第3章 电动汽车储能装置

规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 第 3章 电动汽车储能装置 3.1 概述 3.2蓄电池 3.3燃料电池 3.4 超级电容器 3.5飞轮电池 第 1 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1 概述 3.1.1 电池的类型 3.1.2 电池的性能指标 3.1.3 电动汽车对动力蓄电池的要求 第 2 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.1 电池的类型 电池分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。 1．化学电池 化学电池是利用物质的化学反应发电，按工作性质分为原 电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。 原电池是指电池放电后不能用简单的充电方法使活性物质 复原而继续使用的电池。蓄电池是指电池在放电后可以通过充 电的方法使活性物质复原而继续使用的电池，这种充放电可以 达数十次到上千次循环。燃料电池又称连续电池，是指参加反 应的活性物质从电池外部连续不断地输入电池，电池就连续不 断地工作而提供电能。储备电池是指电池正负极与电解质在储 存期间不直接接触，使用前注入电解液或者使用其它方法使电 解液与正负极接触，此后电池进入待放电状态。 第 3 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.1 电池的类型 化学电池按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、 有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。 化学电池按电池的特性分为高容量电池、密封电池、高功 率电池、免维护电池、防爆电池等。 化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉镍氢系列 、铅酸系列、锂电池系列等。 第 4 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.1 电池的类型 2．物理电池 物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池 ，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。 3．生物电池 生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池 、酶电池、生物太阳电池等。 迄今已经实用化的车用动力蓄电池有传统的铅酸蓄电池、 镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。在物理电池领域中，超级 电容器也应用于电动汽车中。生物燃料电池在车用动力中应用 前景也十分广阔，以氢为燃料的燃料电池和氧化物燃料电池的 研发已进入重要发展阶段。 第 5 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、 输出效率、自放电率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性 能指标也有差异。 1．电压 电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和 放电终止电压等。 电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差；开路电 压是指电池在没有负载情况下的端电压；额定电压是电池在标 准规定条件下工作时应达到的电压；蓄电池充足电时，极板上 的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会 上升，此时的电压称为充电终止电压；放电终止电压是指电池 放电时允许的最低电压。 第 6 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、 输出效率、自放电率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性 能指标也有差异。 1．电压 电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和 放电终止电压等。 电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差；开路电 压是指电池在没有负载情况下的端电压；额定电压是电池在标 准规定条件下工作时应达到的电压；蓄电池充足电时，极板上 的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会 上升，此时的电压称为充电终止电压；放电终止电压是指电池 放电时允许的最低电压。 第 7 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 2．容量 电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量 。常用单位为安培小时，它等于放电电流与放电时间的乘积。 电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额 定容量等。 理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的 最高理论值。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量 ，它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah，其值小于 理论容量。标称容量是用来鉴别电池的近似安时值。额定容量 也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电流在 一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。 第 8 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 3．内阻 电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。充电 电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的 结果。一般所知的电池内阻是充电态内阻，即指电池充满电时 的内阻（与之对应的是放电态内阻，指电池充分放电后的内阻 。一般说来，放电态内阻比充电态内阻大，并且不太稳定）。 电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效率 越低。内阻很大的电池在充电时发热很厉害，使电池的温度急 剧上升，对电池和充电器的影响都很大。随着电池使用次数的 增多，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，电 池的内阻会有不同程度的升高。 第 9 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 4．能量 电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能 ，单位是 Wh或 kWh。它影响电动汽车的行驶距离。能量分为 理论能量、实际能量、比能量和能量密度。 理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标 准所规定的放电条件下，电池所输出的能量；实际能量是电池 实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能 输出的能量；比能量也称质量比能量，是指电池单位质量所能 输出的电能，单位是 Wh/kg，常用比能量来比较不同的电池系 统；能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的 电能，单位是 Wh/L。 第 10 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 5．功率 电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输 出能量的大小，单位为 W或 kW。电池的功率决定了电动汽车 的加速性能和爬坡能力。功率分为比功率和功率密度。 比功率是指单位质量电池所能输出的功率，也称质量比功 率，单位为 W/kg或 kW/kg； 功率密度是指单位体积电池所能 输出的功率称为功率密度，也称体积比功率，单位为 W/L或 kW/L。 第 11 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 6．输出效率 动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储 存起来，放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过 程中，有一定的能量损耗。通常用电池的容量效率和能量效率 来表示。 容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量 之比；能量效率是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能 量之比。 第 12 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 7．自放电率 自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负 荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间容量降 低的百分数表示。 第 13 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 8．放电倍率 电池放电电流的大小常用 “放电倍率 ”表示，即电池的放电 倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所 需的小时数来表示，由此可见，放电时间越短，即放电倍率越 高，则放电电流越大。 放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的 大小，可分为低倍率（ 7.0C）。 第 14 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.2 电池的性能指标 9．使用寿命 使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发 生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电 池使用失效，这时电池的使用寿命终止。 电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指 电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电 池可供重复使用的次数。 除此之外，成本也是一个重要的指标，电动汽车发展的瓶 颈之一就是电池价格高。 第 15 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.3电动汽车对动力电池的要求 1 比能量高。为了提高电动汽车的续驶里程，要求电动汽 车上的动力电池尽可能储存多的能量，但电动汽车又不能太重 ，其安装电池的空间也有限，这就要求电池具有高的比能量。 2 比功率大。为了能使电动汽车在加速行驶、爬坡能力和 负载行驶等方面能与燃油汽车相竞争，就要求电池具有高的比 功率。 3 充放电效率高。电池中能量的循环必须经过充电 放电 充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要 的作用。 第 16 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.1.3电动汽车对动力电池的要求 4 相对稳定性好。电池应当在快速充放电和充放电过程变 工况的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件 下能达到足够的充放电循环次数。 5 使用成本低。除了降低电池的初始购买成本外，还要提 高电池的使用寿命以延长其更换周期。 6 安全性好。电池应不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等 事故时，不会对乘员造成伤害。 第 17 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2蓄电池 3.2.1 铅酸蓄电池 3.2.2 镍氢电池 3.2.3 镍镉电池 3.2.4 锂离子电池 3.2.5 锌镍电池 3.2.6 空气电池 3.2.7 蓄电池的充电方法 3.2.8 蓄电池的性能测试 第 18 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.1 铅酸蓄电池 1．铅酸蓄电池的分类 铅酸蓄电池分免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。 免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量 非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它具有耐震、 耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通铅酸 蓄电池的两倍。 阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池 为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有溢气 阀 也叫安全阀 ，该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值 ，即当电池内部气压升高到一定值时，溢气阀自动打开，排出 气体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。 第 19 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.1 铅酸蓄电池 2．铅酸蓄电池的结构 铅酸蓄电池的基本结构如图所示。它由正负极板、隔板、电 解液、溢气阀、外壳等部分组成。 第 20 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.1 铅酸蓄电池 3．铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在 使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为 化学能而储蓄起来，这种蓄电过程叫做充电。 铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为 第 21 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池具有以下优点 1 除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压 最高，为 2.0V； 2 价格低廉； 3 可制成小至 lAh大至几千 Ah的各种尺寸和结构的蓄电池 ； 4 高倍率放电性能良好，可用于引擎启动； 5 高低温性能良好，可在 -4060℃ 条件下工作； 6 电能效率高达 60； 7 易于浮充使用，没有 “记忆 ”效应； 8 易于识别荷电状态。 第 22 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池具有以下缺点 1 比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次 充电行驶里程短； 2 使用寿命短，使用成本高； 3 充电时间长； 4 铅是重金属，存在污染。 第 23 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.2 镍氢电池 镍氢 电池 是 90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性 物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成，是一 种碱性蓄电池。 镍氢 电池 具有高比能量、高功率、适合大电流 放电、可循环充放电、无污染，被誉为 “绿色电源 ”。 1．镍氢电池的分类 按照外形，镍氢电池方形镍氢电池和圆形镍氢电池 第 24 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.2 镍氢电池 2．镍氢电池的结构 镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。 镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢 氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体 电池。在金属铂催化作用下，完成充电和放电可逆反应。 镍氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍氢 电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于 0.9V，工 作电压也不太稳定，为避免发泡镍氢电池老化所造成的内阻增 高，镍氢电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的烧结体极 板的镍氢电池，其烧结体极板本身就是活性物质，不需要进行 活性处理，也不需要进行预充电，电压平衡、稳定，具有低温 放电性能好、不易老化和寿命长的优点。 第 25 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.2 镍氢电池 3.镍氢电池的工作原理 镍氢电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的 一种装置。镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以 及碱性电解液 比如 30的氢氧化钾溶液 组成。密封一次镍氢电 池的性能特点主要取决于本身体系的电极反应。 当镍氢电池以标准电流放电时，平均工作电压为 1.2V。当电 池以 8C率放电时，端电压降至 1.1V时，则认为放电已完。电压 1.1V称为 8C率放电时的放电终止电压 0.6V0.8V。 第 26 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.2 镍氢电池 4.镍氢电池的特点 镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用 性等许多优异特性。与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量 高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点。 1 比功率高。目前商业化的镍氢功率型电池能做到 1350W/kg。 2 循环次数多。目前应用在电动车上的镍氢动力电池， 80 放电深度 DOD循环可以达 1000次以上，为铅酸蓄电池的 3倍以 上， 100DOD循环寿命也在 500次以上，在混合动力汽车中可 使用 5年以上。 3 无污染。镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属，为 21 世纪 “绿色环保电源 ”。 第 27 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.2 镍氢电池 4 耐过充过放。 5 无记忆效应。 6 使用温度范围宽。正常使用温度范围 -3055℃ ；贮存温度 范围 -4070℃ 。 7 安全可靠。短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、 加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。 镍氢电池的基本单元是单体电池，单体电压为 1.2V，按使用 要求组合成不同电压和不同电荷量的镍氢电池总成。 第 28 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.3 镍镉电池 镍镉电池是一种碱性蓄电池，比能量可达 55Wh/kg，比功率 超过 190W/kg，可快速充电，循环使用寿命较长，可达到 2000 多次。使用中要注意做好回收工作，以免重金属镉造成环境污 染。 1．镍镉电池的结构 镉镍电池采用金属镉作负极活性物质， 氢氧化镍 作正极活性 物质的碱性蓄电池。正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带 （或 镍带 ）中，经拉浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘干、压 片等方法制成极板；用聚酰胺非织布等材料作隔离层；用氢氧 化钾水溶液作电解质溶液；电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀 镍钢壳内。 第 29 页 规格严格 功夫到家（威海） HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING 汽车工程学院 3.2.3 镍镉电池 2．镍镉电池充放电时的电化学反应 镍镉电池放电时总的电化学反应为 镍镉电池充电时总的电化学反应为 第 30 页