓄電池充電不足。 優(yōu)點(diǎn)：充電時(shí)間短、充電過(guò)程無(wú)需調(diào)節(jié)電壓，較適合于補(bǔ)充充電； 缺點(diǎn)：不易完全充足，充電初期大電流充電對(duì)極板會(huì)有不利的影響。,(3)脈沖充電充電過(guò)程中電流、電壓不斷變化的充電方法 通常，先用脈沖電流對(duì)電池充電，然后讓電池短時(shí)間、大脈沖放電，在整個(gè)充電過(guò)程中使電池反復(fù)充、放電，達(dá)到快速充電的目的。,2. 充電過(guò)程 理想的充電過(guò)程應(yīng)分為預(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電四個(gè)階段。 前24

15、0s為預(yù)充電；其后為快速充電，電流一般在l C以上，快速充電時(shí)間由電池容量和充電速率決定；快速充電結(jié)束時(shí)電池并未充足，為了保證電池充入100的電量，還應(yīng)增加補(bǔ)足充電過(guò)程；補(bǔ)足充電的速率為0.2C左右，在補(bǔ)足充電過(guò)程中，當(dāng)電池溫度上升到超過(guò)55時(shí)，應(yīng)使充電器自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電過(guò)程。,安裝了控制器的智能充電器的充電過(guò)程,3脈沖快速充電 小電流充電，電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量能夠自然散去，溫度不致過(guò)高，且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的氣體，但充電時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法滿足HEV的使用要求。 (1)快速充電的理論基礎(chǔ) 快速充電需要研究和解決的關(guān)鍵問(wèn)題是蓄電池充電可接受電流和充電極化問(wèn)題。充電接受能力是指在電解液只產(chǎn)生微量分解析氣的前提下

16、所能夠接受的最大充電電流：I=I0e-at I表示在充電過(guò)程中某一時(shí)刻t蓄電池的充電可接受電流；I0表示開(kāi)始充電時(shí)蓄電池的充電可接受電流；a表示充電可接受電流衰減常數(shù)。 在充電的任一時(shí)間t，只要充電電流大于當(dāng)時(shí)的可接受電流，就會(huì)出現(xiàn)“過(guò)充電”的現(xiàn)象。 縮短充電時(shí)間的有效方法是使充電電流盡可能接近可接受電流。,(2)脈沖快速充電法 原理：利用蓄電池充電初期可以接受大電流的特點(diǎn)，在充電初期，采用大電流(鉛酸電池時(shí)：0.81C20)對(duì)蓄電池進(jìn)行定流充電，使蓄電池在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到60左右的容量；當(dāng)單格電池電壓達(dá)到2.4V(鉛酸電池)，電解液開(kāi)始冒氣泡時(shí)，則通過(guò)脈沖充電方法消除極化。 第一步：用0.81C

17、20電流對(duì)蓄電池進(jìn)行定流充電； 第二步：停止充電25ms左右，使歐姆極化消失，依靠擴(kuò)散作用，使?jié)獠顦O化部分消失； 第三步：放電，放電的脈寬一般為1501500s，最大幅度為1.53倍的充電電流(反向電流)，以消除電化學(xué)極化的電荷積累和極板孔隙中形成的氣體； 第四步：停止充電25ms。 優(yōu)點(diǎn)：能夠縮短充電時(shí)間(初充電不超過(guò)5h，補(bǔ)充充電只需0.51.5h)，分解析氣量小，污染小，效率高。 缺點(diǎn)：不能將蓄電池完全充足， 且對(duì)蓄電池的壽命有不利的影響。,(3)快速充電終止控制方法 常見(jiàn)的快速充電終止控制方法有定時(shí)控制、溫度控制和電壓控制等。 定時(shí)控制 根據(jù)電池的容量和充電電流，計(jì)算所需的充電時(shí)間，如

18、對(duì)鎳鎘電池而言，采用1.25C充電速率時(shí)，電池l h可充足；采用2.5C充電速率時(shí)，30min可充足。只有充電速率小于0.3C時(shí)才允許采用這種方法。,溫度控制 通常，當(dāng)電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，立即停止快速充電。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，必須對(duì)電池的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。常用的溫度控制方法有： （1）最高溫度法：當(dāng)充電過(guò)程中電池溫度達(dá)到45時(shí)，立即停止快速充電。用與電池安裝在一起的熱敏電阻檢測(cè)電池溫度。缺點(diǎn)是熱敏電阻的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，且電池的最高工作溫度與環(huán)境溫度有關(guān)； （2）溫升(T)：當(dāng)電池的溫升達(dá)到規(guī)定值后，立即停止快速充電。優(yōu)點(diǎn)是可消除環(huán)境溫度的影響；缺點(diǎn)是必須用兩只熱敏電阻； （3）溫度變化率(

19、Tt) ：電池充足電后，溫度迅速上升，而且上升速率Tt基本相同，當(dāng)電池溫度每分鐘上升1時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即終止快速充電， （4）最低溫度(Tmin)：當(dāng)電池溫度低于10時(shí)，采用大電流快速充電，會(huì)影響電池的壽命。,電壓控制 （1）最高電壓法: 在充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。缺點(diǎn)是難以精確判斷電池已充足。由于電池充足的最高電壓隨充電速率、環(huán)境溫度而變化，并且電池組中各單體電池的最高充電電壓有所區(qū)別，因此用于確定終止快速充電的時(shí)間的最高電壓值事先難以準(zhǔn)確給出。 （2）電壓負(fù)增量(U) 法:由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對(duì)電壓無(wú)關(guān)，且不受充電速率和環(huán)境溫度等的影響。因此，可以認(rèn)為

20、充電過(guò)程中電壓出現(xiàn)負(fù)增量的時(shí)刻就是電池已充足電的時(shí)刻。缺點(diǎn)是電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過(guò)充電。另外，此法對(duì)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后電池電壓才出現(xiàn)負(fù)增量的電池(如鎳氫電池)，將導(dǎo)致嚴(yán)重的過(guò)充電。 （3）電壓零增量(0U)法: 綜合控制,1、種類 直接充電器 帶過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路、電池反接保護(hù)電路等功能的自動(dòng)（智能）充電器 2、組成 降壓電路：變壓器降壓和電容降壓兩大類； 整流電路：?jiǎn)蜗虬氩ā⑷?、橋式全波整流等多種形式； 控制電路： 各種保護(hù)電路：,充電器,自動(dòng)充電器的組成框圖,電動(dòng)汽車的蓄電池充電器 1、基本功能：對(duì)市電進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換并提供直流電；供給與蓄電池額定條件相對(duì)應(yīng)的電力；當(dāng)蓄電池充滿后自動(dòng)停

21、止充電。 2、類型： 車載和非車載兩種；接觸式和感應(yīng)式 車載充電器一般設(shè)計(jì)為小充電率，充電時(shí)間長(zhǎng)（58h）。充電器和電池管理系統(tǒng)（負(fù)責(zé)監(jiān)控蓄電池的電壓、溫度和荷電狀態(tài)）均安裝在汽車上，相互之間容易利用電動(dòng)汽車的內(nèi)部線路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。 非車載充電器一般設(shè)計(jì)為大充電率，質(zhì)量和體積也較大。與電池管理系統(tǒng)在物理位置上是分開(kāi)的。,接觸式(亦稱耦合或傳導(dǎo)式)： 將一根帶插頭的交流動(dòng)力電纜線直接插到電動(dòng)汽車的插座中給電池充電。 特點(diǎn)：簡(jiǎn)單、效率高、不足主要是充電電流小，充電時(shí)間長(zhǎng)。 感應(yīng)式：通過(guò)電磁感應(yīng)耦合的方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換從而給電池充電。 特點(diǎn)：使用方便，在惡劣的氣候環(huán)境下進(jìn)行充電也無(wú)觸電的危險(xiǎn)。充電器將

22、5060Hz的普通電轉(zhuǎn)換成80300Hz的高頻電，然后將高頻交流電感應(yīng)到電動(dòng)汽車上。充電時(shí)間大大縮短。,蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 1、必要性 (1)動(dòng)力蓄電池在制造過(guò)程中，制作工藝等的差別，導(dǎo)致即使同一批次的電池，也存在著容量、端電壓等的差異； (2)蓄電池組在使用過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)單只電池?fù)p壞的情況，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種情況，將導(dǎo)致其它蓄電池的性能受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而造成蓄電池組的損壞。 2、組成：電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CPU及顯示系統(tǒng)等組成。 監(jiān)測(cè)的電池主要參數(shù)有：電壓、內(nèi)阻、電解液濃度及充電溫度等、 電壓的測(cè)量方法有電阻分壓法、繼電器開(kāi)關(guān)切換法和分布式電壓測(cè)量法等 CPU根據(jù)輸入的電池和汽車運(yùn)行

23、狀態(tài)等參數(shù)向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令及顯示有關(guān)參數(shù)；顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示電池的電壓、溫度等工作狀態(tài)參數(shù)。,五、幾種典型的二次電池,1、鉛酸蓄電池以酸性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池 鉛酸蓄電池是一種酸蓄電池，其特點(diǎn)是電極材料為鉛及其氧化物。 分類：半密封式及密封式；排氣式和非排氣式；貧液式和富液式；動(dòng)力用和起 動(dòng)機(jī)用；裝有密封氣閥的密封鉛酸電池常稱為閥控鉛酸蓄電池。 編號(hào)： 電動(dòng)道路車輛用鉛酸蓄電池GB/T 18332.1-2001的命名規(guī)則；,閥控密封式鉛酸蓄電池以“m”表示;免維護(hù)鉛酸蓄電池以“w”表示; 水平鉛酸蓄電池以“s”表示。,可以看出，放電過(guò)程中生成H2O，H2SO4的濃度會(huì)逐漸減小。因此，鉛酸

24、蓄電池的放電深度和H2SO4的濃度(電解液的密度)密切相關(guān)。故可以用比重計(jì)來(lái)測(cè)定H2SO4的密度，進(jìn)一步測(cè)量鉛酸蓄電池的放電深度。,工作原理 鉛酸蓄電池的充、放電反應(yīng)可以用下列化學(xué)方程式表示：,PbO2 + 2H2SO4 + Pb,PbSO4 + 2H2O + PbSO4,正極 負(fù)極 正極 負(fù)極,負(fù)極的鉛氧化成二價(jià)鉛離子Pb2+，釋放了兩個(gè)電子，形成了硫酸鉛PbSO4。正極上的四價(jià)鉛離子Pb4+被還原成二價(jià)鉛離子Pb2+，得到兩個(gè)電子，也轉(zhuǎn)變成硫酸鉛PbSO4,構(gòu)造,排氣閥式鉛酸蓄電池,普通鉛酸蓄電池,蓄電池容量的影響因素 極板構(gòu)造的影響：極板面積大，參與電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)多，容量大； 放電

25、電流的影響: 放電電流越大，極板孔隙內(nèi)參加電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)數(shù)量減少，從而導(dǎo)致了蓄電池容量的下降，允許的放電時(shí)間越短，（單位時(shí)間消耗的H2SO4越多，PbSO4產(chǎn)生速率越高，極板孔隙會(huì)很快被PbSO4阻塞，電解液不能及時(shí)滲透，造成孔隙內(nèi)的電解液密度急劇下降，使蓄電池端電壓很快下降至終止電壓。,電解液溫度的影響 電解液溫度低，粘度大，滲透能力下降 蓄電池的容量下降 電解液的溶解度與電離度也隨溫度降低而降低 溫度每下降1，容量下降約為1(小電流放電)或2(大電流放電)； t=035范圍時(shí)，可以將t下的實(shí)際放電容量Ct折算成25時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)容量C25，即C25=Ct/1+ k(t-25) 式中：k-溫

26、度補(bǔ)償系數(shù)，10h、5h、3h和1h放電時(shí)，k的取值依次為0.006/、0.007/、0.008/和0.01/。,可見(jiàn)：電池的熱管理極為重要！,電解液密度的影響 密度過(guò)低時(shí)會(huì)因?yàn)殡x子數(shù)量少而導(dǎo)致容量下降；密度過(guò)高則又會(huì)因?yàn)槠湔扯仍龃?、滲透能力降低、內(nèi)阻增大、極板容易硫化而導(dǎo)致容量下降。因此，容量的最大值對(duì)應(yīng)某一電解液密度。,對(duì)于起動(dòng)型蓄電池，在防止冬季使用時(shí)電解液結(jié)冰的前提下，盡可能采用偏低密度的電解液,鉛酸蓄電池的特性及充、放電特性,測(cè)定電解液的濃度來(lái)了解鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)與開(kāi)路電壓 鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池恒電流放電特性,蓄電池的放電電壓還與放電電流密切相關(guān)，大電流放電時(shí)蓄電池的端電

27、壓下降明顯。平緩部分縮短(圖中BC段)，曲線的斜率也很大，放電時(shí)間縮短。,測(cè)定電解液的濃度來(lái)了解鉛酸蓄電池的電動(dòng)勢(shì)與開(kāi)路電壓 鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池恒電流放電特性,充電曲線,放電曲線,鉛酸蓄電池的性能指標(biāo),以10C3放電電流放電時(shí),其容量為50%,以C3放電電流放電時(shí),容量可達(dá)95%以上； 比能量隨比功率的增加而減少； 放電深度超過(guò)50%，輸出功率明顯下降。放電深度越深，需要的輸入功率越大。,危害 鉛毒 鉛酸電池工廠的鉛塵 對(duì)人體的毒害 酸霧 銻和砷、鎘,鋰電池,負(fù)極用金屬鋰作活性物質(zhì)均為鋰電池，包括鋰原電池和二次鋰電池。,二次鋰電池分類,我國(guó)發(fā)展鋰電池有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢(shì)，鋰的儲(chǔ)存量

28、約一半在中國(guó)， 如青海、西藏等地蘊(yùn)藏著豐富的鋰，特別在一些鹽湖，儲(chǔ)存的大量鋰 通過(guò)蒸干等方法就能得到碳酸鋰，再經(jīng)提純后就可作鋰離子電池原料。,鋰電極電位最負(fù)為-3.045V，使以鋰為負(fù)極的電池有比能量大、放電 電壓平穩(wěn)、電壓高、工作溫度范圍寬(4050)以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 為最具發(fā)展?jié)摿Φ能囉脛?dòng)力電池；,按溫度分為高溫和常溫兩類鋰二次電池。,按電解質(zhì)狀態(tài)分為液體鋰、凝膠鋰和全固態(tài)鋰三類二次鋰電池。,按電極材料分為液態(tài)鋰離子電池、鋰-聚合物電池和磷酸鐵鋰電池。,五、幾種典型的二次電池,負(fù)極為石墨、乙炔黑、微珠碳、碳纖維、裂解聚合物和裂解碳等鋰碳化合物；,（1）液態(tài)鋰離子電池（電解質(zhì)為液態(tài)）,正極

29、為鈷酸鋰，由于鈷資源稀缺，也有用鎳酸鋰或錳酸鋰來(lái)取代；,電解質(zhì)為有機(jī)溶劑中溶有電解質(zhì)鋰鹽的離子型導(dǎo)體。,充放電的原理特點(diǎn)是以脫嵌可逆反應(yīng)替代一般電池的氧化-還原反應(yīng)： 鋰離子如同搖椅在正、負(fù)極間來(lái)回嵌入和脫出，所稱“搖椅式電池”。,如圖以正極為鈷酸鋰(LiCoO2)，負(fù)極用碳化鋰(C6Li)為例： 充電時(shí)Li+從正極脫出，經(jīng)電解質(zhì)嵌入負(fù)極碳層間； 放電時(shí)Li+從負(fù)極脫出，經(jīng)電解質(zhì)再嵌回正極。,充放電時(shí)正、負(fù)極脫嵌反應(yīng)方程式：,與前述鋰離子電池的主要區(qū)別：鋰離子電池為液體電解質(zhì)；聚合物鋰離子電池采用呈“干態(tài)”或“膠態(tài)”的柔性固態(tài)聚合物電解質(zhì)。,（2）聚合物鋰離子蓄電池,鋰聚合物單體電池結(jié)構(gòu)較特殊

30、:由總厚度僅為0.1mm的五個(gè)薄層疊加組成，它們分別為用金屬箔作集電極、負(fù)極、膠體電解質(zhì)；用鋰箔作正極、絕緣層。所具有小型化、超薄化、輕量化、比能量高、安全性好、自放電小、外形可按需定制、適用溫度范圍寬等優(yōu)勢(shì)，是較理想的動(dòng)力蓄電池。,特點(diǎn):正極為磷酸鐵鋰LiFePO4。,（3）磷酸鐵鋰電池,正極由鋁箔連接橄欖石形LiFePO4；,聚合物隔膜將正、負(fù)極隔開(kāi)，它可被鋰離子通過(guò)，而電子不能通過(guò)；,負(fù)極由銅箔將碳(石墨)相連組成。,充電時(shí)Li+從正極經(jīng)隔膜移向負(fù)極；放電時(shí)Li+從負(fù)極經(jīng)隔膜移向正極。,優(yōu)點(diǎn):安全、環(huán)保、材料易得、壽命長(zhǎng)、充放電與溫度特性好。,缺點(diǎn):振實(shí)密度低使得體積較大。,液態(tài)鋰離子電

31、池的主要優(yōu)點(diǎn) (1)能量密度高，為同等容量的i-d或i-電池的1.5倍； (2)電壓高，端電壓3.7，為i-d或i-電池電壓的倍； (3)無(wú)污染，環(huán)保； (4)循環(huán)壽命長(zhǎng)，壽命超過(guò)1000次； (5)負(fù)載特性好，可以大電流連續(xù)放電，適合于動(dòng)力電源； (6)安全性好。,聚合物鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn) (1)具有液態(tài)鋰離子電池的優(yōu)良性能； (2)容易裝配，可制成任意形狀和尺寸的電池； (3)電池很輕、很薄，可制成厚度僅lmm的極薄電池，一只12V的電池組可以只有3mm; (4)不存在游離電解質(zhì)，電池可以在低壓下工作,消除了漏液?jiǎn)栴}； (5)電池結(jié)構(gòu)可大大簡(jiǎn)化，不需要金屬外殼和高壓排氣裝置，不會(huì)產(chǎn)生燃燒

32、爆炸等安全問(wèn)題； (6)可以簡(jiǎn)化甚至取消充電保護(hù)裝置； (7) 不會(huì)發(fā)生液體電液泄露現(xiàn)象，外殼可采用鋁塑復(fù)合薄膜制造，提高比容量。質(zhì)量比能量比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50以上； (8) 在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高。,優(yōu)點(diǎn),聚合物鋰離子電池的性能,動(dòng)力鋰電池規(guī)格表,鋰離子電池充電特性 用標(biāo)準(zhǔn)充電電流充電2.5h，當(dāng)單體電池電壓上限達(dá)到4.5V后，改用恒壓充電。在整個(gè)充電過(guò)程中，電池的溫度約升高2； 這種鋰離子電池的壽命可以達(dá)到1000次循環(huán)。,鋰離子電池放電特性 不同放電倍率下放電，電池的容量和能量隨放電倍率的增加而降低。 在1C放電倍率下放電時(shí)，相當(dāng)于1/3C放

33、電倍率下放電時(shí)的95%的負(fù)荷特性； 在2C放電倍率下放電時(shí)，相當(dāng)于1/3C放電倍率下放電時(shí)的88%的負(fù)荷特性； 在3C放電倍率下放電時(shí)，相當(dāng)于1/3C放電倍率下放電時(shí)的70%的負(fù)荷特性。 電池的內(nèi)阻隨放電倍率的增加而增加。,鋰離子電池的充電特性,鋰離子電池在不同放電倍率下放電特性,鋰離子電池主要問(wèn)題 快速充、放電的性能較差，需要進(jìn)一步解決對(duì)其充放電過(guò)程的控制和配備專用的充電器； 對(duì)于大容量鋰離子電池組，還需要解決電池組的可靠性和各個(gè)單體電池之間的一致性； 鈷系鋰離子電池在過(guò)充電狀態(tài)時(shí)會(huì)引起電池爆炸，需要用安全閥以防止電解液受高溫氣化后產(chǎn)生的壓力升高；安裝自動(dòng)溫度調(diào)控裝置，進(jìn)行過(guò)充、放電的保護(hù)。

34、 鋰的制取困難，管理和使用復(fù)雜，要求有嚴(yán)格的安全措施，需要配備電子保護(hù)電路、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，使得其附屬裝置更復(fù)雜，也增加了電池組的成本。,三菱汽車公司開(kāi)發(fā)EV用鋰離子單蓄電池和HEV用鋰離子蓄電池總成的技術(shù)指標(biāo)。 特點(diǎn)是比功率高，非常適合HEV對(duì)蓄電池的要求。該電池已被用于三菱汽車公司開(kāi)發(fā)EV和HEV上。,EV用 LEV95P 單電池的技術(shù)指標(biāo),HEV用LEC33 鋰離子單電池的主要性能指標(biāo),鋰離子電池的特點(diǎn)是能量密度高、質(zhì)量輕。其能量密度約為鉛酸電池的3倍，鎳系電池的1.52倍。采用鋰離子電池由于自重減輕，續(xù)駛里程可以達(dá)到200km以上，單節(jié)電池的放電特性如下圖所示。,鋰離子蓄電

35、池的命名規(guī)則 GBZ 18333.1-2001對(duì)電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池的規(guī)定,鋰離子蓄電池的額定容量用C3表示，即在205條件下，以1I3(A) (I3= C3/3)電流放電達(dá)到放電終止電壓(最低為2.52V)蓄電池所輸出的電量。 命名規(guī)則為：用I代表了鋰離子蓄電池，C代表了氧化鈷鋰正極，N代表了氧化鎳鋰正極，M代表了氧化錳鋰正極，P代表了方形單體電池，R代表了圓柱形單體電池,3、飛輪電池 飛輪電池FWB（Flywheel Batteries）的概念 定義：利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)存和釋放能量的一種裝置； 特點(diǎn)：質(zhì)量輕（僅幾十公斤），轉(zhuǎn)速高（達(dá)每分幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)）； 材料：輕質(zhì)復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，磁懸浮軸承

36、，高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料等。 要求： 具有能夠承受超高速運(yùn)行的高強(qiáng)度飛輪； 具有能夠?qū)㈦娔芎蜋C(jī)械能進(jìn)行高效雙向轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)和功率變換器； 與傳統(tǒng)質(zhì)量飛輪相比，飛輪質(zhì)量輕而轉(zhuǎn)速極高,五、幾種典型的二次電池,飛輪電池在電動(dòng)汽車上的功用 FWB既可作為獨(dú)立的動(dòng)力源直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛，也可作為輔助動(dòng)力源，作用有二： 穩(wěn)定主動(dòng)力源的功率輸出，即在電動(dòng)車輛起動(dòng)、爬坡和加速時(shí)，快速、大能量地提供動(dòng)力(放電)，減少主動(dòng)力源的動(dòng)力輸出； 提高制動(dòng)能量回收效率, 即在電動(dòng)車輛下坡、滑行和制動(dòng)時(shí)，F(xiàn)WB能夠快速、大能量地儲(chǔ)存動(dòng)能(充電)，充電速度不受“活性物質(zhì)”化學(xué)反應(yīng)速度的影響，再生制動(dòng)時(shí)能量回收的效率大大提高。,飛

37、輪電池的特點(diǎn) 比能量高、比功率大、電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化效率高，能快速充電、可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)和具有良好的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。作為輔助能量源有以下特點(diǎn): 減弱了對(duì)電池比能量和比功率要求，有利于優(yōu)化電池的能量密度和循環(huán)壽命設(shè)計(jì)； 降低電池的輸出功率和放電電流，提高電池的可利用能量和使用壽命； (由于飛輪的負(fù)載均衡作用); 車輛低功率行駛以及制動(dòng)時(shí)，飛輪可以高效率地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充充電和制動(dòng)時(shí)的能量回收，使車輛的續(xù)駛里程明顯提高。,飛輪電池的工作原理 飛輪電池是利用轉(zhuǎn)速不同時(shí)，飛輪動(dòng)能不同這一原理工作的。 飛輪動(dòng)能與其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和飛輪角速度的關(guān)系式為 :,E=J2/2,提高飛輪儲(chǔ)存能量的途徑： 增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J（措施：

38、增大飛輪直徑和質(zhì)量，但導(dǎo)致汽車的自重增加）； 提高角速度（更有效）：在密封的真空外殼中，高速飛輪的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到200000rpm以上，但實(shí)際采用的最高轉(zhuǎn)速約為50000rpm左右；, 質(zhì)量和轉(zhuǎn)速的增加受材料的極限強(qiáng)度和飛輪安全性的限制,飛輪比能量的計(jì)算公式為: e=2.72K/ 式中：e為飛輪單位質(zhì)量的蓄能， K為飛輪形狀系數(shù)，為材料的密度，為材料的許用應(yīng)力 作用在飛輪上的最大應(yīng)力與飛輪的幾何形狀、密度和工作轉(zhuǎn)速有關(guān)，最佳設(shè)計(jì)是選用比值高的材料作飛輪轉(zhuǎn)子。,超高速飛輪轉(zhuǎn)子復(fù)合材料特性參數(shù),飛輪電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組成: 主要由飛輪(復(fù)合轉(zhuǎn)子)、永磁電動(dòng)發(fā)電機(jī)、固定軸、旋轉(zhuǎn)軸、軸承、真空室等。飛輪的常見(jiàn)

39、形狀如圖所示。一種是飛輪的厚度隨半徑的增加而減小，另一種則與此相反，飛輪的厚度隨半徑的增加而增加。,支撐方式：機(jī)械、超導(dǎo)磁懸浮、電磁懸浮、永磁懸浮等多種支承方式，也有采用組合方式的。,飛輪電池中的內(nèi)置電機(jī)，既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)，通常稱之為電動(dòng)發(fā)電機(jī)總成。常用的電機(jī)有永磁無(wú)刷電機(jī)、三相無(wú)刷直流電機(jī)、磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)等.,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還包括真空腔、外殼和控制系統(tǒng)等.,開(kāi)發(fā)實(shí)例(本田汽車公司開(kāi)發(fā)的飛輪電池) 主要由飛輪、真空室、電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制單元、旋轉(zhuǎn)軸、高速軸承、充電、放電系統(tǒng)等組成。為了獲得真空室所需的真空，真空室采用了鋁制盒和“O”形圈，可維持10Pa以下的壓力一年以上。 驅(qū)動(dòng)控制單

40、元的作用是控制電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。在輸入電能時(shí)，可將交流電轉(zhuǎn)換成直流，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；而在輸出電能時(shí)則將直流變成交流，并且具有調(diào)頻、整流、恒壓等功能。,飛輪形狀: 由內(nèi)、中、外三圈組成。內(nèi)圈為A7075-T16鋁材，中間為高強(qiáng)度碳纖維CFRP(T300)材料、外圈為高彈性的CFRP(M40J)材料。內(nèi)圈直徑為180mm，外圈直徑為270mm。常用轉(zhuǎn)速2500050000r/min，安全轉(zhuǎn)速70000r/min，外形尺寸為270mm130mm，F(xiàn)WB系統(tǒng)質(zhì)量49.4kg，最大能量323Wh。效率: 隨SOC(蓄電量)的變化。小功率時(shí)效率較低，大功率時(shí)效率較高，其效率在90%以上。,

41、存在問(wèn)題 車輛轉(zhuǎn)彎或產(chǎn)生顛簸偏離直線行駛時(shí)，飛輪將會(huì)產(chǎn)生陀螺力矩，陀螺力矩將嚴(yán)重影響車輛的操縱性能； 若飛輪出現(xiàn)故障，存儲(chǔ)在飛輪中的能量就會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，對(duì)車輛會(huì)產(chǎn)生巨大破壞。 例如,若1kWh的飛輪失效，在15s內(nèi)將產(chǎn)生7203600kW的功率輸出，因此故障抑制一直是超高速飛輪用于電動(dòng)汽車面臨的巨大障礙。,減小陀螺力矩的措施: 使用多個(gè)小型飛輪，并把它們連接成組，一半以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一半以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。理論上，作用在電動(dòng)汽車上的總陀螺力矩為零。同樣，采用多個(gè)小型的飛輪模塊也可減小超高速飛輪失效時(shí)對(duì)車輛造成的破壞程度，但也面臨可能出現(xiàn)的比能量和比功率減小的問(wèn)題。 目前，出現(xiàn)了一種新型的故障

42、抑制措施，該措施采用增大飛輪轉(zhuǎn)子邊緣的厚度，而不是按照等應(yīng)力設(shè)計(jì)原則減小飛輪的邊緣厚度，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障時(shí)，轉(zhuǎn)子邊緣較厚的部分就會(huì)首先脫落，起到保險(xiǎn)絲的作用。,4、超級(jí)電容器 電容器儲(chǔ)存電荷的容器。 超級(jí)電容器(super capacitor) 是一種新型的電容器，它的出現(xiàn)使得電容器的極限容量上升了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了103F/g以上的大容量。 優(yōu)點(diǎn)：不存在對(duì)環(huán)境的污染、無(wú)噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，在極短時(shí)間內(nèi)即可完成電容器充電；比功率高(可達(dá)到1kW/kg)；循環(huán)壽命長(zhǎng)(萬(wàn)次以上，使用年限超過(guò)5年)。,五、幾種典型的二次電池,HEV啟動(dòng)和停車頻繁，導(dǎo)致電能儲(chǔ)存裝置

43、的放電過(guò)程變化很大。 正常行駛時(shí)，使用的電功率相當(dāng)?shù)停诩铀俸团榔聲r(shí)需要的峰值功率又相當(dāng)高。因此，HEV非常重視儲(chǔ)能裝備的比功率和壽命問(wèn)題。超級(jí)電容器的特點(diǎn)恰巧是比功率高和循環(huán)壽命長(zhǎng)。,下圖為某燃料電池HEV使用超級(jí)電容器的一個(gè)實(shí)例。 超級(jí)電容器僅在啟動(dòng)的瞬間作為汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要?jiǎng)恿υ?，而在其它條件下僅為輔助動(dòng)力源。在全負(fù)荷加速時(shí)，充當(dāng)?shù)氖禽o助動(dòng)力源的角色；在正常行駛或減速、制動(dòng)時(shí)充當(dāng)?shù)氖莾?chǔ)存能量的角色。,超級(jí)電容器的主要性能指標(biāo),5、石墨烯電池 利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出的一種新能源電池。 突出優(yōu)勢(shì)：把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。 石墨烯電池實(shí)

44、現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。 如：美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可在數(shù)秒內(nèi)為汽車充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。,五、幾種典型的二次電池,西班牙Graphenano公司(以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 實(shí)際運(yùn)行中，電池的充電和放電所引起的溫度不均衡是導(dǎo)致電池組失效的主要原因之一。因此，包含熱管理單元的電池管理系統(tǒng)是決定電動(dòng)汽車電池商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。 充

45、放電過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)都是在特定的溫度范圍內(nèi)才能夠發(fā)生。一般地，電池使用的最佳溫度為1050，并能在此溫度范圍內(nèi)獲得性能和壽命的最佳平衡。 化學(xué)反應(yīng)伴隨著熱效應(yīng)，則電池的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)溫度并不等于環(huán)境溫度。 無(wú)論是電池內(nèi)部各部分之間的電化學(xué)阻力還是電子傳導(dǎo)阻力(電阻)，它們?cè)陔娏魍ㄟ^(guò)時(shí)(充電、放電)都會(huì)放出熱量； 當(dāng)電池用作驅(qū)動(dòng)時(shí)，放電電流很大(10C和20C的電流，相當(dāng)于上百或幾百安培),很小的電池內(nèi)阻就可能引起很大的熱量放出。,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 溫度會(huì)影響電池的如下性能： 電化學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行； 充放電效率； 電池可充性； 容量和功率； 電池的可靠性和安全性； 電池的壽命和循環(huán)成本。,電池?zé)峁芾硐?/p>

46、統(tǒng) 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是保證電池組工作在適宜溫度范圍的整套系統(tǒng)，主要包括電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測(cè)設(shè)備/管理系統(tǒng)、冷卻或加熱系統(tǒng)等。其主要功能包括以下4個(gè)方面： （1）使電池始終工作在適宜的溫度下； （2）降低電池單體中溫度分布不均，避免電池間不平衡而降低性能； （3）消除與失控溫度有關(guān)的潛在危險(xiǎn)； （4）提供通風(fēng)，保證電池所產(chǎn)生的潛在有毒氣體能及時(shí)排出，從而保證電池能夠安全運(yùn)行。 因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括對(duì)電池的冷卻和加熱，而冷卻則更是必需的環(huán)節(jié)。,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 強(qiáng)制空氣冷卻、液體冷卻兩種方法。已經(jīng)被證明是有效的，也得到了廣泛的研究開(kāi)發(fā)。主要組成包括：風(fēng)機(jī)、泵、換熱器、加熱器、管線以及其它附件等，

47、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但成本較低。 缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜，且占用空間大；電池放電產(chǎn)生的熱量未能回收，甚至在寒冷地區(qū)啟動(dòng)車輛時(shí)還需要加熱電池，不利于能量的合理利用。 如，豐田公司的Prius采用比較復(fù)雜的空氣冷卻熱管理系統(tǒng)，其控制策略是抑制熱問(wèn)題對(duì)電池的損害，利用了Ni2MH電池約為40%的能量。主要原因是在較低的DOD情況下，電池產(chǎn)生的熱量小，電池的壽命能夠得到一定程度的提高。即以犧牲電池容量和功率的代價(jià)來(lái)控制電池內(nèi)部的溫度升高，換取較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 電池箱 合理的電池箱設(shè)計(jì)是保證電池在合適溫度范圍工作的前提。 電池的封裝通常采用三層結(jié)構(gòu)，電池艙、電池箱和電池單體。,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 傳熱模型,電

48、池?zé)峁芾硐到y(tǒng),熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)：電池模塊的產(chǎn)熱速率及電池的熱容量等相關(guān)參數(shù)。 1. 產(chǎn)熱速率：電池生熱的主要來(lái)源，一是充放電過(guò)程中電流流過(guò)的歐姆內(nèi)阻(Q=I2R)；二是充放電過(guò)程的熱力學(xué)焓的變化。 影響因素：電池的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)；荷電的初始狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)；電池的初始溫度；充、放電速率及模式。 測(cè)量方法：通過(guò)量熱裝置，或一種電化學(xué)量-熱聯(lián)合裝置在電池充電、放電過(guò)程中進(jìn)行熱測(cè)量。 V=Q/t 能量效率=(1-電池產(chǎn)生的熱/輸入或輸出的電能)100%,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),搜集整理了幾種電池在一定溫度和特定放電模式下的平均產(chǎn)熱速率。其中VRLA電池和NiZn電池是從100%荷電態(tài)放電到0%荷電態(tài)，而鋰離

49、子電池則是從80%荷電態(tài)放電到50%荷電態(tài)。,電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)：電池模塊的產(chǎn)熱速率及電池的熱容量等相關(guān)參數(shù)。 2.電池的熱容量 熱容量是指加熱或冷卻1kg電池物質(zhì)使其升高或降低1所需要的能量，單位為J/kg/。根據(jù)量熱方法可獲得電池模塊由初始溫度T1變化到終態(tài)溫度T2所失去或獲得的熱量Q，則電池的熱容量為： Cp=Q/m(T1-T2) 這里m為電池模塊的總質(zhì)量，kg。,電池加熱系統(tǒng) 利用水暖式加熱器的循環(huán)水路。每個(gè)電池艙的外壁緊貼一個(gè)內(nèi)部有循環(huán)水套的散熱器。散熱器內(nèi)部有獨(dú)立的風(fēng)機(jī)，散熱器進(jìn)風(fēng)口與電池艙上部相通，排風(fēng)口與電池艙底部相通。散熱器工作時(shí)，首先來(lái)自水暖式加熱器主回路的

50、熱水流過(guò)散熱器內(nèi)部的散熱芯子，同時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)將電池艙上部的冷空氣引入散熱器內(nèi)部加熱后再排入電池艙的底部。之后，電池箱將熱空氣吸入箱內(nèi)對(duì)電池加熱。流經(jīng)電池單體后溫度降低的空氣從電池箱頂部排入電池艙，再次被散熱器風(fēng)機(jī)吸入，循環(huán)加熱,電池?zé)峁芾聿呗?工作模式分為三種：冷卻模式、工作加熱模式和不工作加熱模式 冷卻模式：散熱器不工作，電池箱頂部風(fēng)扇低速持續(xù)工作。 整車每運(yùn)行10分鐘，電池艙空調(diào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行一分鐘，電池艙橫流風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行1分鐘； 當(dāng)電池艙內(nèi)環(huán)境溫度超過(guò)30，且超過(guò)乘客艙內(nèi)溫度5 以上時(shí)，電池艙空調(diào)風(fēng)機(jī)與橫流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制運(yùn)行，電池箱頂部風(fēng)扇處于高速持續(xù)工作狀態(tài)； 當(dāng)某電池單體溫度超過(guò)50 度時(shí)，電池艙空調(diào)風(fēng)機(jī)與橫流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制運(yùn)行，電池箱頂部風(fēng)扇處于高速持續(xù)工作狀態(tài)，并報(bào)警； 當(dāng)某電池單體溫度超過(guò)55 時(shí)，報(bào)警并切斷電源，車輛停止運(yùn)行。,電池?zé)峁芾聿呗?工作加熱模式：電池箱頂部風(fēng)扇處于低速持續(xù)工作狀態(tài) 整車每運(yùn)行10分鐘，電池艙空調(diào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行1分鐘，電池艙橫流風(fēng)機(jī)同