第一章 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池Pack系統(tǒng)技術(shù)及檢修

1、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池Pack系統(tǒng)技術(shù)及檢修系統(tǒng)技術(shù)及檢修Xiangyang Auto vocational technical college主講人：陳主講人：陳 斌斌第一章第一章 動(dòng)力電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)述動(dòng)力電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)述Xiangyang Auto vocational technical collegeXiangyang Auto vocational technical college1. 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 電池的誕生，基于人們對(duì)獲取持續(xù)而穩(wěn)定的電流的需要。不過(guò)，電池的發(fā)明卻來(lái)源于一次青蛙的解剖實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的靈感，多少有些偶然 1780年，意大利解刨學(xué)家迦伐尼在

2、做解刨實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：兩手拿著不同金屬器械同時(shí)碰在青蛙的大腿上，青蛙的腿部肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而如果只用一種金屬器械去觸動(dòng)青蛙，就無(wú)此反應(yīng)。迦伐尼認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閯?dòng)物軀體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱(chēng)之為“生物電”Xiangyang Auto vocational technical college1. 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家們的極大興趣，他們競(jìng)相重復(fù)伽伐尼的實(shí)驗(yàn)，企圖找到一種產(chǎn)生電流的方法。而意大利物理學(xué)家伏特在多次實(shí)驗(yàn)后則認(rèn)為：青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀點(diǎn)，伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進(jìn)行試驗(yàn)

3、。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，金屬片之間就能夠產(chǎn)生電流。1799年，伏特成功制成了世界上第一個(gè)電池“伏特電堆”。這個(gè)“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。Xiangyang Auto vocational technical college1. 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 1836年，英國(guó)的丹尼爾對(duì)“伏特電堆”進(jìn)行了改良，又陸續(xù)有效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問(wèn)世。然而在當(dāng)時(shí)，無(wú)論哪種電池都需在兩個(gè)金屬板之間灌裝液體，搬運(yùn)很不方便，特別是蓄電池所用液體是硫酸，在挪動(dòng)時(shí)很危險(xiǎn)。Xiangyang Auto vocational technical college1

4、. 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 干電池的誕生，干電池的鼻祖在19世紀(jì)中期誕生。1860年，法國(guó)的雷克蘭士發(fā)明了碳鋅電池，這種電池更容易制造，且最初潮濕水性的電解液，逐漸被黏濁狀類(lèi)似糨糊的方式取代，于是裝在容器內(nèi)時(shí)，“干”性的電池出現(xiàn)了。Xiangyang Auto vocational technical college1. 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 事實(shí)上，蓄電池的最早發(fā)明同樣可以追溯到1860年。當(dāng)年，法國(guó)人普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨(dú)特之處是，當(dāng)電池使用一段時(shí)間電壓下降時(shí)，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因?yàn)檫@種電池能充電，并可反復(fù)使用，所以稱(chēng)它為“蓄電池”。 Xiangyan

5、g Auto vocational technical college1. 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 1890年，愛(ài)迪生發(fā)明可充電的鐵鎳電池，正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由鐵制成的一種堿性蓄電池。鉛蓄電池是一種酸性蓄電池，與之不同，鐵鎳蓄電池的電解液是堿性的氫氧化鉀溶液，是一種堿性蓄電池。其正極為氧化鎳，電動(dòng)勢(shì)約為1.31.4伏。其優(yōu)點(diǎn)是輕便、壽命長(zhǎng)、易保養(yǎng)，缺點(diǎn)是效率不高。Xiangyang Auto vocational technical college1.1 電池發(fā)展史電池發(fā)展史 進(jìn)入20世紀(jì)后，電池理論和技術(shù)一度處于停滯狀態(tài)，但在二次世界大戰(zhàn)之后，隨著一些基礎(chǔ)研究在理論上取

6、得突破、新型電極材料的開(kāi)發(fā)和各類(lèi)用電器具日新月異的發(fā)展，電池技術(shù)又進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，科學(xué)家首先發(fā)展了堿性鋅錳電池。進(jìn)入80年代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展越發(fā)迅速，對(duì)化學(xué)電源的要求也日益增多、增高。如集成電路的發(fā)展，要求化學(xué)電源必須小型化；電子器械、醫(yī)療器械和家用電器的普及不僅要求化學(xué)電源體積小，而且還要求能量密度高、密封性和貯存性能好、電壓精度高。因此電池池的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向蓄電池，1988年，鎳鎘電池實(shí)現(xiàn)商品化。1992年，鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商品化，1999年，聚合物鋰離子蓄電池進(jìn)入市場(chǎng)。 Xiangyang Auto vocational technical college2. 動(dòng)力電池概述動(dòng)力電池概

7、述l動(dòng)力電池 指具有較大電能容量和輸出功率，可配置電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)設(shè)備及工具驅(qū)動(dòng)電源的電池即為工具提供動(dòng)力來(lái)源的電池，通常也包括軍事(潛艇、高級(jí)智能機(jī)器人等）及企事業(yè)單位使用的蓄能電池設(shè)備、通訊指揮系統(tǒng)的常備電源等。l動(dòng)力電池特點(diǎn)高能量（EV）和高功率（HEV）；高能量密度；高倍率部分荷電狀態(tài)下（HRPSOC）的循環(huán)使用（HEV）；工作溫度范圍寬（一30 65）；使用壽命長(zhǎng)，要求510 年；安全可靠。Xiangyang Auto vocational technical college2. 動(dòng)力電池概述動(dòng)力電池概述l動(dòng)力電池分類(lèi) 根據(jù)動(dòng)力電池的特點(diǎn)、要求、應(yīng)用領(lǐng)域不同，國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池

8、的研發(fā)種類(lèi)大致為：鉛酸電池鎳鎘/鎳氫電池鋰離子電池燃料電池 動(dòng)力電池之所以成為當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)，主要由于私家車(chē)大量增加，環(huán)境污染日益加劇；同時(shí)石油資源匱乏，迫使世界各國(guó)尋找新能源，發(fā)展新的交通工具，因此，動(dòng)力電池和電動(dòng)交通工具的發(fā)展被放在更加重要的位置。Xiangyang Auto vocational technical college3. 動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域電動(dòng)工具類(lèi)Xiangyang Auto vocational technical college3. 動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域低速電動(dòng)交通工具Xiangyang Auto vocational technical

9、 college3. 動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域電動(dòng)汽車(chē)Xiangyang Auto vocational technical college風(fēng)光儲(chǔ)能 用一個(gè)電化學(xué)接口（又稱(chēng)：保護(hù)線路板）將風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能板、鋰離子電池和LED環(huán)保節(jié)能燈（或其它用電裝置）有機(jī)地鏈結(jié)在一起，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電光互補(bǔ)一體化智能儲(chǔ)能供電系統(tǒng)。 3. 動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域Xiangyang Auto vocational technical collegeUPS電源UPS即不間斷電源，是將蓄電池（多為鉛酸免維護(hù)蓄電池）與主機(jī)相連接，通過(guò)主機(jī)逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、

10、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備如電磁閥、壓力變送器等提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向機(jī)內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）時(shí)， UPS 立即將電池的直流電能，通過(guò)逆變零切換轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。UPS 設(shè)備通常對(duì)電壓過(guò)高或電壓過(guò)低都能提供保護(hù)。3. 動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域動(dòng)力電池應(yīng)用領(lǐng)域Xiangyang Auto vocational technical college4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀 為了減少對(duì)石油的依賴程度

11、，控制環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，電動(dòng)車(chē)作為一種綠色交通工具，它的開(kāi)發(fā)正在受到各國(guó)的重視。電池是電動(dòng)車(chē)的心臟，電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)關(guān)鍵在于動(dòng)力電池的競(jìng)爭(zhēng)，但由于目前動(dòng)力電池的比能量不夠高、充電時(shí)間長(zhǎng)、一次充電行程短、安全性差、電池成本高等原因，尚不能得到大范圍推廣，所以電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池的發(fā)展成了電動(dòng)車(chē)發(fā)展的瓶頸。Xiangyang Auto vocational technical college鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特發(fā)明的，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 這是因?yàn)槠溆腥缦聝?yōu)點(diǎn)價(jià)格低廉、原材料豐富開(kāi)路電壓高安全可靠性高大電流放電環(huán)境溫度適應(yīng)范圍

12、寬鉛回收效率高4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀Xiangyang Auto vocational technical college 但鉛酸蓄電池隨著充放電次數(shù)的增加，容量會(huì)逐漸衰減，而且比能量較少，比功率較小，生產(chǎn)過(guò)程會(huì)造成污染。在電動(dòng)車(chē)需求的刺激下，鉛酸電池的研究取得了很大的進(jìn)展，但是電動(dòng)車(chē)動(dòng)力使用任然面臨巨大的挑戰(zhàn)，即必須在3個(gè)問(wèn)題上有待提高：提高比能量和比功率提高循環(huán)壽命提高快速充電能力 為了解決電動(dòng)車(chē)用鉛酸電池的三大技術(shù)難關(guān)，國(guó)際鉛鋅研究組織與1992年發(fā)起成立的先進(jìn)鉛酸電池聯(lián)合會(huì)（ALABC）通過(guò)兩個(gè)階段的攻關(guān)開(kāi)發(fā)，電動(dòng)車(chē)用鉛酸電池取得重大進(jìn)展4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)

13、狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀Xiangyang Auto vocational technical college4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀Xiangyang Auto vocational technical college鎳鎘電池 鎳鎘電池屬于堿性蓄電池，與酸性蓄電池相比，容器和極板的強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，無(wú)硫化現(xiàn)象，工作可靠，耐強(qiáng)電流放電。 缺點(diǎn)是內(nèi)阻大，價(jià)格高，鎘是重金屬，生產(chǎn)過(guò)程污染環(huán)境。 法國(guó)阿爾斯通電器公司下屬的專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)鎳鎘電池的子公司SAFT，生產(chǎn)的陽(yáng)極燒結(jié)式、陰極粘結(jié)式電池是世界上水平最高的，該電池比能量為54Wh/kg，使用壽命可達(dá)2000次以上，可大電流放電，容量

14、可達(dá)到100Ah4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀Xiangyang Auto vocational technical college鎳氫電池4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀 鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳合成，電量?jī)?chǔ)備比鎳鎘電池多30%，比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長(zhǎng)，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎳氫電池的缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴好多，性能比鋰電池要差。 鎳氫電池現(xiàn)主要應(yīng)用于混合電動(dòng)車(chē)。2011年HEV市場(chǎng)占56%，零售市場(chǎng)（包括遙控車(chē)、玩具、家用電器、數(shù)碼攝像機(jī)）占24%，無(wú)繩電話占11%，其他市場(chǎng)為9%。 世界鎳氫電池主要由中國(guó)和日本企業(yè)生產(chǎn)，占全球產(chǎn)量的95%以上。我國(guó)鎳

15、氫電池增長(zhǎng)乏力，近幾年的產(chǎn)品產(chǎn)值、產(chǎn)量均未超過(guò)2008年的高峰。2011年，鎳氫電池的產(chǎn)值、產(chǎn)量分別為55億元、9.5億只，與2008相比分別下降15.38%、26.36%。產(chǎn)品規(guī)模的縮小使得鎳氫電池更不具規(guī)模經(jīng)濟(jì)，未來(lái)情景堪憂，其發(fā)展空間仍然取決于混合電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用情況。Xiangyang Auto vocational technical college鋰離子電池4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀 鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。Xiangyang Au

16、to vocational technical college4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀 鋰離子電池作為車(chē)載動(dòng)力也已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，原因是電池作為車(chē)載動(dòng)力與鉛酸電池、鎳氫電池相比有如下優(yōu)點(diǎn)：工作電壓高，單體電壓可達(dá)到3.6V，是鎳氫電池的3倍；體積小，重量輕，相同容量下體積比鎳氫電池小，質(zhì)量是鉛酸電池的1/4;能量密度高，是鎳氫電池的兩倍，鉛酸電池的4倍；循環(huán)壽命長(zhǎng)無(wú)污染、電池材料沒(méi)有有毒物質(zhì)工作溫度范圍寬：-40-70；無(wú)記憶效應(yīng)；儲(chǔ)存期長(zhǎng)Xiangyang Auto vocational technical college4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電

17、池現(xiàn)狀 鋰離子電池以其優(yōu)越的特性被作為未來(lái)電動(dòng)車(chē)最主要的候選動(dòng)力源，是目前競(jìng)爭(zhēng)研究熱點(diǎn)，但是安全性一直是制約鋰離子電池發(fā)展的技術(shù)難題。Xiangyang Auto vocational technical college4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀Xiangyang Auto vocational technical college4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀 綜上所述：對(duì)常用車(chē)用動(dòng)力電池的特性做如下比較。Xiangyang Auto vocational technical college燃料電池4. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池現(xiàn)狀 燃料電池是將

18、燃料具有的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。目前燃料電池技術(shù)尚未完全成熟且質(zhì)子交換膜和用作催化劑的Pt，價(jià)格昂貴，導(dǎo)致制造成本過(guò)高，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能性不大。Xiangyang Auto vocational technical college5. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì) 鉛酸蓄電池 鉛酸電池雖便宜，并在叉車(chē)、觀光車(chē)或者短途公共汽車(chē)上作為動(dòng)力源應(yīng)用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環(huán)次數(shù)仍存在嚴(yán)重的限制。未來(lái)使用鉛酸電池來(lái)驅(qū)動(dòng)在高速公路上行駛的電動(dòng)汽車(chē)是不實(shí)際的，但價(jià)格優(yōu)勢(shì)使其在輕度混合或者短途行駛的電動(dòng)汽車(chē)（如觀光車(chē)）中仍占一席之地。然而，近期美國(guó)的“下一代電池和電動(dòng)車(chē)

19、”中有一種超級(jí)電池（ultra battery）是超級(jí)電容器與鉛酸電池的并聯(lián)使用。這種電池具有雙電層電容器的高比功率、長(zhǎng)壽命以及鉛酸電池價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，將具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。Xiangyang Auto vocational technical college5. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì) 鎳氫電池 鎳氫電池雖然具有較高的比能量和比功率等優(yōu)點(diǎn)；但由于需要大量使用鎳和鈷其成本較高，鎳鈷的稀缺性會(huì)導(dǎo)致其大批生產(chǎn)和使用時(shí)價(jià)格反而會(huì)上漲。目前，它仍然大量地應(yīng)用于混合動(dòng)力車(chē)，隨著鋰離子電池的大規(guī)模生產(chǎn)和成本的降低，鎳氫電池終將退出。日本豐田汽車(chē)公司宣布最新一代Prius不再使用鎳氫電池而使用鋰離子電池。鎳氫電池是電動(dòng)汽車(chē)過(guò)渡階段使用的電池，但在近期和中期仍然是非常關(guān)鍵的動(dòng)力電池之一。Xiangyang Auto vocational technical college5. 電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì) 鋰離子電池目前市場(chǎng)上的電池中，鋰離子電池（鋰離子電池和鋰高聚合物電池）的性能最好，同質(zhì)量的鋰離子電池其能量是鉛酸電池的46倍，是鎳氫電池的23倍。價(jià)格和大功率鋰離子電池的安全性