《動力電池及能量管理技術(shù)》課件-任務(wù)2 電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識VIP

項目一電動汽車動力電池基礎(chǔ)認知PART011.了解動力電池的主要類型。2.理解動力電池的基本組成及工作原理。3.掌握動力電池的基本參數(shù)及應(yīng)用要求。任務(wù)目標一、動力電池的類型（一）按照電池的工作性質(zhì)及使用特征分類任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識1.一次電池一次電池又稱“原電池”或者“干電池”，是指放電后不能用充電的方法使它復原的電池，即該類電池只能使用一次，放電后電池只能廢棄。2.二次電池二次電池又稱“蓄電池”，是指放電后可以用充電的方法使活性物復原而能再次放電，且可反復循環(huán)使用的一類電池。這類電池實際上是一個化學能量儲存裝置，用直流電將電池充足，使電能以化學能的形式儲存在電池中。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識3.儲備電池儲備電池又稱“激活電池”，這類電池的正、負極活性物質(zhì)和電解液不直接接觸，使用前臨時注入電解液或用其他方法激活電池。4.燃料電池燃料電池又稱“連續(xù)電池”，即只要活性物連續(xù)注入電池，就能長期不斷地連續(xù)放電的一類電池。其特點是電池自身只是一個載體，不存儲任何電能。當需要電能時將反應(yīng)物從外部送入電池中即可，如氫燃料電池、肼空氣燃料電池等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識（二）按照電池的反應(yīng)原理分類1.化學電池化學電池利用物質(zhì)的化學反應(yīng)發(fā)電，按照工作性質(zhì)，化學電池可分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲備電池；按照電解質(zhì)不同，可分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機電解質(zhì)電池、非水無機電解質(zhì)電池和固體電解質(zhì)電池等；按照電池的特性，可分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護電池和防爆電池等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識2.物理電池物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池，如太陽能電池、超級電容和超高速飛輪電池等。3.生物電池生物電池是利用生物化學反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池和生物太陽能電池等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識（三）按照電池的應(yīng)用分類動力電池按照其應(yīng)用分為兩種不同的類型：能量型電池和功率型電池。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識1.能量型電池能量型電池指以高能量密度、高容量為特點，單位時間內(nèi)輸出電量多，能夠給車輛提供較高的續(xù)駛里程，但是最大放電電流較低。2.功率型電池功率型電池指以高功率密度為特點，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電功率較高，其提供的電磁轉(zhuǎn)矩較大，能夠給車輛提供較高的轉(zhuǎn)速，支持較大的最大持續(xù)與最大瞬間放電電流，但電池容量相對較低。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識（四）按電池所用正負極材料分類1.鋅系列電池以金屬鋅為負極材料的化學電源稱為鋅系列電池。金屬鋅具有容量高、資源豐富等優(yōu)點。目前已廣泛應(yīng)用的鋅系列電池有鋅錳電池、鋅銀電池等。鋅系列電池的主要特征為：（1）鋅負極活性物質(zhì)的組成特征：一次電池、儲備電池、鋅空氣燃料電池直接采用單質(zhì)或合金鋅這種充電態(tài)負極形式；蓄電池多采用氧化鋅這種放電態(tài)負極形式。（2）鋅負極的電極結(jié)構(gòu)特征：一次電池采用鋅箔和鋅粒；儲備電池采用電沉積鋅粉干壓或濕壓成箔式，或直接電沉積鋅箔；蓄電池多采用粘結(jié)式氧化鋅負極結(jié)構(gòu)。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識2.鎳系列電池鎳系列電池是指采用金屬作為負極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作為正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。大型袋式和開口式鎳系列電池主要用于鐵路機車、礦山、裝甲車輛、飛機發(fā)動機等作為起動或應(yīng)急電源。圓柱密封式鎳系列電池主要用于電動工具、剃須器等便攜式電器。小型扣式鎳系列電池主要用于小電流、低倍率放電的無繩電話、電動玩具等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識3.鉛系列電池鉛酸電池，是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛蓄電池的優(yōu)點是工作電壓平穩(wěn)、使用溫度及使用電流范圍寬、充放電循環(huán)次數(shù)多、儲存性能好、造價較低，目前廣泛應(yīng)用于汽車、火車、拖拉機、摩托車、電動車以及通信、電站、電力輸送、儀器儀表、UPS電源和飛機、坦克、艦艇、雷達系統(tǒng)等領(lǐng)域。其缺點是比能量（單位重量所蓄電能）小，而且會對環(huán)境造成污染。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識4.鋰系列電池鋰系列電池分為動力鋰電池和鋰離子電池。鋰電池是一種二次電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。鋰電池具有電壓高、工作溫度范圍寬、比能量大、循環(huán)壽命長、自放電小等優(yōu)點，其缺點是生產(chǎn)成本高、使用條件有限制且高低溫使用危險性較大等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識5.二氧化錳系列電池二氧化錳電池是以鋅、鎂、鋰等金屬為負極、二氧化錳為正極的系列電池。電解液采用堿性的KOH水溶液，所以叫作堿性二氧化錳電池。二氧化錳電池結(jié)構(gòu)簡單，所使用的原材料來源豐富，所以其成本低、價格便宜，而且使用方便，不需維護，便于攜帶。由于這些優(yōu)點，與其他電池系列相比，堿性二氧化錳電池在民用方面具有很強的競爭力，被廣泛地應(yīng)用于信號裝置、儀器儀表、通信、計算器、照相機閃光燈、收音機、BP機、電動玩具及鐘表、照明等各種電器用具的直流電源。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識6.空氣（氧氣）系列電池空氣（氧氣）電池是新一代綠色二次電池的代表之一，包括鋅空氣電池、鋁空氣電池、鋰空氣電池和鎂空氣電池等，具有成本低、無毒、無污染、比功率高、比能量高等優(yōu)點，是替代傳統(tǒng)電池的理想產(chǎn)品。為解決金屬空氣電池電極的腐蝕及自放電現(xiàn)象，需要注意：（1）選用合理的電極材料和制造工藝。（2）合理地配置電解液。（3）開發(fā)高效的催化劑，提高氧空氣電極活性。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識二、動力電池的基本組成與工作原理任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識（一）單體電池的基本組成單體電池主要由正極板、負極板、電解質(zhì)（電解液）、隔板（隔膜）、外殼及極樁等構(gòu)成。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識1.正極板正極板是由正極板柵和涂于正極板柵的活性物質(zhì)組成，它在電池放電時發(fā)生還原反應(yīng)并獲得來自外電路的電子。正極板上的活性物質(zhì)是某種氧化物或硫化物以及一些其他混合物。典型的正極材料有二氧化鉛和氫氧化鎳等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識2.負極板負極板是由負極板柵和涂于負極板柵的活性物質(zhì)組成的，它在電池放電時發(fā)生氧化反應(yīng)并向外電路釋放出電子。負極板的活性物質(zhì)是某種金屬或合金。典型的負極材料有鉛和鎘等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識3.電解質(zhì)電解質(zhì)是使電池正負極之間具有離子導電性的介質(zhì)。電解質(zhì)在電極發(fā)生反應(yīng)時應(yīng)具有較高的離子導電性，同時還必須對電子絕緣，以免在電池內(nèi)部發(fā)生自放電。電解質(zhì)的材料一般是液體、膠體或者固體，它可以是酸性的，也可以是堿性的，取決于電池的類型。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識4.隔板（隔膜）在鉛酸蓄電池中，兩極板之間需插入隔板以防止正、負極板相互接觸發(fā)生短路，隔板材料包括木質(zhì)、橡膠、微孔橡膠、微孔塑料、玻璃等。隔膜是一層具有電絕緣特性的物質(zhì)，具有使電解質(zhì)中離子通過及儲存、固定電解質(zhì)的功能。目前動力電池所用的隔膜都是由高分子聚合物制成的。實際應(yīng)用中，隔膜又分為單層PP或PE隔膜、雙層PE/PP復合隔膜以及三層PP/PE/PP復合隔膜等。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識5.外殼外殼是電池的容器，具有保護和容納電池內(nèi)部正負極板、電解液、隔板等作用，還有密封防塵的功能。電池的外殼材料必須能經(jīng)受電解質(zhì)的腐蝕，而且應(yīng)該具有一定的機械強度。鉛酸電池一般采用硬橡膠。堿性蓄電池一般采用鍍鎳鋼材。近年來，由于塑料工業(yè)的發(fā)展，各種工程塑料諸如尼龍、ABS、聚丙烯、聚苯乙烯等已成為電池殼體常用的材料。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識6.正負極樁正負極樁是電池正負極板與外部電路的連接點，也稱為電極樁。它可以給外部電路提供工作電壓。除了上述主要組成部分以外，電池還常常需要導電柵、匯流體、安全閥等零件。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識（二）動力電池的工作原理當無源電路元件連接到電池極樁上時，電池負極釋放電子，正極獲得電子，從而使外電路中產(chǎn)生電流。在這個過程中，電池放電。當電池放電時，正極從外部電路獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)；負極向外電路釋放電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。若給動力電池提供高于電池端電壓的電源，使電流能夠反向流入電池中，就完成了給電池充電的過程。當電池充電時，正極向外電路釋放電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；負極從外電路獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識電池正極的反應(yīng)如以式（1-1）所示，當電池充電時，電池正極的物質(zhì)A發(fā)生氧化反應(yīng)，生成物質(zhì)C并同時對外電路釋放電子，對電解質(zhì)釋放出陽離子。放電時則正好相反，正極上的材料吸收電子并與離子結(jié)合，最終生成物質(zhì)A。電池負極發(fā)生的反應(yīng)如式（1-2）所示，當電池充電時，電池負極的物質(zhì)B與電解質(zhì)中的陽離子連同外電路的電子共同作用產(chǎn)生不帶電的物質(zhì)D。電池放電時反應(yīng)正好相反。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識三、動力電池的性能指標與應(yīng)用要求（一）性能指標1.電壓（1）電動勢。

（2）端電壓和終止電壓。（3）開路電壓。

（4）工作電壓。（5）額定電壓。

（6）充電電壓。（7）電壓效率。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識2.內(nèi)阻電池的內(nèi)阻是指電流通過電池內(nèi)部時所受到的阻力。一般所說的內(nèi)阻是指充電態(tài)內(nèi)阻及電池滿電時的內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指化學電源的正極與負極在電化學反應(yīng)進行時由于極化所引起的內(nèi)阻。（1）正負極電阻。

（2）電解液電阻。（3）隔板電阻。

（4）連接體電阻。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識3.容量和比容量（1）容量。電池完全放電的過程中，電極的通電材料所能釋放出的電荷數(shù)量稱為電池容量，用符號C表示，其單位為安·時（A·h）。表征電池容量特性的專用術(shù)語有三個，即理論容量、額定容量和實際容量。（2）比容量。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，相應(yīng)地也稱為質(zhì)量比容量或體積比容量。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識4.能量和比能量（1）能量。電池的能量是指電池在一定放電條件下，對外做功所能輸出的電能，通常用瓦·時（W·h）表示，它等于電池的放電容量和電池平均工作電壓的乘積。衡量電池能量的標準有兩個，即理論能量和實際能量。（2）比能量。比能量即電池的能量密度，是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，相應(yīng)地稱為質(zhì)量能量密度（W·h/kg）或體積能量密度（W·h/L）。能量密度也分為理論能量密度和實際能量密度。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識5.電能效率電能效率是指電池的能量輸出效率，是電池放電時輸出的能量與充電時輸入的能量之比，影響能量效率的因素是電池的內(nèi)阻，它使電池充電電壓增加，放電電壓下降，造成電池能量的損耗。電池及電池組的內(nèi)阻越小，無用的熱耗就越小，輸出效率就越大。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識6.功率和比功率電池的功率是指在一定的放電條件下，電池在單位時間內(nèi)所輸出的能量。單位是瓦或千瓦。電池的單位質(zhì)量或單位體積的功率稱為電池的比功率，它的單位是瓦/千克或瓦/升。如果一個電池的比功率較大，則表明在單位時間內(nèi)，單位質(zhì)量或單位體積中給出的能量較多，即表示此電池能用較大的電流放電。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識7.荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)，又稱剩余電量，是指電池當前還有多少電量。常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值，稱荷電程度，是最不易獲得的參數(shù)，指示的荷電程度總是非線性變化的。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識8.儲存性能和自放電電池的儲存性能是指電池在開路時，一定條件下（如濕度、溫度等）儲存一定時間后主要性能參數(shù)的變化，包括容量的下降、外觀情況有無變化或滲液現(xiàn)象。對于所有的化學電池，即使在與外部電路沒有接觸的條件下開路設(shè)置，經(jīng)過干儲存（不帶電解液）或濕儲存（帶電解液）一定時間后，其容量會自行降低，這個現(xiàn)象稱自放電，也稱為荷電保持能力。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識9.壽命（1）儲存壽命。儲存壽命指從電池制成到開始使用之間允許存放的最長時間，以年為單位。包括儲存期和使用期在內(nèi)的總期限稱電池的有效期。（2）使用壽命與循環(huán)壽命。使用壽命是指電池實際使用的時間長短。充放電循環(huán)壽命，是衡量二次電池性能的一個重要參數(shù)。經(jīng)受一次充電和放電，稱為一次循環(huán)。在一定的充放電制度下，電池容量降至某一規(guī)定值之前，電池能耐受的充放電次數(shù)，稱為二次電池的充放電循環(huán)壽命。任務(wù)2電動汽車動力電池基礎(chǔ)知識10.不一致性