《電動(dòng)汽車(chē)與動(dòng)力電池》第二章

第2章動(dòng)力電池的基本概念2.1蓄電池分類(lèi)-按電解液種類(lèi)分類(lèi)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

第2章動(dòng)力電池的基本概念2.1蓄電池分類(lèi)-按電解液種類(lèi)分類(lèi)12.1蓄電池分類(lèi)-按電解液種類(lèi)分類(lèi)

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(chēng)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(lèi)-按電解液種類(lèi)分類(lèi)

1）堿性電池。堿22.1蓄電池分類(lèi)-按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類(lèi)

1）一次電池。一次電池又稱(chēng)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(chēng)海水激活電池。2.1蓄電池分類(lèi)-按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類(lèi)

1）一32.1蓄電池分類(lèi)-按電池所用正、負(fù)極材料分類(lèi)

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，如鋅錳電池、堿錳電池等。

2.1蓄電池分類(lèi)-按電池所用正、負(fù)極材料分類(lèi)

1）鋅系列電42.2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(guò)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。2.2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52.3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

除了主要組成部分外，電池還常常需要62.3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。2.3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72.4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(chē)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

1）電池單體（Cell）。電池單體是82.4電池及電池組

3）電池包（BatteryPack）。電池包也常常被稱(chēng)為電池組，是由多塊電池通過(guò)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(chēng)為電池模塊（BatteryModule）。4）電池系統(tǒng)（BatterySystem）電池系統(tǒng)是指由一個(gè)以上電池包通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的具備完善電池管理系統(tǒng)的電能供給系統(tǒng)。2.4電池及電池組

3）電池包（BatteryPack92.5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(kāi)路電壓。開(kāi)路電壓是指在開(kāi)路狀態(tài)下（幾乎沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)），電池兩極之間的電勢(shì)差，一般用C開(kāi)表示。電池的開(kāi)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(wú)關(guān)。3）額定電壓。額定電壓也稱(chēng)公稱(chēng)電壓或標(biāo)稱(chēng)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

1）電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)是電池在102.5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(guò)程中顯示的電壓，又稱(chēng)負(fù)荷（載）電壓或放電電壓。在電池放電初始時(shí)刻的（開(kāi)始有工作電流）電壓稱(chēng)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(kāi)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(chēng)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(lèi)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(zhǎng)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)-電壓

4）工作電壓。工作電壓是指112.5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(chēng)為電池容量，以符號(hào)C表示。其單位常用A·h或mA·h表示。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122.5電池的基本參數(shù)-內(nèi)阻

電流通過(guò)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(chēng)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(kāi)路電壓。充電時(shí)充電的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)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(guò)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(chēng)為電池的全內(nèi)阻。2.5電池的基本參數(shù)-內(nèi)阻

電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到阻力132.5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W·h或kW·h表示。電池的能量分為理論能量和實(shí)際能量。（1）理論能量假設(shè)電池在放電過(guò)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)-能量與能量密度

電池的能量是指電142.5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(chēng)為功率密度，又稱(chēng)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(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。2.5電池的基本參數(shù)-功率與功率密度

（1）功率152.5電池的基本參數(shù)-荷電狀態(tài)

電池荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）描述了電池的剩余電量，是電池使用過(guò)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(lái)表示，SOC的取值為：0≤SOC≤100%。目前較統(tǒng)一的是從電量角度定義SOC，如美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）在其《電動(dòng)汽車(chē)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)-荷電狀態(tài)

電池荷電狀態(tài)（Sta162.5電池的基本參數(shù)-放電深度

放電深度（DepthofDischarge，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)-放電深度

172.5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(chēng)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(chēng)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

182.5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(guò)程。這是因?yàn)樵诔浞烹娧h(huán)過(guò)程中，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生一些不可逆的過(guò)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(guò)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）在電池工作過(guò)程中，某些電極材料發(fā)生腐蝕。4）在循環(huán)過(guò)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(guò)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)-使用壽命

隨著充放電循環(huán)次192.5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(méi)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(lái)表示。2.5電池的基本參數(shù)-自放電率

自放電率是電池202.5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)-不一致性

電池的不一致212.5電池的基本參數(shù)-成本

電池的成本與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開(kāi)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(chē)的造價(jià)也較高。開(kāi)發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵。2.5電池的基本參數(shù)-成本

電池的成本與電222.5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232.5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(shuō)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242.5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(lái)說(shuō)，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。2.5電池的基本參數(shù)-放電制度

放電制度252.6充電方法

電池充電通常應(yīng)該完成三個(gè)功能：①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；②消除電池在放電使用過(guò)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(xiàn)2.6充電方法

電池充電通常應(yīng)該完成三個(gè)功能：①盡快使262.6充電方法-常規(guī)充電方法

（1）恒流充電法恒流充電方法是通過(guò)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(jiǎn)單，但由于電池的可接受電流能力是隨著充電過(guò)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(xiàn)如圖2-5所示。圖2-5恒流充電曲線(xiàn)2.6充電方法-常規(guī)充電方法

（1）恒流充電法圖2-272.6充電方法-常規(guī)充電方法

（2）恒壓充電法在蓄電池充電過(guò)程中，充電電源電壓始終保持一定，叫做恒壓充電。充電開(kāi)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(guò)小，形成長(zhǎng)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(chē)運(yùn)行過(guò)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(xiàn)如圖2-6所示。2.6充電方法-常規(guī)充電方法

（2）恒壓充電法282.6充電方法-常規(guī)充電方法

2.6充電方法-常規(guī)充電方法

292.6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(xiàn)為該鉛酸電池充電參數(shù)變化情況。2.6充電方法-常規(guī)充電方法

（3）階段充電法302.6充電方法-快速充電方法

1）脈沖式充電法該方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(mǎn)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

1）脈沖式充電法312.6充電方法-快速充電方法

2.6充電方法-快速充電方法

322.6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(guó)的一項(xiàng)專(zhuān)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(wèn)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

（2）Re