第二章 電動汽車基礎(chǔ)一

.,第二章電動汽車基礎(chǔ),學(xué)習(xí)目標(biāo)了解新能源汽車各種動力電池的主要種類、構(gòu)造、原理以及充電方法；了解電動汽車的電源管理系統(tǒng)、制動能量回饋系統(tǒng)等控制技術(shù)的基礎(chǔ)知識。學(xué)習(xí)任務(wù)描述：對新能源汽車電池技術(shù)的認(rèn)知,.,學(xué)習(xí)任務(wù),1.電動汽車動力電池2.電動汽車的能量管理系統(tǒng)與再生制動,.,學(xué)習(xí)任務(wù),1.新能源汽車動力電池2.電動汽車的能量管理系統(tǒng)與再生制動,.,引導(dǎo)問題1：動力電池的基本概念,1.電壓：工作電壓：電池在一定負(fù)載條件下實際的放電電壓，如鉛酸蓄電池的工作電壓為1.8V-2V，鎳氫電池的工作電壓：1.1V-1.5V，鋰離子電池的工作電壓：2.75-3.6V；額定電壓：電池工作時公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，如鎳鎘電池額定電壓：1.2V，鉛酸蓄電池的額定電壓：2V；終止電壓：放電終止時的電壓值，通常與負(fù)載、使用要求有關(guān)；充電電壓：外電路直流電壓對電池充電的電壓。一般，充電電壓要大于開路電壓，如鎳鎘電池的充電電壓：1.45-1.5V，鋰離子電池的充電電壓：4.1-4.2V，鉛酸蓄電池的充電電壓：2.25-2.7V。,.,引導(dǎo)問題1：動力電池的基本概念,2.容量與比容量：容量是指在充電以后，在一定放電條件下所能釋放出的電量，其單位為，容量與放電電流大小有關(guān)，與充放電截止電壓有關(guān)。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量。額定容量，是指設(shè)計與制造電池時，按照國家或相關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下能夠放出的最低限度的電量。實際容量，是指電池在定的放電條件下實際放出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積。值得注意的是，實際電池中正負(fù)極容量不等，多為負(fù)極容量過剩。,.,引導(dǎo)問題1：動力電池的基本概念,3.功率與比功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時間內(nèi)輸出的能量，單位為。比功率則是指單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為KW/kg或KW/L。4.放電率放電率是指放電時的速率，常用“時率”和“倍率”表示。時率是指以放電時間表示的放電速率，即以一定的放電電流放完額定容量所需的時間。倍率是指電池在規(guī)定時間內(nèi)放出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)。放電深度（Depthofdischarge，DOD）表示放電程度的一種量度，它是放電容量與總放電容量的百分比。,.,引導(dǎo)問題1：動力電池的基本概念,5.荷電狀態(tài)：荷電狀態(tài)（Stateofcharge，SOC），是指剩余電量與額定容量或?qū)嶋H容量的比例。這一參數(shù)是在電動汽車使用中十分關(guān)鍵卻不易獲取的數(shù)據(jù)。6.自放電與存儲性能：對所有化學(xué)電源，即使在與外界電路無任何接觸的條件下開路放置，其容量也會自然衰減，這種現(xiàn)象稱為自放電。電池自放電的大小用自放電率衡量，通常以單位時間內(nèi)容量減少的百分比表示：自放電率=（儲存前電池容量儲存后電池容量）/儲存前電池容量x100%,.,引導(dǎo)問題1：動力電池的基本概念,7.使用壽命：使用壽命是指電池實際使用的時間長短。對于充電電池而言，電池的壽命分為充放電循環(huán)壽命和濕擱置壽命。充放電循環(huán)壽命是衡量充電電池性能的重要參數(shù)。它是指在一定的充放電制度下，電池容量降到某規(guī)定值前，電池能耐受的充放電次數(shù)。充放電循環(huán)壽命趙長，電池性能越好。目前，鎳鎘電池的充放電循環(huán)壽命為500-800次，鉛酸蓄電池為200-500次，鋰離子電池為600-1000次。充電電池的充放電循環(huán)壽命與放電深度、溫度、充放電制度工等條件有關(guān)。,.,引導(dǎo)問題2：新能源汽車對動力電池的要求,1.比能量高。為保證電動汽車的續(xù)駛里程，電動汽車的動力電池須盡可能儲存多的能量，同時電動汽車的重量不能過大，電池的安裝空間也受整車分布限制，因此動力電池必須有足夠的比能量。2.比功率大。為滿足電動汽車在加速、上坡、負(fù)載等行駛條件下的動力要求，電池必須具備大的比功率。3.連續(xù)放電率高，自放電率低，電池能夠適應(yīng)快速放電的要求。自放電率低，以保證電池能夠長期存放。4.充電技術(shù)成熟，時間短，充電技術(shù)通用性強。能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電。,.,引導(dǎo)問題2：新能源汽車對動力電池的要求,5.適應(yīng)車輛運行環(huán)境。電池除能在常溫條件下正常穩(wěn)定地工作，不受環(huán)境溫度影響，不需要特殊的加熱、保溫系統(tǒng)。能夠適應(yīng)電動汽車行駛過程中的振動。6.安全可靠。電池應(yīng)干燥、潔凈，電解質(zhì)不會滲漏腐蝕接線柱、外殼。不會引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。廢電池能夠回收處理及再生利用，電池中的有害重金屬能夠集中回收處理。電池組可采用機械裝置進(jìn)行整體拆解、更換，線路連接方便。7.長壽命、免維護(hù)。電池的循環(huán)壽命不低于1000次，在使用壽命限定期間內(nèi)，不需要進(jìn)行維護(hù)與修理。,.,引導(dǎo)問題3：常用電動汽車動力電池,常用的車用動力電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池等。鉛酸電池廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機汽車的低壓供電電源，是一種成熟的汽車電池，但存在比能量低、質(zhì)量和體積太、續(xù)駛里程短、使用壽命短、污染嚴(yán)重等問題，制約了其在電動汽車上的應(yīng)用。鎳氫電池因其能量密度高、無鎘污染、可大電流快速充放電等優(yōu)點，能夠滿足電動汽車對動力電池的要求，因此鎳氫電池目前被成熟地應(yīng)用到商業(yè)化的電動汽車，如豐田Prius。鋰離子電池是目前新能源汽車研究的熱點，它具備能量密度高、能量效率高、自放電率小、循環(huán)使用壽命長、可實現(xiàn)大電流充放電、無污染等優(yōu)點。,.,各種動力電池,.,引導(dǎo)問題3：常用電動汽車動力電池,1.鉛酸電池蓄電池工作過程就是化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而向外供電時，稱為放電過程；當(dāng)蓄電池與外界直流電池相聯(lián)而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來時，稱為充電過程。鉛酸電池充足電時，正極板活性物質(zhì)為，負(fù)極板活性物質(zhì)為。鉛酸電池的電解液由純硫酸和蒸餾水按一定比例配制而成，其密度為,.,引導(dǎo)問題3：常用電動汽車動力電池,2.鎳氫（MH/Ni）電池鎳氫電池具有長期過放電和過充電保護(hù)能力，但壽命不如鎳鎘電池。鎳氫電池已在20世紀(jì)90年代逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。鎳氫（MH/Ni）電池采用鎳的氧化物作為正極，儲氫金屬作為負(fù)極，電解液通常選用KOH溶液。由Ni(OH)2正極材料和儲氫合金負(fù)極材料組成電池的反應(yīng)式：,.,引導(dǎo)問題3：常用電動汽車動力電池,3.鋰離子電池鋰離子電池以碳為負(fù)極，以含鋰的化合物為正極。鋰電池的種類繁多，常見的有色鋰離子電他、高溫鋰熔直鹽電池、鋰聚合物電池和但聚合物固體電解質(zhì)電池等，鋰離子電池比能量的理論值為570Wh/Kg，它目前達(dá)到的性能指標(biāo)是：比能量為100Wh/Kg，比功率200W/Kg，循環(huán)使用壽命為1200次，充電時間2-4h。目前市場主流為：磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池以LiFeO4為例，其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：,.,引導(dǎo)問題3：常用電動汽車動力電池,鋰電池工作原理示意圖,.,引導(dǎo)問題4：飛輪電池,當(dāng)飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的。飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。,.,引導(dǎo)問題4：飛輪電池,飛輪電池中有一個電機，充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其功能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電能的轉(zhuǎn)換。據(jù)稱，飛輪電池比能量可達(dá)5KW/Kg，比功率達(dá)20KW/Kg，使用壽命長達(dá)25年，可供電動汽車行駛500萬公里。,.,引導(dǎo)問題5：超級電容,超級電容（Super-capacitors，ultra-capacitor），又名電化學(xué)電容器(ElectrochemicalCapacitors)，雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。超級電容突出優(yōu)點是功率密度高、充放電時間短、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。超級電容可以彌補現(xiàn)階段鋰離子電池在功率密度等方面的不足。目前，它已經(jīng)應(yīng)用于軍事、新能源汽車以及各種機電設(shè)備中。,.,引導(dǎo)問題5：超級電容,超級電容結(jié)構(gòu),.,引導(dǎo)問題5：超級電容,上海世博園運行的超級電容客車,.,引導(dǎo)問題6：電動汽車動力電池充電方式,常規(guī)充電該充電方式采用恒壓、恒流的傳統(tǒng)充電方式對電動汽車進(jìn)行充電。以相當(dāng)?shù)偷某潆婋娏鳛樾铍姵爻潆?，電流大小約為15A，若以120Ah（例如360V，即串聯(lián)12V100Ah30只）的蓄電池為例，充電時間要持續(xù)8個多小時?？焖俪潆姺绞娇焖俪潆姺绞街冈诙虝r間內(nèi)使蓄電池達(dá)到或接近充滿狀態(tài)的一種方法。該充電方式以1C3C的大充電電流在短時間內(nèi)為蓄電池充電。,.,引導(dǎo)問題6：電動汽車動力電池充電方式,北汽新能源汽車的換電方案,更換電池充電方式,.,引導(dǎo)問題6：電動汽車動力電池充電方式,無線充電方式,.,學(xué)習(xí)任務(wù),1.電動汽車動力電池2.電動汽車能量管理系統(tǒng)與再生制動,.,引導(dǎo)問題1：電源管理系統(tǒng)BMS,電池管理系統(tǒng),是電池保護(hù)和管理的核心部件，在動力電池系統(tǒng)中，它的作用就相當(dāng)于人的大腦。它不僅要保證電池安全可靠的使用，而且要充分發(fā)揮電池的能力和延長使用壽命，作為電池和整車控制器以及駕駛者溝通的橋梁，通過控制接觸器控制動力電池組的充放電，并向VCU上報動力電池系統(tǒng)的基本參數(shù)及故障信息。實驗證明，配備完善電源管理系統(tǒng)的電池組，其循環(huán)壽命是不配管理系統(tǒng)電池組的3倍以上。,.,引導(dǎo)問題1：電源管理系統(tǒng)BMS,電池包的結(jié)構(gòu)組成,.,引導(dǎo)問題2：制動能量回饋系統(tǒng),制動能量回饋，又稱回饋制動或再生制動，在電動汽車一般采取電能式再生制動能量回收方法，是指在減速或制動過程中，驅(qū)動電機工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動能轉(zhuǎn)化為電能儲存于儲能裝置中（如各