動力蓄電池及儲能裝置.ppt

1、第三章 動力蓄電池及儲能裝置,按反應原理分為三大類：,堿性電池以氫氧化鉀水為電解液，如堿性鋅錳電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等；,按電池的電解液種類分為四大類,酸性電池主要以硫酸水溶液為介質(zhì)，如鉛酸蓄電池；,中性電池以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池；,有機電解液電池以有機溶液為介質(zhì)，如鋰電池、鋰離子電池等。,一、電能儲存裝置的種類,鋅系列有鋅錳電池、鋅銀電池等；,按電池的正負極材料分為六大類,按電池特征功能分為四大類,鎳系列有鎳鎘電池、鎳氫電池等；,鋰系列有鋰離子電池、鋰錳電池、聚合物鋰電池、磷酸鐵鋰電池；,二氧化錳系列有鋅錳電池、堿錳電池等；,空氣(氧氣)系列有鋅空氣電池、鋁空氣電池等。,一次電池為不

2、可充電的原電池，若電解質(zhì)不流動則稱干電池；,二次電池為可充電的蓄電池，是目前電動汽車所用的主要動力電池；,鉛系列電池有鉛酸電池等；,燃料電池又稱“連續(xù)電池”，將活性物質(zhì)不斷注入能連續(xù)放電的電池；,電動汽車的電能儲存裝置主要有：二次電池、超級電容器、飛輪電池、太陽能電池和車載發(fā)電裝置等。 1 二次電池(Secondary Battery)又叫可充電電池(Rechargeable Battery) 現(xiàn)代電動汽車最常用的二次電池有鉛酸蓄電池(Lead-acid)、鎳-氫(Ni-MH)電池、鋰離子(Lithium-ionization)電池、鎳-金屬氫化物(Ni-MH)電池和鐵電池等五類；蓄電池(St

3、orage Battery)習慣上指鉛酸蓄電池，也屬于二次電池。 2超級電容器（Super Capacitor）又叫電化學電容器 它是一種新型的、雙電層電容器，與常見的物理電容器不同。其特點是電容量大，比物理電容器的極限容量高3-4個數(shù)量級，達到了103F/g以上。 3飛輪電池FWB(FlyWheel Battery)亦稱飛輪儲能器、高速或超高速飛輪儲能器 它是利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲存和釋放電能的一種裝置。這種電能儲存裝置目前應用得較少，但其應用前景仍然被不少研究和開發(fā)人員看好。,一、電能儲存裝置的種類,電動汽車的電能儲存裝置主要有：二次電池、超級電容器、飛輪電池、太陽能電池和車載發(fā)電裝置等。 4

4、 太陽能電池 (solar cell）將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的器件（本課程不講授） 它是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的濕式太陽能電池則還處于萌芽階段。 5車載發(fā)電裝置 車載發(fā)電裝置主要有風力發(fā)電、質(zhì)子交換膜發(fā)電等。,一、電能儲存裝置的種類,二、電能儲存裝置的主要性能指標,對于EV，其電能儲存裝置應具有盡可能高的比能量，以保證汽車的續(xù)駛里程; 對于HEV，其電能儲存裝置則應具有盡可能高的比功率，以保證汽車的動力性。,幾種二次電池的比能量和比功率比較,鐵電池主要用于高放電需求的產(chǎn)品，擁有比堿性電池長7倍以上的使用

5、壽命，而且自放電低、儲藏壽命長達15年，可大幅減少電池丟棄數(shù)量。此外，由于采用高能金屬元素鋰和全自然的硫化鐵元素，鉛、汞含量為零，所以它又被認為是一款真正的綠色環(huán)保電池。 有高鐵和鋰鐵兩種，高鐵電池以合成穩(wěn)定的高鐵酸鹽（K2FeO4、BaFeO4等）為正極材料。,鐵電池,常用二次電池的的性能比較,超級電容在壽命、比功率和充、放電效率方面具有明顯優(yōu)勢； 鋰離子電池則在比能量和比功率方面具有極強的競爭力； 鉛酸蓄電池各種指標均處于中等水平。但其突出優(yōu)點是成本低、可靠性高。,注：從優(yōu)到差的順序為,1基本術(shù)語 充電/放電：外部電源輸入直流電能轉(zhuǎn)換為化學能貯存的過程/將化學能以電能釋放而向外電路輸送電流

6、； 放電容量：電池在標準規(guī)定條件下的放電電量或有效工作時間； 短路電流：電池短路后一瞬間流過的電流，可達額定電流的數(shù)十倍。 放電率：放電率指放電時的速率，常用“時率”和“倍率”表示。 “時率”指以一定的放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)，“倍率”指電池在規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量時所輸出的電流值，數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。 “時率”和“倍率”在數(shù)值上互為倒數(shù)。 荷電狀態(tài)SOC:使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分數(shù)表示。 放電深度DOD: 指當前放電狀態(tài)，DOD=1-SOC 活性物質(zhì)：電池放電時，能進行氧化或還原反應而產(chǎn)生電能的電極材料； 充電率：充電時的速

7、率，也用時率和倍率表示； 恒壓充電/恒流充電：保持充電器端電壓不變/充電電流保持不變； 極化：極化是電池由靜止狀態(tài)(電流i=0)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)(i0)產(chǎn)生的電池電壓、電極電位的變化現(xiàn)象。 極化現(xiàn)象有陽極極化、陰極極化、歐姆極化(電阻極化)、濃差極化和電化學極化 充電效率：指充入電池的電能與所消耗總電能的百分比。,三、二次電池的基本概念,2. 主要性能指標 開路電壓：電池不放電處于斷路狀態(tài)時，電池兩極之間的電位差被稱作開路電壓。開路電壓下降很快或低于公稱電壓值時則是不正常的； 內(nèi)阻：內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化電阻兩部分。極化電阻是電極反應形成的，與電極反應的本質(zhì)及電池材料有關(guān)； 工作電壓：受放電制度的

8、影響很大。放電制度是指電池放電時所規(guī)定的各種條件，主要包括放電方式（連續(xù)的還是間斷的）、放電電流、放電時間、終止電壓、放電電阻、放電環(huán)境溫度的高低等。 終止電壓：電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止電壓。在低溫或大電流放電時，電極極化大，活性物質(zhì)不能得到充分利用，電池電壓下降較快，因而終止電壓低。 放電曲線：電池工作電壓隨放電時間的變化曲線。下圖為6 Ah的 Li離子電池在不同放電率下的放電曲線。可以看出，放電電流越大(時率越小)，終止電壓越低。,容量(Ah)：在一定放電制度下，電池給出的電量或有效工作時間?？煞譃槔碚撊萘?、實際容量、額定容量和標稱容量等. 理論容量：根據(jù)蓄電池活性物

9、質(zhì)的特性，按法拉第定律計算出的最高理論值，一般用質(zhì)量容量(Ahkg)或體積容量(AhL)來表示; 實際容量：在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時間的乘積; 額定容量(保證容量)：按一定標準所規(guī)定的放電條件下，電池應該放出的最低限度的容量，達不到此值時，可認為該電池不合格; 標稱容量(公稱容量)：用來鑒別電池適當?shù)慕瓢矔r值，由于是在沒有指定的放電條件，因此，只標明電池的容量范圍而沒有確切值； 能量(kWh)：在一定的放電條件下，電池對外做功時所能輸出的電能； 功率(kW)：在一定的放電制度下，電池在單位時間內(nèi)所輸出的能量。電池的功率決定電動汽車的加速性能和最高車速等; 成本： 電池

10、的成本與電池的新技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān); 壽命：指使用時間的長短或充、放電循環(huán)次數(shù)，單位為年、小時或循環(huán)次數(shù)。,何時用容量來衡量？什么情況下用能量表示？,思考,蓄電池的放電方式,1）工況放電。模擬實際運行時負荷的相應負載放電；2）倍率放電。蓄電池以額定電流倍數(shù)值進行的放電；3）深度放電。50或更大容量被釋放的程度；4）恒流放電。以受控的恒定電流進行放電；5）恒功率放電。以受控的恒定功率進行放電。,充電效率：指充入電池的電能與所消耗總電能的百分比。,2）恒壓充電 保持充電器端電壓不變的充電法；,3）涓流充電 為補充自放電以保持完全充電狀態(tài)的小電流充電；,1）恒流充電 充電電流保持

11、不變的充電法；,蓄電池的充電方式,要求：以高比功率提高加速、爬坡性能；高比能量延長續(xù)駛里程；并有壽命長、安全可靠、免維護、成本低、效率高、污染小、使用溫度寬以及制作電池的原材料豐富等。,各類動力儲能裝置的性能比較,3. 性能比較,電池能量密度和比能量的變化,汽車的續(xù)駛里程、車速等與蓄電池的放電電流、放電端電壓、效率、輸出功率等密切相關(guān)。 放電特性通?？杀硎緸? U0Ub+Ib Ri 式中： U0蓄電池的開路端電壓(V)； Ub蓄電池放電時的端電壓(V)；Ib蓄電池的放電電流(A)；Ri蓄電池的內(nèi)阻(). 輸出功率 PbIb UbIb (U0-Ib Ri ) 效率: b(Ib Ub)(Ib U0

12、 )(U0-Ib Ri) U01-(Ib Ri) U0 蓄電池能輸出的最大功率為: PbmaxU02(4 Ri) 輸出最大功率時的放電電流為: IbmaxU0(2 Ri),電流、功率和效率的關(guān)系,放電電流Ib 與輸出功率 Pb、蓄電池的開路端電壓U0和放電時的端電壓Ub 之間的關(guān)系如下圖所示。,初步確定蓄電池的單電池數(shù)量 假設(shè)某HEV需要的最大電功率為30kW，單節(jié)電池的開路端電壓U0=2 V，蓄電池的內(nèi)阻Ri=0.015。試計算所需電池數(shù)量。 則單節(jié)蓄電池能輸出的最大功率Pbmax =22(40.015)=66.66W，所需蓄電池的單電池節(jié)數(shù)n=30000/66.66=450節(jié)。,四、 蓄電

13、池充電原理與充電器,充電方法與充電過程 1. 充電方法 蓄電池的充電可分為恒(定)流充電、恒(定)壓充電和脈沖快速充電三種不同的充電方法。 (1)恒流充電充電過程中使充電電流保持不變的充電方法 優(yōu)點：適應性好、容易將蓄電池完全充足，并有益于延長壽命。 缺點：充電過程中需根據(jù)逐漸升高的蓄電池電動勢調(diào)節(jié)充電電壓，以保持充電電流不變，充電時間也較長。 涓流充電：恰好能抵消電池自放電的一種充電方法，該充電速率對滿充電的電池長期充電有利； 最小電流充電：能使深度放電的電池有效恢復電池容量的前提下，把充電電流盡可能地調(diào)整到最小的方法； 標準充電：采用標準速率充電，充電時間為一定值； 高速率充電：在3h內(nèi)就

14、能充滿電的方法，需要自動控制保護電路。,(2)恒壓充電充電過程中保持充電電壓不變的充電方法 充電電流隨蓄電池電動勢的升高而逐漸減小。充電電壓過高會造成充電初期充電電流過大和過充電，如果電壓過低則會使蓄電池充電不足。 優(yōu)點：充電時間短、充電過程無需調(diào)節(jié)電壓，較適合于補充充電； 缺點：不易完全充足，充電初期大電流充電對極板會有不利的影響。,(3)脈沖充電充電過程中電流、電壓不斷變化的充電方法 通常，先用脈沖電流對電池充電，然后讓電池短時間、大脈沖放電，在整個充電過程中使電池反復充、放電，達到快速充電的目的。,2. 充電過程 理想的充電過程應分為預充電、快速充電、補足充電、涓流充電四個階段。 前24

15、0s為預充電；其后為快速充電，電流一般在l C以上，快速充電時間由電池容量和充電速率決定；快速充電結(jié)束時電池并未充足，為了保證電池充入100的電量，還應增加補足充電過程；補足充電的速率為0.2C左右，在補足充電過程中，當電池溫度上升到超過55時，應使充電器自動轉(zhuǎn)入涓流充電過程。,安裝了控制器的智能充電器的充電過程,3脈沖快速充電 小電流充電，電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量能夠自然散去，溫度不致過高，且不會產(chǎn)生過多的氣體，但充電時間太長，無法滿足HEV的使用要求。 (1)快速充電的理論基礎(chǔ) 快速充電需要研究和解決的關(guān)鍵問題是蓄電池充電可接受電流和充電極化問題。充電接受能力是指在電解液只產(chǎn)生微量分解析氣的前提下

16、所能夠接受的最大充電電流：I=I0e-at I表示在充電過程中某一時刻t蓄電池的充電可接受電流；I0表示開始充電時蓄電池的充電可接受電流；a表示充電可接受電流衰減常數(shù)。 在充電的任一時間t，只要充電電流大于當時的可接受電流，就會出現(xiàn)“過充電”的現(xiàn)象。 縮短充電時間的有效方法是使充電電流盡可能接近可接受電流。,(2)脈沖快速充電法 原理：利用蓄電池充電初期可以接受大電流的特點，在充電初期，采用大電流(鉛酸電池時：0.81C20)對蓄電池進行定流充電，使蓄電池在短時間內(nèi)達到60左右的容量；當單格電池電壓達到2.4V(鉛酸電池)，電解液開始冒氣泡時，則通過脈沖充電方法消除極化。 第一步：用0.81C

17、20電流對蓄電池進行定流充電； 第二步：停止充電25ms左右，使歐姆極化消失，依靠擴散作用，使?jié)獠顦O化部分消失； 第三步：放電，放電的脈寬一般為1501500s，最大幅度為1.53倍的充電電流(反向電流)，以消除電化學極化的電荷積累和極板孔隙中形成的氣體； 第四步：停止充電25ms。 優(yōu)點：能夠縮短充電時間(初充電不超過5h，補充充電只需0.51.5h)，分解析氣量小，污染小，效率高。 缺點：不能將蓄電池完全充足， 且對蓄電池的壽命有不利的影響。,(3)快速充電終止控制方法 常見的快速充電終止控制方法有定時控制、溫度控制和電壓控制等。 定時控制 根據(jù)電池的容量和充電電流，計算所需的充電時間，如

18、對鎳鎘電池而言，采用1.25C充電速率時，電池l h可充足；采用2.5C充電速率時，30min可充足。只有充電速率小于0.3C時才允許采用這種方法。,溫度控制 通常，當電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，立即停止快速充電。為了實現(xiàn)這個功能，必須對電池的溫度進行檢測和控制。常用的溫度控制方法有： （1）最高溫度法：當充電過程中電池溫度達到45時，立即停止快速充電。用與電池安裝在一起的熱敏電阻檢測電池溫度。缺點是熱敏電阻的響應時間較長，且電池的最高工作溫度與環(huán)境溫度有關(guān)； （2）溫升(T)：當電池的溫升達到規(guī)定值后，立即停止快速充電。優(yōu)點是可消除環(huán)境溫度的影響；缺點是必須用兩只熱敏電阻； （3）溫度變化率(

19、Tt) ：電池充足電后，溫度迅速上升，而且上升速率Tt基本相同，當電池溫度每分鐘上升1時，應當立即終止快速充電， （4）最低溫度(Tmin)：當電池溫度低于10時，采用大電流快速充電，會影響電池的壽命。,電壓控制 （1）最高電壓法: 在充電過程中，當電池電壓達到規(guī)定值后，應立即停止快速充電。缺點是難以精確判斷電池已充足。由于電池充足的最高電壓隨充電速率、環(huán)境溫度而變化，并且電池組中各單體電池的最高充電電壓有所區(qū)別，因此用于確定終止快速充電的時間的最高電壓值事先難以準確給出。 （2）電壓負增量(U) 法:由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，且不受充電速率和環(huán)境溫度等的影響。因此，可以認為

20、充電過程中電壓出現(xiàn)負增量的時刻就是電池已充足電的時刻。缺點是電池電壓出現(xiàn)負增量后，電池已經(jīng)過充電。另外，此法對經(jīng)過較長時間后電池電壓才出現(xiàn)負增量的電池(如鎳氫電池)，將導致嚴重的過充電。 （3）電壓零增量(0U)法: 綜合控制,1、種類 直接充電器 帶過壓、欠壓保護電路、電池反接保護電路等功能的自動（智能）充電器 2、組成 降壓電路：變壓器降壓和電容降壓兩大類； 整流電路：單向半波、全波、橋式全波整流等多種形式； 控制電路： 各種保護電路：,充電器,自動充電器的組成框圖,電動汽車的蓄電池充電器 1、基本功能：對市電進行電力轉(zhuǎn)換并提供直流電；供給與蓄電池額定條件相對應的電力；當蓄電池充滿后自動停

21、止充電。 2、類型： 車載和非車載兩種；接觸式和感應式 車載充電器一般設(shè)計為小充電率，充電時間長（58h）。充電器和電池管理系統(tǒng)（負責監(jiān)控蓄電池的電壓、溫度和荷電狀態(tài)）均安裝在汽車上，相互之間容易利用電動汽車的內(nèi)部線路網(wǎng)絡進行通訊。 非車載充電器一般設(shè)計為大充電率，質(zhì)量和體積也較大。與電池管理系統(tǒng)在物理位置上是分開的。,接觸式(亦稱耦合或傳導式)： 將一根帶插頭的交流動力電纜線直接插到電動汽車的插座中給電池充電。 特點：簡單、效率高、不足主要是充電電流小，充電時間長。 感應式：通過電磁感應耦合的方式進行能量轉(zhuǎn)換從而給電池充電。 特點：使用方便，在惡劣的氣候環(huán)境下進行充電也無觸電的危險。充電器將

22、5060Hz的普通電轉(zhuǎn)換成80300Hz的高頻電，然后將高頻交流電感應到電動汽車上。充電時間大大縮短。,蓄電池監(jiān)測系統(tǒng) 1、必要性 (1)動力蓄電池在制造過程中，制作工藝等的差別，導致即使同一批次的電池，也存在著容量、端電壓等的差異； (2)蓄電池組在使用過程中，有時會出現(xiàn)單只電池損壞的情況，若未能及時發(fā)現(xiàn)這種情況，將導致其它蓄電池的性能受到嚴重影響，進而造成蓄電池組的損壞。 2、組成：電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、CPU及顯示系統(tǒng)等組成。 監(jiān)測的電池主要參數(shù)有：電壓、內(nèi)阻、電解液濃度及充電溫度等、 電壓的測量方法有電阻分壓法、繼電器開關(guān)切換法和分布式電壓測量法等 CPU根據(jù)輸入的電池和汽車運行

23、狀態(tài)等參數(shù)向控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令及顯示有關(guān)參數(shù)；顯示系統(tǒng)實時顯示電池的電壓、溫度等工作狀態(tài)參數(shù)。,五、幾種典型的二次電池,1、鉛酸蓄電池以酸性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池 鉛酸蓄電池是一種酸蓄電池，其特點是電極材料為鉛及其氧化物。 分類：半密封式及密封式；排氣式和非排氣式；貧液式和富液式；動力用和起 動機用；裝有密封氣閥的密封鉛酸電池常稱為閥控鉛酸蓄電池。 編號： 電動道路車輛用鉛酸蓄電池GB/T 18332.1-2001的命名規(guī)則；,閥控密封式鉛酸蓄電池以“m”表示;免維護鉛酸蓄電池以“w”表示; 水平鉛酸蓄電池以“s”表示。,可以看出，放電過程中生成H2O，H2SO4的濃度會逐漸減小。因此，鉛酸

24、蓄電池的放電深度和H2SO4的濃度(電解液的密度)密切相關(guān)。故可以用比重計來測定H2SO4的密度，進一步測量鉛酸蓄電池的放電深度。,工作原理 鉛酸蓄電池的充、放電反應可以用下列化學方程式表示：,PbO2 + 2H2SO4 + Pb,PbSO4 + 2H2O + PbSO4,正極 負極 正極 負極,負極的鉛氧化成二價鉛離子Pb2+，釋放了兩個電子，形成了硫酸鉛PbSO4。正極上的四價鉛離子Pb4+被還原成二價鉛離子Pb2+，得到兩個電子，也轉(zhuǎn)變成硫酸鉛PbSO4,構(gòu)造,排氣閥式鉛酸蓄電池,普通鉛酸蓄電池,蓄電池容量的影響因素 極板構(gòu)造的影響：極板面積大，參與電化學反應的活性物質(zhì)多，容量大； 放電

25、電流的影響: 放電電流越大，極板孔隙內(nèi)參加電化學反應的活性物質(zhì)數(shù)量減少，從而導致了蓄電池容量的下降，允許的放電時間越短，（單位時間消耗的H2SO4越多，PbSO4產(chǎn)生速率越高，極板孔隙會很快被PbSO4阻塞，電解液不能及時滲透，造成孔隙內(nèi)的電解液密度急劇下降，使蓄電池端電壓很快下降至終止電壓。,電解液溫度的影響 電解液溫度低，粘度大，滲透能力下降 蓄電池的容量下降 電解液的溶解度與電離度也隨溫度降低而降低 溫度每下降1，容量下降約為1(小電流放電)或2(大電流放電)； t=035范圍時，可以將t下的實際放電容量Ct折算成25時的標準容量C25，即C25=Ct/1+ k(t-25) 式中：k-溫

26、度補償系數(shù)，10h、5h、3h和1h放電時，k的取值依次為0.006/、0.007/、0.008/和0.01/。,可見：電池的熱管理極為重要！,電解液密度的影響 密度過低時會因為離子數(shù)量少而導致容量下降；密度過高則又會因為其粘度增大、滲透能力降低、內(nèi)阻增大、極板容易硫化而導致容量下降。因此，容量的最大值對應某一電解液密度。,對于起動型蓄電池，在防止冬季使用時電解液結(jié)冰的前提下，盡可能采用偏低密度的電解液,鉛酸蓄電池的特性及充、放電特性,測定電解液的濃度來了解鉛酸蓄電池的電動勢與開路電壓 鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池恒電流放電特性,蓄電池的放電電壓還與放電電流密切相關(guān)，大電流放電時蓄電池的端電

27、壓下降明顯。平緩部分縮短(圖中BC段)，曲線的斜率也很大，放電時間縮短。,測定電解液的濃度來了解鉛酸蓄電池的電動勢與開路電壓 鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池恒電流放電特性,充電曲線,放電曲線,鉛酸蓄電池的性能指標,以10C3放電電流放電時,其容量為50%,以C3放電電流放電時,容量可達95%以上； 比能量隨比功率的增加而減少； 放電深度超過50%，輸出功率明顯下降。放電深度越深，需要的輸入功率越大。,危害 鉛毒 鉛酸電池工廠的鉛塵 對人體的毒害 酸霧 銻和砷、鎘,鋰電池,負極用金屬鋰作活性物質(zhì)均為鋰電池，包括鋰原電池和二次鋰電池。,二次鋰電池分類,我國發(fā)展鋰電池有得天獨厚的資源優(yōu)勢，鋰的儲存量

28、約一半在中國， 如青海、西藏等地蘊藏著豐富的鋰，特別在一些鹽湖，儲存的大量鋰 通過蒸干等方法就能得到碳酸鋰，再經(jīng)提純后就可作鋰離子電池原料。,鋰電極電位最負為-3.045V，使以鋰為負極的電池有比能量大、放電 電壓平穩(wěn)、電壓高、工作溫度范圍寬(4050)以及壽命長等優(yōu)點。 為最具發(fā)展?jié)摿Φ能囉脛恿﹄姵兀?按溫度分為高溫和常溫兩類鋰二次電池。,按電解質(zhì)狀態(tài)分為液體鋰、凝膠鋰和全固態(tài)鋰三類二次鋰電池。,按電極材料分為液態(tài)鋰離子電池、鋰-聚合物電池和磷酸鐵鋰電池。,五、幾種典型的二次電池,負極為石墨、乙炔黑、微珠碳、碳纖維、裂解聚合物和裂解碳等鋰碳化合物；,（1）液態(tài)鋰離子電池（電解質(zhì)為液態(tài)）,正極

29、為鈷酸鋰，由于鈷資源稀缺，也有用鎳酸鋰或錳酸鋰來取代；,電解質(zhì)為有機溶劑中溶有電解質(zhì)鋰鹽的離子型導體。,充放電的原理特點是以脫嵌可逆反應替代一般電池的氧化-還原反應： 鋰離子如同搖椅在正、負極間來回嵌入和脫出，所稱“搖椅式電池”。,如圖以正極為鈷酸鋰(LiCoO2)，負極用碳化鋰(C6Li)為例： 充電時Li+從正極脫出，經(jīng)電解質(zhì)嵌入負極碳層間； 放電時Li+從負極脫出，經(jīng)電解質(zhì)再嵌回正極。,充放電時正、負極脫嵌反應方程式：,與前述鋰離子電池的主要區(qū)別：鋰離子電池為液體電解質(zhì)；聚合物鋰離子電池采用呈“干態(tài)”或“膠態(tài)”的柔性固態(tài)聚合物電解質(zhì)。,（2）聚合物鋰離子蓄電池,鋰聚合物單體電池結(jié)構(gòu)較特殊

30、:由總厚度僅為0.1mm的五個薄層疊加組成，它們分別為用金屬箔作集電極、負極、膠體電解質(zhì)；用鋰箔作正極、絕緣層。所具有小型化、超薄化、輕量化、比能量高、安全性好、自放電小、外形可按需定制、適用溫度范圍寬等優(yōu)勢，是較理想的動力蓄電池。,特點:正極為磷酸鐵鋰LiFePO4。,（3）磷酸鐵鋰電池,正極由鋁箔連接橄欖石形LiFePO4；,聚合物隔膜將正、負極隔開，它可被鋰離子通過，而電子不能通過；,負極由銅箔將碳(石墨)相連組成。,充電時Li+從正極經(jīng)隔膜移向負極；放電時Li+從負極經(jīng)隔膜移向正極。,優(yōu)點:安全、環(huán)保、材料易得、壽命長、充放電與溫度特性好。,缺點:振實密度低使得體積較大。,液態(tài)鋰離子電

31、池的主要優(yōu)點 (1)能量密度高，為同等容量的i-d或i-電池的1.5倍； (2)電壓高，端電壓3.7，為i-d或i-電池電壓的倍； (3)無污染，環(huán)保； (4)循環(huán)壽命長，壽命超過1000次； (5)負載特性好，可以大電流連續(xù)放電，適合于動力電源； (6)安全性好。,聚合物鋰離子電池的主要優(yōu)點 (1)具有液態(tài)鋰離子電池的優(yōu)良性能； (2)容易裝配，可制成任意形狀和尺寸的電池； (3)電池很輕、很薄，可制成厚度僅lmm的極薄電池，一只12V的電池組可以只有3mm; (4)不存在游離電解質(zhì)，電池可以在低壓下工作,消除了漏液問題； (5)電池結(jié)構(gòu)可大大簡化，不需要金屬外殼和高壓排氣裝置，不會產(chǎn)生燃燒

32、爆炸等安全問題； (6)可以簡化甚至取消充電保護裝置； (7) 不會發(fā)生液體電液泄露現(xiàn)象，外殼可采用鋁塑復合薄膜制造，提高比容量。質(zhì)量比能量比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50以上； (8) 在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比液態(tài)鋰離子電池有所提高。,優(yōu)點,聚合物鋰離子電池的性能,動力鋰電池規(guī)格表,鋰離子電池充電特性 用標準充電電流充電2.5h，當單體電池電壓上限達到4.5V后，改用恒壓充電。在整個充電過程中，電池的溫度約升高2； 這種鋰離子電池的壽命可以達到1000次循環(huán)。,鋰離子電池放電特性 不同放電倍率下放電，電池的容量和能量隨放電倍率的增加而降低。 在1C放電倍率下放電時，相當于1/3C放

33、電倍率下放電時的95%的負荷特性； 在2C放電倍率下放電時，相當于1/3C放電倍率下放電時的88%的負荷特性； 在3C放電倍率下放電時，相當于1/3C放電倍率下放電時的70%的負荷特性。 電池的內(nèi)阻隨放電倍率的增加而增加。,鋰離子電池的充電特性,鋰離子電池在不同放電倍率下放電特性,鋰離子電池主要問題 快速充、放電的性能較差，需要進一步解決對其充放電過程的控制和配備專用的充電器； 對于大容量鋰離子電池組，還需要解決電池組的可靠性和各個單體電池之間的一致性； 鈷系鋰離子電池在過充電狀態(tài)時會引起電池爆炸，需要用安全閥以防止電解液受高溫氣化后產(chǎn)生的壓力升高；安裝自動溫度調(diào)控裝置，進行過充、放電的保護。

34、 鋰的制取困難，管理和使用復雜，要求有嚴格的安全措施，需要配備電子保護電路、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，使得其附屬裝置更復雜，也增加了電池組的成本。,三菱汽車公司開發(fā)EV用鋰離子單蓄電池和HEV用鋰離子蓄電池總成的技術(shù)指標。 特點是比功率高，非常適合HEV對蓄電池的要求。該電池已被用于三菱汽車公司開發(fā)EV和HEV上。,EV用 LEV95P 單電池的技術(shù)指標,HEV用LEC33 鋰離子單電池的主要性能指標,鋰離子電池的特點是能量密度高、質(zhì)量輕。其能量密度約為鉛酸電池的3倍，鎳系電池的1.52倍。采用鋰離子電池由于自重減輕，續(xù)駛里程可以達到200km以上，單節(jié)電池的放電特性如下圖所示。,鋰離子蓄電

35、池的命名規(guī)則 GBZ 18333.1-2001對電動道路車輛用鋰離子蓄電池的規(guī)定,鋰離子蓄電池的額定容量用C3表示，即在205條件下，以1I3(A) (I3= C3/3)電流放電達到放電終止電壓(最低為2.52V)蓄電池所輸出的電量。 命名規(guī)則為：用I代表了鋰離子蓄電池，C代表了氧化鈷鋰正極，N代表了氧化鎳鋰正極，M代表了氧化錳鋰正極，P代表了方形單體電池，R代表了圓柱形單體電池,3、飛輪電池 飛輪電池FWB（Flywheel Batteries）的概念 定義：利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲存和釋放能量的一種裝置； 特點：質(zhì)量輕（僅幾十公斤），轉(zhuǎn)速高（達每分幾十萬轉(zhuǎn)）； 材料：輕質(zhì)復合材料轉(zhuǎn)子，磁懸浮軸承

36、，高強度碳纖維復合材料等。 要求： 具有能夠承受超高速運行的高強度飛輪； 具有能夠?qū)㈦娔芎蜋C械能進行高效雙向轉(zhuǎn)換的電動機和功率變換器； 與傳統(tǒng)質(zhì)量飛輪相比，飛輪質(zhì)量輕而轉(zhuǎn)速極高,五、幾種典型的二次電池,飛輪電池在電動汽車上的功用 FWB既可作為獨立的動力源直接驅(qū)動車輛行駛，也可作為輔助動力源，作用有二： 穩(wěn)定主動力源的功率輸出，即在電動車輛起動、爬坡和加速時，快速、大能量地提供動力(放電)，減少主動力源的動力輸出； 提高制動能量回收效率, 即在電動車輛下坡、滑行和制動時，F(xiàn)WB能夠快速、大能量地儲存動能(充電)，充電速度不受“活性物質(zhì)”化學反應速度的影響，再生制動時能量回收的效率大大提高。,飛

37、輪電池的特點 比能量高、比功率大、電能和機械能之間的轉(zhuǎn)化效率高，能快速充電、可實現(xiàn)免維護和具有良好的性價比等優(yōu)點。作為輔助能量源有以下特點: 減弱了對電池比能量和比功率要求，有利于優(yōu)化電池的能量密度和循環(huán)壽命設(shè)計； 降低電池的輸出功率和放電電流，提高電池的可利用能量和使用壽命； (由于飛輪的負載均衡作用); 車輛低功率行駛以及制動時，飛輪可以高效率地實現(xiàn)補充充電和制動時的能量回收，使車輛的續(xù)駛里程明顯提高。,飛輪電池的工作原理 飛輪電池是利用轉(zhuǎn)速不同時，飛輪動能不同這一原理工作的。 飛輪動能與其轉(zhuǎn)動慣量J和飛輪角速度的關(guān)系式為 :,E=J2/2,提高飛輪儲存能量的途徑： 增大轉(zhuǎn)動慣量J（措施：

38、增大飛輪直徑和質(zhì)量，但導致汽車的自重增加）； 提高角速度（更有效）：在密封的真空外殼中，高速飛輪的轉(zhuǎn)速可以達到200000rpm以上，但實際采用的最高轉(zhuǎn)速約為50000rpm左右；, 質(zhì)量和轉(zhuǎn)速的增加受材料的極限強度和飛輪安全性的限制,飛輪比能量的計算公式為: e=2.72K/ 式中：e為飛輪單位質(zhì)量的蓄能， K為飛輪形狀系數(shù)，為材料的密度，為材料的許用應力 作用在飛輪上的最大應力與飛輪的幾何形狀、密度和工作轉(zhuǎn)速有關(guān)，最佳設(shè)計是選用比值高的材料作飛輪轉(zhuǎn)子。,超高速飛輪轉(zhuǎn)子復合材料特性參數(shù),飛輪電池結(jié)構(gòu)特點組成: 主要由飛輪(復合轉(zhuǎn)子)、永磁電動發(fā)電機、固定軸、旋轉(zhuǎn)軸、軸承、真空室等。飛輪的常見

39、形狀如圖所示。一種是飛輪的厚度隨半徑的增加而減小，另一種則與此相反，飛輪的厚度隨半徑的增加而增加。,支撐方式：機械、超導磁懸浮、電磁懸浮、永磁懸浮等多種支承方式，也有采用組合方式的。,飛輪電池中的內(nèi)置電機，既是電動機也是發(fā)電機，通常稱之為電動發(fā)電機總成。常用的電機有永磁無刷電機、三相無刷直流電機、磁阻電機和感應電機等.,飛輪儲能系統(tǒng)還包括真空腔、外殼和控制系統(tǒng)等.,開發(fā)實例(本田汽車公司開發(fā)的飛輪電池) 主要由飛輪、真空室、電動機發(fā)電機、驅(qū)動控制單元、旋轉(zhuǎn)軸、高速軸承、充電、放電系統(tǒng)等組成。為了獲得真空室所需的真空，真空室采用了鋁制盒和“O”形圈，可維持10Pa以下的壓力一年以上。 驅(qū)動控制單

40、元的作用是控制電機工作，實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。在輸入電能時，可將交流電轉(zhuǎn)換成直流，驅(qū)動電動機；而在輸出電能時則將直流變成交流，并且具有調(diào)頻、整流、恒壓等功能。,飛輪形狀: 由內(nèi)、中、外三圈組成。內(nèi)圈為A7075-T16鋁材，中間為高強度碳纖維CFRP(T300)材料、外圈為高彈性的CFRP(M40J)材料。內(nèi)圈直徑為180mm，外圈直徑為270mm。常用轉(zhuǎn)速2500050000r/min，安全轉(zhuǎn)速70000r/min，外形尺寸為270mm130mm，F(xiàn)WB系統(tǒng)質(zhì)量49.4kg，最大能量323Wh。效率: 隨SOC(蓄電量)的變化。小功率時效率較低，大功率時效率較高，其效率在90%以上。,

41、存在問題 車輛轉(zhuǎn)彎或產(chǎn)生顛簸偏離直線行駛時，飛輪將會產(chǎn)生陀螺力矩，陀螺力矩將嚴重影響車輛的操縱性能； 若飛輪出現(xiàn)故障，存儲在飛輪中的能量就會在短時間內(nèi)釋放出來，對車輛會產(chǎn)生巨大破壞。 例如,若1kWh的飛輪失效，在15s內(nèi)將產(chǎn)生7203600kW的功率輸出，因此故障抑制一直是超高速飛輪用于電動汽車面臨的巨大障礙。,減小陀螺力矩的措施: 使用多個小型飛輪，并把它們連接成組，一半以順時針旋轉(zhuǎn)，另一半以逆時針旋轉(zhuǎn)。理論上，作用在電動汽車上的總陀螺力矩為零。同樣，采用多個小型的飛輪模塊也可減小超高速飛輪失效時對車輛造成的破壞程度，但也面臨可能出現(xiàn)的比能量和比功率減小的問題。 目前，出現(xiàn)了一種新型的故障

42、抑制措施，該措施采用增大飛輪轉(zhuǎn)子邊緣的厚度，而不是按照等應力設(shè)計原則減小飛輪的邊緣厚度，當飛輪轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障時，轉(zhuǎn)子邊緣較厚的部分就會首先脫落，起到保險絲的作用。,4、超級電容器 電容器儲存電荷的容器。 超級電容器(super capacitor) 是一種新型的電容器，它的出現(xiàn)使得電容器的極限容量上升了3-4個數(shù)量級，達到了103F/g以上的大容量。 優(yōu)點：不存在對環(huán)境的污染、無噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小、能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，在極短時間內(nèi)即可完成電容器充電；比功率高(可達到1kW/kg)；循環(huán)壽命長(萬次以上，使用年限超過5年)。,五、幾種典型的二次電池,HEV啟動和停車頻繁，導致電能儲存裝置

43、的放電過程變化很大。 正常行駛時，使用的電功率相當?shù)?，但在加速和爬坡時需要的峰值功率又相當高。因此，HEV非常重視儲能裝備的比功率和壽命問題。超級電容器的特點恰巧是比功率高和循環(huán)壽命長。,下圖為某燃料電池HEV使用超級電容器的一個實例。 超級電容器僅在啟動的瞬間作為汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源，而在其它條件下僅為輔助動力源。在全負荷加速時，充當?shù)氖禽o助動力源的角色；在正常行駛或減速、制動時充當?shù)氖莾Υ婺芰康慕巧?超級電容器的主要性能指標,5、石墨烯電池 利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發(fā)出的一種新能源電池。 突出優(yōu)勢：把數(shù)小時的充電時間壓縮至短短不到一分鐘。 石墨烯電池實

44、現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。 如：美國加州大學洛杉磯分校的研究人員開發(fā)了一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可在數(shù)秒內(nèi)為汽車充電，同時可用于制造體積較小的器件。,五、幾種典型的二次電池,西班牙Graphenano公司(以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，,電池熱管理系統(tǒng) 實際運行中，電池的充電和放電所引起的溫度不均衡是導致電池組失效的主要原因之一。因此，包含熱管理單元的電池管理系統(tǒng)是決定電動汽車電池商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。 充

45、放電過程中的電化學反應都是在特定的溫度范圍內(nèi)才能夠發(fā)生。一般地，電池使用的最佳溫度為1050，并能在此溫度范圍內(nèi)獲得性能和壽命的最佳平衡。 化學反應伴隨著熱效應，則電池的實際化學反應溫度并不等于環(huán)境溫度。 無論是電池內(nèi)部各部分之間的電化學阻力還是電子傳導阻力(電阻)，它們在電流通過時(充電、放電)都會放出熱量； 當電池用作驅(qū)動時，放電電流很大(10C和20C的電流，相當于上百或幾百安培),很小的電池內(nèi)阻就可能引起很大的熱量放出。,電池熱管理系統(tǒng) 溫度會影響電池的如下性能： 電化學系統(tǒng)的運行； 充放電效率； 電池可充性； 容量和功率； 電池的可靠性和安全性； 電池的壽命和循環(huán)成本。,電池熱管理系

46、統(tǒng) 電池熱管理系統(tǒng)是保證電池組工作在適宜溫度范圍的整套系統(tǒng)，主要包括電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備/管理系統(tǒng)、冷卻或加熱系統(tǒng)等。其主要功能包括以下4個方面： （1）使電池始終工作在適宜的溫度下； （2）降低電池單體中溫度分布不均，避免電池間不平衡而降低性能； （3）消除與失控溫度有關(guān)的潛在危險； （4）提供通風，保證電池所產(chǎn)生的潛在有毒氣體能及時排出，從而保證電池能夠安全運行。 因此，電池熱管理系統(tǒng)包括對電池的冷卻和加熱，而冷卻則更是必需的環(huán)節(jié)。,電池熱管理系統(tǒng) 強制空氣冷卻、液體冷卻兩種方法。已經(jīng)被證明是有效的，也得到了廣泛的研究開發(fā)。主要組成包括：風機、泵、換熱器、加熱器、管線以及其它附件等，

47、結(jié)構(gòu)復雜，但成本較低。 缺點：系統(tǒng)復雜，且占用空間大；電池放電產(chǎn)生的熱量未能回收，甚至在寒冷地區(qū)啟動車輛時還需要加熱電池，不利于能量的合理利用。 如，豐田公司的Prius采用比較復雜的空氣冷卻熱管理系統(tǒng)，其控制策略是抑制熱問題對電池的損害，利用了Ni2MH電池約為40%的能量。主要原因是在較低的DOD情況下，電池產(chǎn)生的熱量小，電池的壽命能夠得到一定程度的提高。即以犧牲電池容量和功率的代價來控制電池內(nèi)部的溫度升高，換取較長的運行壽命。,電池熱管理系統(tǒng) 電池箱 合理的電池箱設(shè)計是保證電池在合適溫度范圍工作的前提。 電池的封裝通常采用三層結(jié)構(gòu)，電池艙、電池箱和電池單體。,電池熱管理系統(tǒng) 傳熱模型,電

48、池熱管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)：電池模塊的產(chǎn)熱速率及電池的熱容量等相關(guān)參數(shù)。 1. 產(chǎn)熱速率：電池生熱的主要來源，一是充放電過程中電流流過的歐姆內(nèi)阻(Q=I2R)；二是充放電過程的熱力學焓的變化。 影響因素：電池的化學成分和結(jié)構(gòu)；荷電的初始狀態(tài)和終止狀態(tài)；電池的初始溫度；充、放電速率及模式。 測量方法：通過量熱裝置，或一種電化學量-熱聯(lián)合裝置在電池充電、放電過程中進行熱測量。 V=Q/t 能量效率=(1-電池產(chǎn)生的熱/輸入或輸出的電能)100%,電池熱管理系統(tǒng),搜集整理了幾種電池在一定溫度和特定放電模式下的平均產(chǎn)熱速率。其中VRLA電池和NiZn電池是從100%荷電態(tài)放電到0%荷電態(tài)，而鋰離

49、子電池則是從80%荷電態(tài)放電到50%荷電態(tài)。,電池熱管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)：電池模塊的產(chǎn)熱速率及電池的熱容量等相關(guān)參數(shù)。 2.電池的熱容量 熱容量是指加熱或冷卻1kg電池物質(zhì)使其升高或降低1所需要的能量，單位為J/kg/。根據(jù)量熱方法可獲得電池模塊由初始溫度T1變化到終態(tài)溫度T2所失去或獲得的熱量Q，則電池的熱容量為： Cp=Q/m(T1-T2) 這里m為電池模塊的總質(zhì)量，kg。,電池加熱系統(tǒng) 利用水暖式加熱器的循環(huán)水路。每個電池艙的外壁緊貼一個內(nèi)部有循環(huán)水套的散熱器。散熱器內(nèi)部有獨立的風機，散熱器進風口與電池艙上部相通，排風口與電池艙底部相通。散熱器工作時，首先來自水暖式加熱器主回路的

50、熱水流過散熱器內(nèi)部的散熱芯子，同時風機啟動將電池艙上部的冷空氣引入散熱器內(nèi)部加熱后再排入電池艙的底部。之后，電池箱將熱空氣吸入箱內(nèi)對電池加熱。流經(jīng)電池單體后溫度降低的空氣從電池箱頂部排入電池艙，再次被散熱器風機吸入，循環(huán)加熱,電池熱管理策略 工作模式分為三種：冷卻模式、工作加熱模式和不工作加熱模式 冷卻模式：散熱器不工作，電池箱頂部風扇低速持續(xù)工作。 整車每運行10分鐘，電池艙空調(diào)風機運行一分鐘，電池艙橫流風機同時運行1分鐘； 當電池艙內(nèi)環(huán)境溫度超過30，且超過乘客艙內(nèi)溫度5 以上時，電池艙空調(diào)風機與橫流風機強制運行，電池箱頂部風扇處于高速持續(xù)工作狀態(tài)； 當某電池單體溫度超過50 度時，電池艙空調(diào)風機與橫流風機強制運行，電池箱頂部風扇處于高速持續(xù)工作狀態(tài)，并報警； 當某電池單體溫度超過55 時，報警并切斷電源，車輛停止運行。,電池熱管理策略 工作加熱模式：電池箱頂部風扇處于低速持續(xù)工作狀態(tài) 整車每運行10分鐘，電池艙空調(diào)風機運行1分鐘，電池艙橫流風機同