新能源汽車(chē)動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)與檢修-2-4其他類(lèi)型動(dòng)力電池的原理及應(yīng)用課件

1、2-4 其他類(lèi)型的動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及應(yīng)用知識(shí)目標(biāo)：了解鋅空氣電池、飛輪電池、超級(jí)電容和燃料電池的應(yīng)用特點(diǎn)，掌握它們的儲(chǔ)電原理。能力目標(biāo)：能簡(jiǎn)單闡述鋅空氣電池、飛輪電池、超級(jí)電容和燃料電池的工作原理。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查找資料、制定計(jì)劃的能力；2、培養(yǎng)學(xué)生具備從事汽車(chē)行業(yè)工作的職業(yè)素養(yǎng)。學(xué)習(xí)檢測(cè)教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容學(xué)習(xí)小結(jié)教學(xué)重點(diǎn)：掌握其他新型動(dòng)力電池的應(yīng)用及發(fā)展教學(xué)難點(diǎn)：理解其他新型動(dòng)力電池的工作原理學(xué)習(xí)檢測(cè)教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容學(xué)習(xí)小結(jié)1.鋅空氣電池原理與應(yīng)用2.飛輪電池原理與應(yīng)用3.超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4.燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)檢測(cè)主要內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)學(xué)習(xí)小結(jié)

2、一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用1、鋅空氣電池原理 鋅空氣電池主要由空氣電極、電解液和鋅陽(yáng)極構(gòu)成；空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，金屬鋅作為負(fù)極活性物質(zhì)，多孔活性炭作為正極，鉑或其他材料作為催化劑，使用堿性電解質(zhì)。氧氣經(jīng)多孔電極擴(kuò)散層擴(kuò)散到達(dá)催化層，在催化劑微團(tuán)表面的三相界面處與水發(fā)生反應(yīng)，吸收電子，生成OH-，陽(yáng)極的鋅與電解液中的OH-發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO和H2O，并釋放出電子，電子被集電層收集起來(lái)，在外電路中產(chǎn)生電流。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用2、鋅空氣電池的分類(lèi) 根據(jù)其充電的方式，以及在電動(dòng)車(chē)輛應(yīng)用的特點(diǎn)可分為三類(lèi)：直接再充式鋅空氣電池、機(jī)械充電式鋅空氣電池以及注入式鋅空氣電池。（1）直接再充

3、式鋅空氣電池容易出現(xiàn)電極變形、枝晶生長(zhǎng)、自腐蝕及鈍化等現(xiàn)象，導(dǎo)致電極失效。因此，直接再充式鋅空氣電池的應(yīng)用受到了一定的限制。（2）機(jī)械式充電是指在電池完全放電后，將電池中用過(guò)的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者將整個(gè)電池組進(jìn)行完全更換，整個(gè)過(guò)程控制在較短的時(shí)間內(nèi)(35min)。使用過(guò)的鋅電極或鋅空氣電池可在專(zhuān)門(mén)鋅回收利用廠進(jìn)行回收再加工，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保無(wú)污染生產(chǎn)。（3)注入式鋅空氣電池是將配制好的鋅膏源源不斷地通過(guò)擠壓或壓力輸送送入電池內(nèi)，同時(shí)將反應(yīng)完畢的混合物抽取到電池外，這樣在電動(dòng)車(chē)輛上應(yīng)用時(shí)，電池系統(tǒng)只需攜帶盛放鋅膏的燃料罐，燃料罐加注足夠的鋅膏燃料就可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的連續(xù)行駛。一、鋅空氣電池的原

4、理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的應(yīng)用美、德、瑞典等都在EV上積極推廣鋅空氣電池。(1)美國(guó)Dreisback Electromotive公司開(kāi)發(fā)的鋅空氣電池，已在公共汽車(chē)和總重9t的貨車(chē)上使用，公共汽車(chē)可連續(xù)行駛10h左右，貨車(chē)最大續(xù)駛里程達(dá)113km。(2)德國(guó)奔馳汽車(chē)公司的MB410型電動(dòng)廂式車(chē)采用150kWh的鋅空氣電池，從法國(guó)的Chambery城越過(guò)阿爾卑斯山，連續(xù)爬坡150km，公路全程244km，到達(dá)意大利的都靈，僅消耗了65%的電量（97.5kWh）。該車(chē)從德國(guó)的不萊梅到波恩，最高車(chē)速達(dá)到120 km/h，一次充電后走完全程425km的路程。 (3)瑞典斯德哥爾摩市的電動(dòng)貨車(chē)、客車(chē)和服務(wù)

5、車(chē)輛上的鋅空氣電池比能量180Wh/kg，比功率100Wh/L，續(xù)駛里程350425km之間。該市的鋅空氣電池廢料回收處理能力為250kg/h，可為150輛EV提供再生的鋅粒。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的應(yīng)用 1995年以色列電燃料（Electric Fuel）有限公司首次將鋅空氣電池用于載重1000kg、總重3500kg的電動(dòng)郵車(chē)上，使得鋅空氣電池進(jìn)入了實(shí)用化階段。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：比能量達(dá)到207Wh/kg350kg的鋅空氣電池使電動(dòng)郵車(chē)行駛了300km最高車(chē)速可達(dá)120km/h由靜止加速到80km/h為12s更換鋅粒匣和灌滿(mǎn)電解質(zhì)的時(shí)間為2min以色列設(shè)有每小時(shí)能處理10kg鋅的

6、再生處理廠，可以供給1015輛電動(dòng)郵車(chē)更換鋅粒匣服務(wù)。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的應(yīng)用 國(guó)內(nèi)在注入式鋅空氣電池方面開(kāi)展了多年的研究工作，在部分電動(dòng)車(chē)輛上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性裝車(chē)測(cè)試。2010年，北京市安排5輛電動(dòng)大客車(chē)和環(huán)衛(wèi)車(chē)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，另安排50輛電動(dòng)大客車(chē)和環(huán)衛(wèi)車(chē)電池，在北京市政府指定的線路進(jìn)行路試，投入市公交和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行，為市場(chǎng)化運(yùn)作提供可靠的依據(jù)。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用4、鋅空氣電池的優(yōu)點(diǎn)(1)容量大：空氣電極的活性物質(zhì)氧氣來(lái)自周?chē)目諝猓牧喜徽加秒姵乜臻g，在相同體積、重量的情況下，鋅空氣電池就儲(chǔ)存了更多的反應(yīng)原料，因而容量就會(huì)高出很多。(2)能量密度高：理論可達(dá)

7、1350Wh/kg，目前已研制成功的鋅空氣電池比能量已經(jīng)可以達(dá)到200Whkg以上，是鉛酸電池的5倍。(3)價(jià)格低廉：陰極活性物質(zhì)氧氣來(lái)自空氣，除了空氣催化電極之外，不需要任何高成本組件；陽(yáng)極活性物質(zhì)鋅來(lái)源充足，資源豐富，價(jià)格便宜，并且鋅可回收利用，價(jià)格可進(jìn)一步降低。(4)儲(chǔ)存壽命好:鋅空氣電池在儲(chǔ)存過(guò)程中均采用密封措施，將電池的空氣孔與外界隔絕，因而電池的容量損失極小，儲(chǔ)存壽命好。(5)鋅可回收利用、制造成本低:鋅來(lái)源豐富，生產(chǎn)成本低、回收再生方便且再生成本較低。(6)綠色環(huán)保:鋅空氣金屬燃料電池負(fù)極物質(zhì)放電完畢后變成氧化鋅，可通過(guò)電解還原成鋅。在使用完畢后，正負(fù)極物質(zhì)容易分離，便于集中回收

8、，對(duì)于某些不便回收的場(chǎng)合，由于鋅空氣金屬燃料電池內(nèi)無(wú)有害物質(zhì)即使拋棄也不會(huì)造成環(huán)境污染。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用5、鋅空氣電池的應(yīng)用中存在的問(wèn)題（1）防止電解液中水分的蒸發(fā)或電解液的吸潮。（2）避免鋅電極的直接氧化。（3）防止鋅枝晶的生長(zhǎng)。（4）提高空氣電極催化劑活性。（5）控制電解液的碳酸化。（6）解決電池的發(fā)熱和溫升問(wèn)題。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超高速飛輪的工作原理超高速飛輪電池儲(chǔ)能是基于飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以存儲(chǔ)動(dòng)能:式中j飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與飛輪的形狀和重量有關(guān)； 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。充電時(shí)，飛輪電池中的電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電

9、給飛輪電池“充電”，增加了飛輪的轉(zhuǎn)速；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能(動(dòng)能)到電能的轉(zhuǎn)換。飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速可達(dá)200000rmin飛輪電池技術(shù)主要涉及復(fù)合材料科學(xué)、電力電子技術(shù)、磁懸浮技術(shù)、超真空技術(shù)、微電子控制系統(tǒng)等學(xué)科，具有明顯的多學(xué)科交叉和集成特點(diǎn)。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、典型的飛輪儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)飛輪電池主要由以下幾部分組成：復(fù)合材料飛輪、集成的發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、支撐軸承、電力電子及其控制系統(tǒng)、真空腔、輔助軸承和事故屏蔽容器。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、飛輪電池的特性（1）能量密度高。儲(chǔ)能密度可達(dá)100200Wh

10、kg，功率密度可達(dá)500010000Wkg。（2）能量轉(zhuǎn)換效率高。工作效率高達(dá)90%。（3）工作溫度范圍寬。對(duì)環(huán)境溫度沒(méi)有嚴(yán)格要求。（4）使用壽命長(zhǎng)。不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬(wàn)次運(yùn)行，預(yù)期使用壽命20年以上。（5）低損耗、低維護(hù)。磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng)。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、飛輪電池的應(yīng)用(1)交通運(yùn)輸。飛輪電池充電快，放電完全，非常適合車(chē)輛應(yīng)用?，F(xiàn)在由于成本和小型化的問(wèn)題，僅在部分電動(dòng)汽車(chē)和火車(chē)上有示范性應(yīng)用，并且主要是混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛，車(chē)輛在正常行駛或制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，在加速或爬坡時(shí)，飛輪電池則給車(chē)輛提供動(dòng)力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)狀

11、態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。(2)航空航天。航空航天方面包括在人造衛(wèi)星、飛船、空間站上的應(yīng)用等。飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3l0倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測(cè)可控的，故可以隨時(shí)查看剩余電能。美國(guó)太空總署已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過(guò)150kW的電能。(3)不間斷電源。飛輪電池作為穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時(shí)間足以保證工廠進(jìn)行電源切換。德國(guó)GmbH公司制造了一種使用飛輪電池的UPS，在5s內(nèi)可提供或吸收5MW的電能。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用5、飛輪電池的應(yīng)用案例1987年，德國(guó)開(kāi)發(fā)了飛輪電池混合動(dòng)力汽車(chē)，利用飛輪電池吸收9

12、0%的制動(dòng)能量，并在需要短時(shí)加速等工況下輸出電能補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)功率的不足。1992年，美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司(AFS)采用纖維復(fù)合材料制造飛輪，并開(kāi)發(fā)了飛輪電池電動(dòng)汽車(chē)，該車(chē)一次充電續(xù)駛里程達(dá)到600km。三、超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超級(jí)電容器工作原理 電容器是由兩個(gè)彼此絕緣的平板形金屬電容板組成，在兩塊電容板之間用絕緣材料隔開(kāi)。電容器極板上所儲(chǔ)集的電量q與電壓成正比。電容的計(jì)量單位為“法拉”(F)。計(jì)算公式如上圖所示 式中電介質(zhì)的介電常數(shù)； A電極表面積； d電容器間隙的距離。 電容器的容量與電容板面積大小成正比，而與電容板的厚度無(wú)關(guān)。與電容板間的間隙大小成反比，當(dāng)電容元件充電時(shí)，電容元件上的電

13、壓增高，電場(chǎng)能量增大，電容器從電源上獲得電能，電容器存儲(chǔ)的能量E為三、超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超級(jí)電容器工作原理 當(dāng)外加電壓加到超級(jí)電容器的兩個(gè)極板上時(shí)，兩極板上電荷的電場(chǎng)作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場(chǎng)，這種正電荷與負(fù)電荷在兩個(gè)不同向之間的接觸面上，以正負(fù)電極之間極短間隙排列在相反的位置上，此電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。三、超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、超級(jí)電容器分類(lèi) （1）按工作原理分：雙電層型超級(jí)電容器贗電容型超級(jí)電容器（2）按電解質(zhì)類(lèi)型分：水性電解質(zhì)超級(jí)電容器有機(jī)電解質(zhì)超級(jí)電容器酸性電解質(zhì)，多采用36%H2SO4水溶液作為電解質(zhì)；堿

14、性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑；中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。三、超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、超級(jí)電容器特性超級(jí)電容主要有以下特點(diǎn)：（1）輸出功率密度高。超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，輸出功率密度高達(dá)數(shù)千瓦每千克。（2）極長(zhǎng)的充放電循環(huán)壽命。超級(jí)電容器循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次。（3）非常短的充電時(shí)間。完全充電時(shí)間只要1012min。（4）儲(chǔ)存壽命極長(zhǎng)。理論上超級(jí)電容器的儲(chǔ)存壽命幾乎可以認(rèn)為是無(wú)限的。（5）比能量低。這一缺陷制約了超級(jí)電容的應(yīng)用。三、超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用本田的

15、FCX燃料電池一超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車(chē)是世界上最早安現(xiàn)商品化的燃料電池轎車(chē)，該車(chē)已于2002年在日本和美國(guó)加州上市；日產(chǎn)公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級(jí)電容的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車(chē)，此外還推出了天然氣超級(jí)電容混合動(dòng)力客車(chē)，該車(chē)的經(jīng)濟(jì)性是原來(lái)傳統(tǒng)天然氣汽車(chē)的24倍；日本富士重工推出的電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)使用了日立機(jī)電制作的鋰離子蓄電池和松下電器制作的儲(chǔ)能電容器的聯(lián)用裝置 國(guó)內(nèi)2004年7月，我國(guó)首部“電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無(wú)軌電車(chē)”在上海張江投入試運(yùn)行，當(dāng)電車(chē)?？空緯r(shí)在30 s內(nèi)快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時(shí)速可達(dá)44 km/h； 哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團(tuán)研制的超級(jí)電容器電動(dòng)公交車(chē)，

16、可容納50名乘客，最高速度20km/h； 2010年上海世博會(huì)期間，在世博園內(nèi)也運(yùn)行了采用超級(jí)電容器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)客車(chē)。四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、燃料電池的工作原理燃料電池基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的可逆反應(yīng)燃料及氧化劑在電池的陰極和陽(yáng)極上借助催化劑的作用，電離成離子，離子能通過(guò)兩電極間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰極、陽(yáng)極間形成電壓。燃料電池的工作原理四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、燃料電池的工作原理以氫-氧型燃料電池為例，其基本原理是氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的吉布斯自由能直接轉(zhuǎn)化為電能。其化學(xué)反應(yīng)原理為：1)氫氣通入陽(yáng)極，在催化劑作用下，一個(gè)氫分子分解為兩個(gè)氫離子，并釋放出兩個(gè)電子2)在電池另一端，氧氣或空

17、氣到達(dá)陰極，同時(shí)，氫離子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極。3)在陰極催化劑的作用下，氧氣和氫離子與電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為4)總的化學(xué)反應(yīng)為四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、燃料電池的分類(lèi)不同類(lèi)型的燃料電池特性對(duì)比四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)電池組（燃料電池堆）氣源（儲(chǔ)氫和供氫系統(tǒng)）溫度調(diào)節(jié)單元（排熱）電壓調(diào)整和功率變換單元系統(tǒng)控制單元四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)美國(guó)通用汽車(chē)，2003年的氫動(dòng)三號(hào)，0100km/h加速時(shí)間為16秒，最高時(shí)速為160km/h，輸出功率達(dá)到94kW，基于歐寶賽飛利底盤(pán)平臺(tái)。美國(guó)通用汽車(chē)：雪佛蘭Equinox氫燃料電池汽車(chē)我國(guó)福田歐V燃料電池城市客車(chē)學(xué)習(xí)檢測(cè)學(xué)習(xí)小結(jié)教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容鋅空氣電池具有容量大、能量密度高、價(jià)格低廉、儲(chǔ)存壽命好、鋅可回收和反復(fù)利用、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但因其空氣電極在工作時(shí)暴露于空氣中，推廣應(yīng)用時(shí)仍存在很多問(wèn)題，目前主要在試驗(yàn)車(chē)上測(cè)試。飛輪電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度范圍寬、使用壽命長(zhǎng)、低損耗、低維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，典型的應(yīng)用是作為混合動(dòng)力車(chē)的能量回收裝置，作為車(chē)輛主要?jiǎng)恿?lái)源的應(yīng)用還不多。超級(jí)電容器的具有比功率高、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、