《電動(dòng)汽車與動(dòng)力電池》第二章

1、第2章 動(dòng)力電池的基本概念2.1 蓄電池分類-按電解液種類分類2.2 化學(xué)能電能轉(zhuǎn)換基本原理2.3 電池的基本構(gòu)成2.4 電池及電池組2.5 電池的基本參數(shù)2.6 充電方法2.1 蓄電池分類-按電解液種類分類1）堿性電池。堿性電池的電解質(zhì)主要是以氫氧化鉀水溶液為主，如：堿性鋅錳電池（俗稱堿錳電池或堿性電池）、鎘鎳電池、氫鎳電池等。2）酸性電池。酸性電池主要是以硫酸水溶液為介質(zhì)，如鉛酸蓄電池。3）中性電池。中性電池是以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池、海水激活電池等。4）有機(jī)電解液電池。有機(jī)電解液電池主要是以有機(jī)溶液為介質(zhì)，如鋰離子電池等。2.1 蓄電池分類-按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類1）一次電池。一次

2、電池又稱原電池，即不能再充電使用的電池，如鋅錳干電池、鋰原電池等。2）二次電池。二次電池即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。3）燃料電池。燃料電池中，活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、金屬燃料電池等。4）儲(chǔ)備電池。儲(chǔ)備電池儲(chǔ)存時(shí)電極板不直接接觸電解液，直到電池使用時(shí)，才加入電解液，如鎂氯化銀電池又稱海水激活電池。2.1 蓄電池分類-按電池所用正、負(fù)極材料分類1）鋅系列電池，如鋅錳電池、鋅銀電池等。2）鎳系列電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池等。3）鉛系列電池，如鉛酸電池。4）鋰系列電池，如鋰離子電池、鋰聚合物電池和鋰硫電池。5）二氧化錳系列電池，如

3、鋅錳電池、堿錳電池等。2.2 化學(xué)能電能轉(zhuǎn)換基本原理這就是著名的丹尼爾電池單體反應(yīng)，如圖2-1所示，該反應(yīng)可以通過控制正、負(fù)極的連接狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有效控制，使化學(xué)能按需轉(zhuǎn)化為有用的電能。2.3 電池的基本構(gòu)成除了主要組成部分外，電池還常常需要導(dǎo)電柵、匯流體、端子、安全閥等零件?；緲?gòu)成示意如圖2-2所示。2.3 電池的基本構(gòu)成電池本身可以制成各種形狀和結(jié)構(gòu)，如圓柱形、扣式、扁平和方形。不同形狀的電池如圖2-3所示。2.4 電池及電池組1）電池單體（Cell）。電池單體是指直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的基本裝置和基本單元，是構(gòu)成電池的基本元件，包括電極、隔膜、電解質(zhì)和外殼等。2）電池（Battery）。電池

4、是指由一個(gè)以上的電池單體并聯(lián)或串聯(lián)而成，封裝在一個(gè)物理上獨(dú)立的電池殼體內(nèi)，具有獨(dú)立的正極和負(fù)極輸出。內(nèi)燃機(jī)汽車上常用的12V或24V啟動(dòng)電池，就是由6片或12片2V的鉛酸電池單體串聯(lián)而成。2.4 電池及電池組3）電池包（Battery Pack）。電池包也常常被稱為電池組，是由多塊電池通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)存儲(chǔ)電能或?qū)ν廨敵鲭娔艿牟考?。通常意義上的電池包還包括動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、電池箱等元器件。對(duì)于不包含完整電池管理功能的電池組通常稱為電池模塊（Battery Module）。4）電池系統(tǒng)（Battery System）電池系統(tǒng)是指由一個(gè)以上電池包通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的具備完善電池管理系統(tǒng)的電能

5、供給系統(tǒng)。 2.5 電池的基本參數(shù)-電壓1）電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)是電池在理論上輸出能量大小的度量之一。如果其他條件相同，那么電動(dòng)勢(shì)越高，理論上能輸出的能量就越大。電池的電動(dòng)勢(shì)是熱力學(xué)的兩極平衡電極電位之差。2）開路電壓。開路電壓是指在開路狀態(tài)下（幾乎沒有電流通過時(shí)），電池兩極之間的電勢(shì)差，一般用C開表示。電池的開路電壓取決于電池正負(fù)極材料的活性、電解質(zhì)和溫度條件等，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小無關(guān)。3）額定電壓。額定電壓也稱公稱電壓或標(biāo)稱電壓，指的是在規(guī)定條件下電池工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓。2.5 電池的基本參數(shù)-電壓4）工作電壓。工作電壓是指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱負(fù)荷（載）電壓或放電電壓

6、。在電池放電初始時(shí)刻的（開始有工作電流）電壓稱為初始電壓。電池在接通負(fù)載后，由于歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的存在，電池的工作電壓低于開路電壓，當(dāng)然也必然低于電動(dòng)勢(shì)。5）放電終止電壓。對(duì)于所有二次電池，放電終止電壓都是必須嚴(yán)格規(guī)定的重要指標(biāo)。放電終止電壓也稱為放電截止電壓，是指電池放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值。根據(jù)電池的不同類型及不同的放電條件，對(duì)電池的容量和壽命的要求也不同，由此所規(guī)定的放電終止電壓也不同。一般而言，在低溫或大電流放電時(shí)，終止電壓規(guī)定得低些；小電流長時(shí)間或間歇放電時(shí)，終止電壓值規(guī)定得高些。2.5 電池的基本參數(shù)-容量電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池容量，

7、以符號(hào)C表示。其單位常用Ah或mAh表示。2.5 電池的基本參數(shù)-內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻的作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。充電時(shí)充電的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。電池內(nèi)阻是化學(xué)電源的一個(gè)極為重要的參數(shù)。電池內(nèi)阻不是常數(shù)，它在放電過程中根據(jù)活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和電池溫度以及放電時(shí)間而變化。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻（和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻，兩者之和稱為電池的全內(nèi)阻。2.5 電池的基本參數(shù)-能量與能量密度電池的能量是指電池在一定放電制度下，電池所能釋放出的能量，通常用Wh或kWh表示。電池的能量分為理論能量

8、和實(shí)際能量。（1）理論能量假設(shè)電池在放電過程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)（E）的數(shù)值，而且活性物質(zhì)的利用率為100%，即放電容量為理論容量，則在此條件下電池所輸出的能量為理論能量（2）實(shí)際能量實(shí)際能量是指電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量。它在數(shù)值上等于電池實(shí)際放電電壓、放電電流與放電時(shí)間的積分2.5 電池的基本參數(shù)-功率與功率密度（1）功率電池的功率是指電池在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。（2）功率密度單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率稱為功率密度，又稱比功率，單位為W/kg或W/L。比功率的大小，表征電池所能承受的工作電流的大小，電池比功率大，表

9、示它可以承受大電流放電。比功率是評(píng)價(jià)電池及電池組是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。2.5 電池的基本參數(shù)-荷電狀態(tài)電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）描述了電池的剩余電量，是電池使用過程中的重要參數(shù)，此參數(shù)與電池的充放電歷史和充放電電流大小有關(guān)。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對(duì)量，一般用百分比的方式來表示，SOC的取值為：0SOC100%。目前較統(tǒng)一的是從電量角度定義SOC，如美國先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）在其電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中定義SOC為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。2.5 電池的基本參數(shù)-放電深度放電深度（Depth of Discharge

10、，DOD）是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)2.5 電池的基本參數(shù)-使用壽命循環(huán)壽命是評(píng)價(jià)蓄電池使用技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)，或者一個(gè)周期。在一定放電制度下，二次電池的容量降至某一規(guī)定值之前，電池所能耐受的循環(huán)次數(shù)，稱為蓄電池的循環(huán)壽命或使用周期。2.5 電池的基本參數(shù)-使用壽命隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，二次電池容量衰減是個(gè)必然的過程。這是因?yàn)樵诔浞烹娧h(huán)過程中，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些不可逆的過程，引起電池放電容量的衰減，這些不可逆的因素主要如下：1）電極活性表面積在充放電循環(huán)過程中不斷減小，使工作電流密度上升，極化增大。2）電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移。3）在電池工

11、作過程中，某些電極材料發(fā)生腐蝕。4）在循環(huán)過程中電極上生成枝晶，造成電池內(nèi)部微短路。5）隔膜的老化和損耗。6）活性物質(zhì)在充放電過程中發(fā)生不可逆晶形改變，因而使活性降低。2.5 電池的基本參數(shù)-自放電率自放電率是電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，自放電率采用單位時(shí)間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示。2.5 電池的基本參數(shù)-不一致性電池的不一致性對(duì)于成組應(yīng)用的動(dòng)力電池才有意義，電池的不一致性是電池組的重要參數(shù)指標(biāo)之一，是指同一規(guī)格、同一型號(hào)電池在電壓、內(nèi)阻、容量、充電接受能力、循環(huán)壽命等參數(shù)方面存在的差別。2.5 電池的基本參數(shù)-成本電池的成本與電池的技

12、術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開發(fā)的高比能量、比功率的電池，如鋰離子電池成本較高，使得電動(dòng)汽車的造價(jià)也較高。開發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。2.5 電池的基本參數(shù)-放電制度放電制度就是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。2.5 電池的基本參數(shù)-放電制度放電制度就是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。（1）放電電流放電電流是指電池放電時(shí)的電流大小。放電電流的大小直接影響到電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此，介紹電池的容量或能量時(shí)，必須說明放電電流的大小，指出放電的條件。放電電流通常用放電率表示，放電率是

13、指電池放電時(shí)的速率，有時(shí)率或倍率兩種表示形式。2.5 電池的基本參數(shù)-放電制度放電制度就是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。（2）放電終止電壓終止電壓值與電池材料直接相關(guān)，并受到電池結(jié)構(gòu)、放電率、環(huán)境溫度等多種因素影響。一般來說，由于低溫大電流放電時(shí)，電極的極化大，活性物質(zhì)不能充分利用，電池的電壓下降較快。2.6 充電方法電池充電通常應(yīng)該完成三個(gè)功能： 盡快使電池恢復(fù)額定容量，即在恢復(fù)電池容量的前提下，充電時(shí)間越短越好； 消除電池在放電使用過程中引起的不良后果，即修復(fù)由于深放電、極化等導(dǎo)致的電池性能圖2-4 最佳充電曲線 2.6 充電方法-常規(guī)充電方法（1

14、）恒流充電法恒流充電方法是通過調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方式使充電電流強(qiáng)度保持不變的充電方法。該方法控制簡單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，到充電后期，充電電流多用于電解水，產(chǎn)生氣體，此時(shí)電能不能有效轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，多變?yōu)闊崮芟牡袅?。恒流充電曲線如圖2-5所示。圖2-5 恒流充電曲線 2.6 充電方法-常規(guī)充電方法（2）恒壓充電法 在蓄電池充電過程中，充電電源電壓始終保持一定，叫做恒壓充電。充電開始時(shí)，電池電動(dòng)勢(shì)小，所以充電電流很大，對(duì)蓄電池的壽命造成很大影響，JP且容易使蓄電池極板彎曲，造成電池報(bào)廢；充電中期和后期，由于電池極化作用的影響，正極

15、電位變得更高，負(fù)極電位變得更低，所以電動(dòng)勢(shì)增大，充電電流過小，形成長期充電不足，影響電池的使用壽命。鑒于這種缺點(diǎn)，恒壓充電很少使用，只有在充電電源電壓低、工作電流大時(shí)才采用。例如，汽車運(yùn)行過程中，啟動(dòng)蓄電池就是以恒壓充電法充電的。恒壓充電法曲線如圖2-6所示。2.6 充電方法-常規(guī)充電方法2.6 充電方法-常規(guī)充電方法（3）階段充電法該方法包含多種充電方法的組合，如先恒流后恒壓充電法、多段恒流充電法、先恒流再恒壓最后恒流充電法等。常用的為先恒流再恒壓的充電方式，如鉛酸電池、鋰離子電池常采用該種方式充電。圖27中曲線為該鉛酸電池充電參數(shù)變化情況。2.6 充電方法-快速充電方法1）脈沖式充電法該方

16、法是首先用脈沖電流對(duì)電池充電，然后停充一段時(shí)間，再用脈沖電流對(duì)電池充電，如此循環(huán)，如圖2-8所示。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時(shí)間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然而然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。2.6 充電方法-快速充電方法2.6 充電方法-快速充電方法（2）ReflexTM快速充電法這種技術(shù)是美國的一項(xiàng)專利技術(shù)，最早主要面對(duì)的充電對(duì)象是鎳鎘電池。這種充電方法緩解了鎳鎘電池的記憶效應(yīng)問題，并大大降低了蓄電池快速充電的時(shí)間。如圖2-9所示2.6 充電方法-快速充電方法（3）變電流間歇充電法這種充電方法建立在恒流充電和脈沖充電的基礎(chǔ)上，如圖2-10所示。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。2.6 充電方法-快速充電方法（4）變電壓間歇充電法在變電流間歇充電法的基礎(chǔ)上又有人提出了變電壓間歇充電法，如圖2-11所示。變電壓間歇充電法與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。2.6 充電方法-快速充電方法（5）變電壓、變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快