2混合動力汽車電能儲存裝置.ppt

1、第二章 混合動力汽車電能儲能裝置,第一節(jié) 混合動力汽車電能儲存裝置的種類 及主要性能指標(biāo) 第二節(jié) 二次電池的基本概念 第三節(jié) 鉛酸蓄電池 第四節(jié) 鎳氫電池 第五節(jié) 鋰離子電池 第六節(jié) 飛輪儲能器 第七節(jié) 超級電容器 第八節(jié) 蓄電池充電原理與充電器 第九節(jié) HEV蓄電池的監(jiān)測系統(tǒng),2.1.1、電能儲存裝置的種類,1 二次電（secondary battery） 二次電池亦稱可充電電池 （rechargeable battery 蓄電池(storagebattery) 等; 如鉛酸蓄電池(Lead- acid)、鎳-氫(Ni-MH)電池、 鋰離子(Lithiumionization) 電池、鎳-金

2、屬氫化物電池。,混合動力汽車的電能儲存裝置可以分為：二次電池、超級電容、飛輪電池三類,2.1 混合動力電動汽車電能儲存裝置的 種類及主要性能指標(biāo),2超級電容器（super capacitor） 超級電容器又叫電化學(xué)電容器，是一種新型的、雙電層電容器，與常見的物理電容器不同。,3飛輪電池FWB（Fly Wheel Battery） 飛輪電池亦稱飛輪儲能器、高速或超高速飛輪儲能器等。,2.1.2 電能儲存裝置的主要性能指標(biāo),1.比能量（也稱質(zhì)量比能量、質(zhì)量能量密度）：指單位質(zhì)量的電能儲存裝置所能輸出的能量，單位為Jkg、Whkg或kWh/kg（1Whkg=3600Jkg）。比能量越高，汽車用電能行

3、駛的距離越長。計(jì)算比能量時使用的質(zhì)量為電能儲存裝置的總質(zhì)量。 2.能量密度（也稱體積比能量）：指單位體積電能儲存裝置所能輸出的能量，單位為WhL或kWhL。能量密度越高，汽車的載重量和車內(nèi)空間越大。 3.比功率（亦稱質(zhì)量比功率）是指單位質(zhì)量電能儲存裝置具有電能的功率，單位為Wkg或kW/kg。電能儲存裝置的比功率越大，汽車加速、爬坡性能好；最高車速高。,4.功率密度（亦稱體積比功率、質(zhì)量功率密度）指單位體積電能儲存裝置所具有的電能功率,單位為WL或kW/L，功率密度越高，汽車的載重量和車內(nèi)空間越大。 5.壽命：電能儲存裝置的壽命通常指其使用時間的長短、充、放電的循環(huán)次數(shù)的多少。單位為年、小時或

4、循環(huán)次數(shù)。 6.充、放電效率：充電效率指充入電能儲存裝置的電能占充電時消耗的電能的百分比；放電效率指電能儲存裝置的輸出電能電能儲存裝置消耗的電能的百分比,EV和HEV電池的選擇,2.2 二次電池的基本概念,一、常見的二次電池的術(shù)語（補(bǔ)充） 1.放電：恒流放電和恒阻放電,連續(xù)放電與間斷放電。 2.放電容量：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下的放電電量或有效工作時間。 3.電動勢：組成電池的兩個電極的平衡電位之差。 4.短路電流：電池短路后一瞬間流過的電流。,5.放電率：放電率指放電時的速率 時率指以放電時間(h)表示的放電速率，即以一定放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)。 例如，電池的額定容量為30Ah，以2A電

5、流放電，則時率為30Ah2A15h，稱電池以15小時率放電。 “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)值等于額定容量的倍數(shù)。 例如，2“倍率”的放電，表示放電電流數(shù)值為電池量的2倍。如對30Ah電池，放電電流應(yīng)為23060A。 放電深度DOD（depth of discharge）：放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)。 充電：將外電路輸入的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯存到蓄電池的過程。,充電率：蓄電池在規(guī)定時間內(nèi)充到額定容量所需的電流值；或在一定電流下充到額定容量所需的時間。 與放電率類似，一般用也倍率或時率表示。 恒壓充電：保持充電器端電壓始終不變的充電方法。 恒流充電：充電電流保持不

6、變的一種充電方法。 極化：極化是電池由靜止?fàn)顟B(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(xué)極化等。,2.2.1、二次電池的電池主要性能指標(biāo),1. 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。 2.電池的內(nèi)阻：歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻 3.電池的工作電壓：電池放電時電池兩極之間的電位差，又稱放電電壓或端電壓。 4.終止電壓和放電曲線 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。 放電曲線：電池工作電壓隨放電時間的變化曲線。,5. 電池容量(Ah) 電池荷（帶）電量的多少。用安

7、培時(Ah)表示， 理論容量： 實(shí)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(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量。 標(biāo)稱容量(公稱容量)：用來鑒別電池適當(dāng)?shù)慕瓢才鄷r數(shù)值，沒有指定的放電條件，只標(biāo)明電池的容量范圍而沒有確切值。,6. 能量: 在一定放電條件下，電池對外作功時所能輸出的電能, 單位為Wh或kWh。 標(biāo)稱能量：在規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量，標(biāo)稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。 實(shí)際能量：在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實(shí)際能量是電池的實(shí)際容量與平均工作電壓的乘積。 6功率：在一定的放電制度下，

8、電池在單位時間內(nèi)所輸出的能量，單位為W或kW。 7. 成本： 8二次電池的壽命：電池的壽命通常用使用時間或循環(huán)壽命表示。 一個循環(huán)（周期)：循環(huán)充電電池（蓄電池）經(jīng)歷一次充電和放電的過程 電池報(bào)廢的原因：化學(xué)活性物質(zhì)會發(fā)生老化變質(zhì)。 蓄電池循環(huán)壽命的影響因素：與充電和放電的形式、電池的溫度和放電深度有關(guān). 放電深度“淺”時，有利于延長電池壽命,2.2.2、二次電池性能比較,HEV和EV汽車的對電源的主要要求： 高的比能量（增長一次充電可行駛的距離） 大的比功率（在大電流工作時可平穩(wěn)放電，提 高加速、爬坡性能）； 循環(huán)壽命長； 安全可靠，免維護(hù)； 環(huán)境友好，可再生； 成本低廉。,各類車用動力電池

9、的性能比較表,各類車用動力電池的性能比較表（續(xù)）,返回,常見電池比能量和比功率的關(guān)系,TESLA電池總成,TESLA電動車的電池采用了松下提供的NCA系列（鎳鈷鋁體系）18650鈷酸鋰電池，單顆電池容量為3100毫安時。 這種電池我們并不陌生，像筆記本電腦等電子數(shù)碼設(shè)備使用的都是這種類型的電池，相比于其它電動車使用的電池類型，18650電池的技術(shù)更為成熟，比能量方面它幾乎是磷酸鐵鋰電池的兩倍，也就是說，在同等體積的情況下，18650電池組成的電池單元可以儲存更多的電能。這也是TESLA使用這種電池的其中一個原因。,盡管如此，把這種電池運(yùn)用在電動車上還是有一定難度，比如，要想滿足一輛電動車的使用

10、需求就需要使用很多個18650鋰電池，這就出現(xiàn)了一個要解決的問題，如何把它們組合在一起。,85kWh的MODEL S的電池單元一共運(yùn)用了8142個18650鋰電池，工程師首先將這些電池以磚、片逐一平均分配最終組成一整個電池包，電池包位于車身底板。,一個電池片由若干個電池磚組成，而一個電池磚又有若干個18650鈷酸鋰電池組成，除了每節(jié)18650電池設(shè)有保險(xiǎn)裝置外，每個電池片和每個電池磚也都有保險(xiǎn)裝置，一旦發(fā)現(xiàn)某一單位內(nèi)部出現(xiàn)問題，保險(xiǎn)裝置都會將其切斷與其它電池單元的聯(lián)系，從而避免殃及池魚的情況出現(xiàn)。 另外，每個電池片之間都有相對獨(dú)立的空間并由防火墻相隔，即便是單個電池片內(nèi)部出現(xiàn)了起火的情況，火勢

11、也可得到一定控制，不至于迅速蔓延至整個電池包。 當(dāng)然，保險(xiǎn)裝置是最后的一道屏障，當(dāng)它切斷的時候也就意味著某個電池單元出現(xiàn)了問題，如果涉及到更換，整個電池包可以以“片”為單位進(jìn)行更換。每節(jié)電池之間以并聯(lián)的方式連接，而電池磚之間和電池片之間分別以串聯(lián)的方式連接，也就是說，在實(shí)際用車過程中，當(dāng)某節(jié)電池出現(xiàn)問題時，車輛不會拋錨，受到影響的只是車輛的續(xù)航里程。,特斯拉將建設(shè)超級電池工廠：降低電動汽車成本,2.2.3、二次電池的輸出電流、功率和效率的關(guān)系,蓄電池放電電流、放電端電壓、效率、輸出功率等于汽車的續(xù)駛里程、車速等有密切關(guān)系。它們之間的關(guān)系是HEV與EV選用蓄電池的重要理論依據(jù)。 蓄電池的放電特性

12、： 式中U0-蓄電池的開路電壓（V） Ub-蓄電池放電時的端電壓（V） Ib-蓄電池的放電電流（A） R-蓄電池的內(nèi)阻（）,輸出功率： 蓄電池的效率 蓄電池能輸出的最大功率： 輸出功率時的最大電流：,蓄電池的放電特性曲線,2.3 鉛酸蓄電池,酸蓄電池：以酸性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池 鉛酸蓄電池：電極材料為鉛及其氧化物,2.3.1 鉛酸蓄電池的種類及型號,1. 開口式鉛酸蓄電池 這種電池大多是在啟動型蓄電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改進(jìn)而成的。開口式鉛酸蓄電池多用于短距離的電瓶車、巡邏車、游覽車和居民小區(qū)內(nèi)的小交通車等。 2. 閥控式密封鉛酸蓄電池 原用于UPS系統(tǒng)中，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種電動助力車，我國電動

13、自行車約95%使用的是閥控式密封鉛酸蓄電池。目前國內(nèi)此類電池的在比能量、循環(huán)壽命、充電時間等幾方面均有明顯提升，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測電池的循環(huán)壽命達(dá)到700次以上，100% DOD放電循環(huán)壽命達(dá)到300次以上。,3. 雙極性密封鉛酸蓄電池 全部正極板并聯(lián)焊在一起組成電池的正極；全部負(fù)極板并聯(lián)焊在一起組成電池的負(fù)極。 比能量很高，循環(huán)壽命也很高。雙極性密封鉛酸蓄電池目前正在研發(fā)中，還沒有達(dá)到商品化階段。 4. 水平式密封鉛酸蓄電池 正負(fù)極和隔板是采用臥式組合起來的；導(dǎo)電板柵是由將鉛擠壓在細(xì)的玻璃纖維四周形成的鉛絲編織而成的；正極和負(fù)極鉛膏分別涂在一片鉛網(wǎng)的兩端，中間留有一段未涂膏的板柵將兩種鉛膏分開

14、，再用封包機(jī)將該雙極板用超細(xì)纖維包起來。 內(nèi)阻很小，即可大電流放電又適合快速充電，這一特點(diǎn)正滿足了電動車對蓄電池的要求。,鉛酸蓄電池的應(yīng)用,優(yōu)點(diǎn)： 技術(shù)可靠，生產(chǎn)工藝成熟，成本低，單體電池電壓高，大電流輸出特性，良好的高溫和低溫性能，較高的能量效率（7580）%以及多種多樣的型號和尺寸。 缺點(diǎn)： 比能量和能量密度比較低（35Wh/kg和70Wh/L），自放電 率較高（25環(huán)境每天降低1%），循環(huán)壽命相對較低（1000次），硫酸腐蝕電極不便于長期儲存。 目前，性能得到改進(jìn)的多種類型的鉛酸蓄電池正不斷地被應(yīng)用到電動汽車上，鉛酸蓄電池仍是電動汽車最具吸引力的能量源選擇方案。,返回,蓄電池的名稱代碼及

15、含義,2.3.2、鉛酸蓄電池的工作原理,鉛酸蓄電池的放電和充電的反應(yīng)過程，是鉛酸蓄電池活性物質(zhì)進(jìn)行的可逆化學(xué)變化過程。它們可以用下列化學(xué)方程式表示：,鉛酸蓄電池放電時，化學(xué)反應(yīng)由左向右進(jìn)行，其相反過程為充電過程的化學(xué)反應(yīng)。放電過程中， 生成H2O， H2SO4的濃度會逐漸減小. 可以用比重計(jì)來測定電解液的密度, 進(jìn)一步了解鉛酸蓄電池電解液的放電的程度。,蓄電池的構(gòu)造 通常由若干個單體電池串聯(lián)而成。 組成：正極板、負(fù)極板、隔板、電解液、電池蓋、加液孔蓋和電池外殼。 每個單體電池的基本電壓2V。 電解液中往往加入硅酸膠作為凝結(jié)劑，使電解質(zhì)成為膠狀物，形成“膠體”電解質(zhì),2.3.3、鉛酸蓄電池的構(gòu)造

16、,安裝了排氣閥的鉛酸蓄電池,2.3.4、蓄電池的容量及其影響因素,1、蓄電池的容量 蓄電池的容量C (Ah)是指蓄電池在允許放電的范圍內(nèi)所輸出的電量即放電電流I(A)和放電時間t(h)之積的積分。 恒流放電的容量為：C = It C與放電電流、溫度及電解液的密度等因素有關(guān)。 電動道路車輛用鉛酸蓄電池的額定容量用C3表示： 在電解液溫度為25時，以3小時率放電電流(I3= C3/3 A)連續(xù)放電到蓄電池端電壓下降至9.90V蓄電池所輸出的電量。 檢驗(yàn)新蓄電池質(zhì)量和衡量蓄電池能否繼續(xù)使用的重要指標(biāo),GB/T 18332.1-2001規(guī)定蓄電池的完全充電的定義： 免維護(hù)蓄電池：以0.5I3（A）進(jìn)行

17、恒流充電到14.4V0.1V后，再繼續(xù)以0.25I3（A）電流充電在充電末期連續(xù)3h內(nèi)電壓變化不大于0.05 V/h。 閥控密封式蓄電池采用改進(jìn)的恒壓充電：用恒壓14.4 V0.1V、限流I3（A）充電16 h或充電末期電流穩(wěn)定3h不變。 GB/T 18332.1-2001規(guī)定C3的測量方法：對完全充足電的蓄電池，在溫度為252的水浴環(huán)境中靜置5h，恒電流（C3/3 A）放電到9.90V終止，記錄放電時間。放電電流和記錄的放電終止時間的乘積即為電池容量。,2.蓄電池的容量及影響因素,極板的構(gòu)造 放電電流 電解液溫度 電解液密度,1）.極板構(gòu)成,極板厚度越薄，活性物質(zhì)的利用率就越高，相同蓄電池尺

18、寸下極板片數(shù)多，容量就越大。 極板面積越大，同時參與反應(yīng)的物質(zhì)就越多，容量就越大。 同性極板中心距越小，蓄電池內(nèi)阻越小，容量越大。,2）放電電流對容量的影響,放電電流越大，蓄電池容量越小。 因放電電流越大，極板孔隙內(nèi)消耗的H2SO4越快，且單位時間內(nèi)產(chǎn)生的PbSO4越多，PbSO4堵塞極板孔隙明顯，阻礙電液向極板內(nèi)層滲透，使極板孔隙內(nèi)電解液密度急劇下降，致端電壓也迅速下降，而極大地縮短了放電時間，使蓄電池容量下降。,3）電解液溫度的影響,電解液溫度降低，蓄電池容量減小。 溫度粘度，電解液滲入極板困難，活性物質(zhì)利用率C； 同時，粘度內(nèi)阻內(nèi)壓降，端電壓C20。實(shí)驗(yàn)證明，電解液溫度每下降1，緩慢放電

19、時蓄電池容量約減少l，迅速放電時蓄電池容量約減少2。,由于電解液溫度對蓄電池容量影響較大，因此，冬季在寒冷地區(qū)使用蓄電池時，應(yīng)特別注意蓄電池的保溫。,4）電解液密度的影響,電解液密度電動勢E，電液滲透能力，參加反應(yīng)的活性物質(zhì)C20； 過高，粘度，內(nèi)阻，極板硫化C20。 實(shí)踐證明：電解液密度偏低有利于提高放電電流和容量。即使是冬季使用的電解液，在不使其結(jié)冰的前提下，也應(yīng)盡可能采用稍低密度的電解液。,一般電解液密度為1.26-1.285g/cm3,5）電解液純度對容量的影響,電解液中的一些有害雜質(zhì)會腐蝕柵架，沉附于極板上的雜質(zhì)形成局部電池產(chǎn)生自放電，導(dǎo)致輸出電量減小。 如：電解液中若含有1%的鐵，

20、則蓄電池在一晝夜內(nèi)就會放完電。,2.3.5 鉛酸蓄電池的特性及充、放電特性,1、鉛酸蓄電池的電動勢與開路電壓 鉛酸蓄電池的電動勢與開路電壓與鉛酸蓄電池電解液H2SO4的濃度有關(guān)，隨著電解液的濃度降低，鉛酸蓄電池的電動勢和開路電壓也下降，因此可用測定電解液的濃度來了解鉛酸電池的電動勢與開路電壓。,(1)靜止電動勢Ej：蓄電池處于靜止?fàn)顟B(tài)時，正負(fù)極板之間的電位差稱為靜止電動勢。 (2)開路電壓：理論上，開路狀態(tài)下的端電壓并不等于蓄電池的電動勢。但是，開路電壓在數(shù)值上很接近蓄電池的靜止電動勢，可以用開路電壓代替靜止電動勢。 一般規(guī)定鉛蓄電池的額定開路電壓為2.0V。,2.鉛酸蓄電池充、放電特性,1)

21、鉛酸蓄電池恒電流放電特性,2）鉛酸蓄電池的充電特性,1. 高效階段 兩極的硫酸鉛分別轉(zhuǎn)換成了鉛和二氧化鉛，充電接受率高，接近100%。 這個階段在溫度和充電率都保證的情況下單體端電壓達(dá)到2.39V時結(jié)束。 2. 混合階段 水解副反應(yīng)和充電主反應(yīng)同時進(jìn)行，此時的充電接受率逐步下降。當(dāng)兩個反應(yīng)達(dá)到平衡時，即電池兩端電壓與稀硫酸溶液濃度不再上升，這表示電池已經(jīng)充滿電。 3. 析氣階段 蓄電池已經(jīng)被充滿電，電池中所進(jìn)行的反應(yīng)只有水解副反應(yīng)，再加上緩慢進(jìn)行的自放電反應(yīng)。此時會產(chǎn)生大量的氣體，主要是氫氣和氧氣。,2.3.6 鉛酸蓄電池的性能指標(biāo),放電電流和放電容量的關(guān)系,輸出功率密度和比能量的關(guān)系,2.3

22、.7鉛酸蓄電池的危害,鉛毒 酸霧 銻和砷、鎘,2.4 鎳氫(Ni-MH)電池,鎳氫電池現(xiàn)主要應(yīng)用于混合電動車。2011年HEV市場占56%，零售市場（包括遙控車、玩具、家用電器、數(shù)碼攝像機(jī)）占24%，無繩電話占11%，其他市場為9%。 世界鎳氫電池主要由中國和日本企業(yè)生產(chǎn)，占全球產(chǎn)量的95%以上。全球鎳氫電池70%以上在中國生產(chǎn)，中國鎳氫電池企業(yè)主要包括超霸、豪鵬、比亞迪、環(huán)宇等。日本企業(yè)松下、湯淺、三洋已將小型鎳氫電池生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到中國。 HEV用大型鎳氫電池主要在日本生產(chǎn)，生產(chǎn)企業(yè)主要為Primearth電動車能源公司（PEVE)和三洋電機(jī)， 我國鎳氫電池增長乏力，近幾年的產(chǎn)品產(chǎn)值、產(chǎn)量均未超

23、過2008年的高峰。2011年，鎳氫電池的產(chǎn)值、產(chǎn)量分別為55億元、9.5億只，與2008相比分別下降15.38%、26.36%。產(chǎn)品規(guī)模的縮小使得鎳氫電池更不具規(guī)模經(jīng)濟(jì)，未來情景堪憂，其發(fā)展空間仍然取決于混合電動車的應(yīng)用情況,一、鎳氫電池（Ni-MH Batteries）的特點(diǎn)與組成,1Ni-MH電池的主要特點(diǎn)： 能量密度高，是Ni-Cd電池的1.52倍； 電池電壓1.2-1.3V，與Ni-Cd電池相當(dāng)； 可快速充放電，低溫性能好；即使在20環(huán)境溫度下，采用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能達(dá)到標(biāo)稱容量的85以上。 可密封，耐過充、放電能力強(qiáng)； 無毒，無環(huán)境污染，不使用貴金屬； 無

24、記憶效應(yīng)。,2、鎳氫電池的組成,鎳氫電池可分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池兩大類。 按照外形可分方形鎳氫電池和圓柱形鎳氫電池。,2.4.3、Ni-MH電池的原理,Ni-MH電池的組成： 正極活性物質(zhì)是氫氧化鎳 負(fù)極是儲氫合金，經(jīng)常用MHx表示， 電解液是氫氧化鉀的水溶液。電解液通常用30的KOH水溶液，并加入少量的NiOH 當(dāng)電池放電（向右）、充（向左）時，正負(fù)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)為 充電時氫由正極遷移到負(fù)極，放電時則相反 沒有發(fā)生電解液的增加或減少,2.4.4、動力Ni-MH電池的特性,充電電流在10-30A，充電后，電池的內(nèi)壓0.15MPa 壽命可達(dá)1000次循環(huán)，實(shí)際行駛可達(dá)15萬km。 圖24

25、 松下電池公司Ni-MH電池的放電特,2.4.5動力Ni-MH電池的性能指標(biāo)及應(yīng)用情況,動力電池組多設(shè)計(jì)為12V/100Ah，為了散熱和溫度能均勻分布，單體電池間設(shè)置有均勻空氣通道。裝車使用時，如用24個串聯(lián)。則電壓可達(dá)288V，攜帶能量約為288KWh。,2.4.6 Ni-MH電池的命名規(guī)則,GBT18332.2-2001對電動車用Ni-MH電池的規(guī)定： 蓄電池應(yīng)由10只單體電池組成，單體電池采用方形和圓柱形兩種，分別用“10QNF”和“10QNY”表示。 電池名稱中符號的含義如圖 所額定容量:用C3表示，即在205條件下，以3小時率放電電流(I3= C3/3 A)連續(xù)放電到蓄電池端電壓下降

26、至10V蓄電池所輸出的電量。,第五節(jié) 鋰離子(Lithium-ion)電池,一、鋰離子電池的種類 鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正、負(fù)極構(gòu)成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正、負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電工作的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池（rocking chair batteries）”，俗稱“鋰電”。 圖27 2005年世界民用鋰離子電池市場占有比例,鋰離子電池的種類：,液態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB):電解質(zhì)為液體 聚合物鋰離子電池(polymer lithium ionbattery, 簡稱為LIP):電解質(zhì)為

27、聚合物 液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正、負(fù)極材料相同，電池的工作原理也基本一致。主要區(qū)別是使用的電解質(zhì)不同。,液態(tài)鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn),(1)能量密度高，為同等容量的鎳氫電池的1.5倍； (2)電壓高，端電壓3.7，為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(fù)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(diǎn)如下：,（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）整體電池很輕、很薄，可制成厚度僅為lmm的極薄電池，一只12V的電池組可以只有3mm厚； （4）

28、不存在游離電解質(zhì)，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)生燃燒爆炸等安全問題； （6）可以簡化甚至取消充電保護(hù)裝置； （7）電池的比容量較高；質(zhì)量比能量可比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50以上； （8）工作電壓高、充放電循環(huán)壽命長,鋰離子電池的缺點(diǎn) （1）成本高。 因鈷Co材料的資源少，導(dǎo)致正極材料鈷酸鋰LiCoO2的價格高，電解質(zhì)體系的提純較難。 （2）須有特殊的保護(hù)電路。 需設(shè)置對電池過充電和過放電的保護(hù)線路控制。必須在（4.14.2）V的電壓下充電；電池過放電會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，也需要有保護(hù)線路控制。,不足,鋰離子電池的組成,

29、與鎳氫電池類似，鋰離子電池也有方形和圓柱形兩種,(1). 鋰離子電池的負(fù)極材料 碳材料:具有高的比容量(200mAhg00mAhg)，低的電極電勢(95)，長的循環(huán)壽命。 較為成功的碳負(fù)極材料有:石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纖維、裂解聚合物和裂解碳等理論表達(dá)式為C6Li，化學(xué)計(jì)量的理論比容量為372 mAhg。 (2). 鋰離子電池正極材料 正極活性物質(zhì)的主要有LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2和LiMn2O4等。LiCoO2屬于-FeO2型結(jié)構(gòu)，可逆性、放電容量、充放電效率、電壓的穩(wěn)定性等性能均很好。 目前被廣泛采用或在其中再添加Al、In等元素的復(fù)合鈷酸鋰。但是，鈷材料成本較高，

30、資源缺乏。,1、液態(tài)鋰離子電池,（3）電解質(zhì) 鋰離子電池的液態(tài)電解質(zhì)，其溶劑為無水有機(jī)物，如EC（乙烯碳酸脂）、PC(丙烯碳酸脂)和DEC(低粘度二乙基碳酸脂)等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。 （4）隔膜： 采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低，而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。 （5）外殼： 采用鋼或鋁材料，蓋體組件具有防爆斷電的功能。,2. 聚合物鋰離子電池,鋰離子聚合物電池（又稱高分子鋰電池）屬第二代可充鋰離子電池.電解質(zhì)是將傳統(tǒng)的液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)吸附在一種被稱作膠體電解質(zhì)的聚合物基質(zhì)上。 組成 負(fù)極：高分子導(dǎo)電材料、聚乙炔、人造石

31、墨、聚苯胺或聚對苯酚等 正極：LiCoO2、in2O和iNiO2等。 電解質(zhì)：LiPF6/有機(jī)碳酸脂混合物 隔膜,1. 鋰離子電池的工作原理 在電池充電時，Li+的一部分會從正極中脫出，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極碳的層間，形成層間化合物。電池放電時，則進(jìn)行與此相反的可逆過程，即Li+從負(fù)極脫出，經(jīng)過電解質(zhì)再嵌回正極。 反應(yīng)方程式： （正極） （負(fù)極）,2.5.3鋰離子電池的工作原理,2.5.4 聚合物鋰離子電池的性能特點(diǎn),工作電壓3.8V， 質(zhì)量比能量為150 Wh/kg， 體積比能量為246 Wh/L， 比功率為315W/kg， 循環(huán)壽命大于300次， 自放電小于0.1%/月， 工作溫度為（-25

32、60）， 充電速度1h達(dá)到80%容量，3h達(dá)到100%容量。,性能指標(biāo),2.5.5 鋰離子蓄電池的命名規(guī)則,GBZ 18333.1-2001對電動道路車輛用鋰離子蓄電池的規(guī)定 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(dá)到放電終止電壓（最低為2.52V）蓄電池所輸出的電量。,IEC61960的規(guī)定,1. 電池標(biāo)識組成3個字母后跟5個數(shù)字(圓柱形)或6個數(shù)字(方形)。 2. 第一個字母表示電池的負(fù)極材料 I表示有內(nèi)置鋰離子電池，L表示鋰金屬電極或鋰合金電極。 3. 第二個字母表示電池的正極材料 C基于鈷的電極，N基于鎳的電極，M基于錳的電極，V基于釩的電

33、極。 4. 第三個字母表示電池的形狀 R表示圓柱形電池，R表示方形電池。 5. 數(shù)字 （1）圓柱形電池5個數(shù)字 分別表示電池的直徑和高度，直徑的單位為毫米高度的單位為十分之一毫米, 直徑或高度任一尺寸大于或等于100mm時兩個尺寸之間應(yīng)加一條斜線。 （2）方型電池6個數(shù)字 分別表示電池的厚度、寬度、高度，單位毫米三個尺寸任一個大于或等于 100mm時尺寸之間應(yīng)加斜線，三個尺寸中若有任一小于1mm，則在此尺寸前加 字母t，此尺寸單位為十分之一毫米。,例如： ICR18650：表示一個圓柱形二次鋰離子電池正極材料為鈷其直徑約為18mm高約為65mm。 ICP083448：表示一個方形二次鋰離子電池

34、正極材料為鈷其厚度約為8mm,寬度約為34mm高約為48mm。 ICP08/34/150：表示一個方形二次鋰離子電池正極材料為鈷其厚度約為8mm,寬度約為34mm高約為150mm。 ICPt73448：表示一個方形二次鋰離子電池正極材料為鈷其厚度約為0.7mm,寬度約為34mm高約為48mm。,第六節(jié) 飛輪儲能器,1、飛輪儲能器的概念 早在一百多年前就有人提出采用飛輪儲能的思想，由于當(dāng)時飛輪材料(通常為鋼材或其他金屬)以及軸承技術(shù)的制約,飛輪只能處于相對較低的速度,致使系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)高效、大容量、長時間的儲能，這樣飛輪儲能技術(shù)在很長時間內(nèi)都沒有突破。飛現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的飛輪就是其應(yīng)用的一例。,2.6.

35、1飛輪儲能器在電動汽車上的功用及其特點(diǎn),直到20世紀(jì)60一70年代，美國宇航局研究中心成功的地將飛輪作為蓄能電池應(yīng)用到衛(wèi)星上，標(biāo)志著飛輪儲能電池可以取代化學(xué)電池。 亦稱飛輪電池(FWB :Flywheel batteries )高速或超高速飛輪儲能器等, 指利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)儲存和釋放能量的一種裝置。 質(zhì)量僅有幾十千克 轉(zhuǎn)速可達(dá)每分幾十萬轉(zhuǎn)。 采用輕質(zhì)(高強(qiáng)度碳纖維等)復(fù)合材料轉(zhuǎn)子，磁懸浮軸承等。 作為電動汽車的飛輪儲能器至少要滿足三個方面的要求 1、具有能夠承受超高速運(yùn)行的高強(qiáng)度飛輪 2、具有能夠?qū)㈦娔芎蜋C(jī)械能進(jìn)行高效雙向轉(zhuǎn)換的電動機(jī)和功率變換器 3、是與傳統(tǒng)質(zhì)量飛輪相比，飛輪質(zhì)量輕而轉(zhuǎn)速極高

36、。,濟(jì)南文化藝術(shù)中心，第十屆中國藝術(shù)節(jié)配備了兩臺飛輪儲能發(fā)電車，合計(jì)容量達(dá)到了1750千伏安，確保不間斷供電,2、飛輪儲能器在電動汽車上的功用,FWB作為獨(dú)立的動力源直接驅(qū)動車輛行駛，也可以作為輔助動力源 1999年5月，英國在布里斯托市建立了第一輛用高速飛輪儲能器驅(qū)動的超輕有軌電動汽車，整車質(zhì)量為2700kg，可乘坐34人，續(xù)駛里程可達(dá)10km，充電時間僅需90秒鐘。 80 年代初，瑞士Oerlikon（歐瑞康）工程公司研制了第一輛完全由飛輪供能的公共汽車。飛輪直徑1.63m，重1.5t，在氫氣環(huán)境里以3000rpm 運(yùn)行以降低風(fēng)損。該車可載乘客70 名，行程大約0.8km，在每一?？空就＼?/p>

37、時，飛輪需要充電2min。 作為輔助動力源使用時，飛輪儲能器的作用主要有兩方面： 其一是穩(wěn)定主動力源功率輸出。 即在電動車輛起動、爬坡和加速時，飛輪儲能器能夠快速、大能量地提供動力(放電)，為主動力源提供輔助動力，并減少主動力源的動力輸出。 其二是提高制動時能量回收的效率。 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(xué)反應(yīng)速度的影響，提高再生制動時能量回收的效率。,飛輪電池兼顧了化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在如下幾個方面： (1)能量密度高：儲能密度可達(dá)100200 whkg，功率密度可達(dá)5 00010000 wkg。(2)能量轉(zhuǎn)換效率高：工作

38、效率高達(dá)百分之90。(3)體積小、重量輕：飛輪直徑約二十多厘米，總重在十幾千克左右。(4)工作溫度范圍寬，對環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。(5)使用壽命長：不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運(yùn)行，預(yù)期壽命20年以上。(6)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。,3 飛輪儲能器的特點(diǎn),二、飛輪儲能器的工作原理,電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動機(jī)帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲存動能（機(jī)械能），提高轉(zhuǎn)速；當(dāng)外部負(fù)載需要能量時，用飛輪帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能降低轉(zhuǎn)速。 原理：利用飛輪轉(zhuǎn)動時，動能與轉(zhuǎn)動慣量J和飛輪角速度的關(guān)系。 E=J2/2,飛輪儲能器的

39、能量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系,飛輪的理論比能量與比值成正比 e=2.72K/ 式中：e為飛輪單位重量的蓄能， K為飛輪形狀系數(shù)，為材料的密度， 為材料的許用應(yīng)力,2.6.3飛輪儲能器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),等應(yīng)力的設(shè)計(jì)原則：飛輪厚度應(yīng)隨著轉(zhuǎn)子半徑的增加而遞減，保證每一部分具有相等的應(yīng)力。 飛輪轉(zhuǎn)子材料應(yīng)絕對均勻和平衡，并有非常好的動平衡精度。 永磁無刷電動機(jī)最為理想。在工作過程中電動機(jī)內(nèi)部不產(chǎn)生熱量的優(yōu)點(diǎn)，保證了轉(zhuǎn)子在真空環(huán)境條件下正常的工作。 采用磁懸浮軸承：在高速旋轉(zhuǎn)時，軸的旋轉(zhuǎn)部分與軸承的靜止部分脫離接觸呈懸浮狀態(tài)，無磨損，也不需潤滑。,2.6.4飛輪儲能器開發(fā)實(shí)例,本田汽車公司開發(fā)的FWB結(jié)構(gòu)示意圖,真空室壓

40、力隨時間的變化,2.6.5飛輪儲能器面臨的問題及對策,飛輪儲能器目前面臨兩大問題。 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(yán)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。比如，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。 對策： 使用多個連接成組的小型飛輪：一半以順時針旋轉(zhuǎn)，另一半以逆時針旋轉(zhuǎn)，使總陀螺力矩為零。 但飛輪的分布排列以及協(xié)調(diào)工作還存在許多問題，也面臨可能出現(xiàn)的比能量和比功率減小的問題。,第十五屆北京科技博覽會上英利集

41、團(tuán)展出的自主研發(fā)的1kwh磁懸浮儲能飛輪；,2.6.6飛輪儲能器的開發(fā)狀況,國內(nèi)飛輪儲能技術(shù)研究,華北電力大學(xué)(電能質(zhì)量) 北京航空航天大學(xué)(IPACS) 北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等機(jī)構(gòu)還開展了飛輪儲能電源的航天應(yīng)用研究。其中北航房建成教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)所完成的“衛(wèi)星新型姿控儲能兩用飛輪技術(shù)”項(xiàng)目，獲得了2007年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。 武漢理工大學(xué)(電動車) 海軍工程大學(xué)(電磁彈射) 東南大學(xué) 浙江大學(xué) 落后10-20年,2.7 超級電容器,電容器即“儲存電荷的容器”，實(shí)際上，任何彼此絕緣又相隔很近的導(dǎo)體，都可以看成是一個電容器，貯藏電量和能量，而兩個導(dǎo)體稱為電容

42、的兩極。 超級電容器（super capacitor）又叫電化學(xué)電容器（Electrochemical Capacitor）、雙電層電容器(Electrical Doule-Layer Capacitor) 、黃金電容、法拉電容等。是一種新型的電容器，它的出現(xiàn)使得電容器極限容量驟然上升了3-4個數(shù)量級，達(dá)到了103F/g級以上的大容量。,2.7.1超級電容的特點(diǎn)及其在電動汽車上的作用,超級電容器的開發(fā)情況： 各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都給予了高度重視，成為戰(zhàn)略研究和開發(fā)重點(diǎn)。 1996年歐共體制定了電動汽車超級電容器的發(fā)展計(jì)劃（Development of Super-capacitor for Elec

43、tric vehicle）； 美國能源部（包括美國軍方）也制定了相應(yīng)研究計(jì)劃，開發(fā)目標(biāo)是比功率1500W/kg，循環(huán)使用壽命10000次以上。,二、 超級電容的組成及原理,超級電容的基本原理是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面 雙電層來存儲能量的一種新型電子元件。 超級電容器的充放電過程是一種物理反應(yīng)，電池內(nèi)部的隔板是儲能能力的關(guān)鍵。超級電容器工作時，電池負(fù)極的電子通過用電器流動向正極，釋放能量，充電時則反之,電極采用碳金屬纖維復(fù)合物或在碳纖維布料上涂導(dǎo)電聚合物以及在金屬箔上包裹金屬氧化物 電解液有機(jī)溶液或固態(tài)聚合物，如氰化甲烷（acetonitrile），碳酸丙烯（propylene carbo

44、nate）等。 在電極之間，裝有電解液和絕緣層。電荷沿集電極和電解液成對排列，形成一個雙層電容器，擴(kuò)大了電容器的容量。 C=A/d E=CU2/2 式中 -有效電介質(zhì)常數(shù)；d-間隙距離；A-電極表面積；C-電容器的電容量；U-外加電壓；E-儲存的電量,2.7.3超級電容的性能指標(biāo),2.8 蓄電池充電原理與充電器,2.8.1充電方法與充電過程 1. 充電方法 (1)定流充電 定流充電是指充電過程中使充電電流保持不變的充電方法。 （通過調(diào)整電壓，保證電流不變） 優(yōu)點(diǎn)：充電電流可任意選擇，有益于延長蓄電池壽命。 缺點(diǎn)：充電時間長，且需要經(jīng)常調(diào)整充電電流。 定流充電的四種方法： 涓流充電、最小電流充電

45、、標(biāo)準(zhǔn)充電、高速率充電,2.定壓充電,(1)定義：在充電過程中，充電電壓恒定不變。 是蓄電池在 汽車上由發(fā)電 機(jī)對其充電的 方法。 恒壓充電特性 曲線見圖,(2)優(yōu)點(diǎn) 1)充電時間短，開始充電45h內(nèi)可獲充90-95%的電量。 2)充電過程無需調(diào)節(jié)電壓，較適合補(bǔ)充充電。 3）操作方便充電電流會隨著電動勢的上升而逐漸減小到零，使充電自動停止，不必人工調(diào)整和照管。 (3)缺點(diǎn) 1)充電電流無法調(diào)整，不能保證蓄電池徹底充足電，不適于初充電和去硫化充電。 2)初期充電電流大，溫升快，極板易彎曲，活性物質(zhì)易脫落，影響壽命。,3脈沖快速充電,(1)極化概念：充電后期化學(xué)反應(yīng)中，蓄電池兩極間電位差會高于兩極

46、活性物質(zhì)的平衡電位(每單格2.1V)，這種現(xiàn)象稱為極化。 (2)極化的影響：阻礙了蓄電池充電過程化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，是造成充電效率低及充電時間長的主要因素。 (3)極化種類：歐姆極化、濃差極化、電化學(xué)極化等。 (4)解決方法：采用脈沖充電法。 脈沖充電：指充電過程中充電電流、電壓不斷變化的充電方法,2.電流的充電過程,理想的充電器的實(shí)際充電過程應(yīng)分為 預(yù)充電、快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電四個階段。,(1)快速充電的理論基礎(chǔ),蓄電池充電可接受電流定律1967年美國的麥斯(J.A. Mas)提出 I=I0e-at 式中，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

47、充電可接受電流；a表示充電可接受電流衰減常數(shù)。,3脈沖快速充電法,2)脈沖快速充電法,以脈沖大電流充電來實(shí)現(xiàn)快速充電的方法。 大電流恒流充電 IC=（0.81）C20 ，短時間內(nèi)充至額定容量的60%，單池電壓升至2.4V（鉛酸電池）； 電液冒氣泡時，停充25ms左右； 反向脈沖充電， IC=（1.53.0）C20 t=1501500us， 消除孔隙中的氣泡 后停充25ms，再用正向脈沖進(jìn)行充電，如此循環(huán)，直至充足電。,優(yōu)點(diǎn)： 1)時間短：初充電5h、補(bǔ)充11.5h； 2)分解析氣量小，污染小，效率高 缺點(diǎn)：充不足電，對電瓶壽命有影響,3）快速充電終止控制方法,采用快速充電法時，充電電流為常規(guī)充

48、電電流的幾十倍。充足電后，如果不 及時停止快速充電，電池的溫度和內(nèi)部壓力將迅速上升。內(nèi)部壓力過大時， 密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散，造成電解液的粘稠性增大，電 池的內(nèi)阻增大，容量下降。 (a) 定時控制 采用1.25C充電速率時，電池1h可充足；采用2.5C充電速率時，30min可充足。因此，根據(jù)電池的容量和充電電流，很容易確定所需的充電時間。這種控制方法最簡單，但是由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，因此，只有充電速率小于0.3C時，才允許采用這種方法。 (b) 電壓控制 最高電壓（Vmax） 從充電特性曲線可以看出，電池電壓達(dá)到最大值時，電池即充足電

49、。充電過程中，當(dāng)電池電壓達(dá)到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準(zhǔn)確地判斷電池已足充電。,電壓負(fù)增量（V） 由于電池電壓的負(fù)增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準(zhǔn)確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點(diǎn)是：電池電壓出現(xiàn)負(fù)增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池的溫度較高。此外鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間，才出現(xiàn)負(fù)增量，過充電較嚴(yán)重。因此，這種控制方法主要適用于鎳鎘電池。 電壓零增量（0V） 鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負(fù)增量的時間過久而損壞電池，通常采用0V控制法。這種方法的缺點(diǎn)是：充足電以前，電池電壓在某一段時間內(nèi)可能變化很小，從而造成過早地停止快速充電。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都