汽车拖拉机学-第十章第二课

汽车拖拉机学讲授内容：第2课蓄电池与燃料电池电动汽车（第十章电动汽车技术）主讲人：邓晓亭讲师11:53《汽车拖拉机学》课件1第十章电动汽车技术第1课混合动力电动汽车第2课蓄电池与燃料电池电动汽车本章内容安排11:53《汽车拖拉机学》课件2本节课的主要内容第十章电动汽车技术第2课蓄电池与燃料电池电动汽车一、蓄电池电动汽车驱动系统类型二、动力蓄电池的类型及工作原理三、驱动电机和辅助系统四、燃料电池的工作原理、分类和特点五、燃料电池电动汽车的基本构造11:53《汽车拖拉机学》课件3控制信号连接电器连接机械连接电动汽车工作原理与内燃机汽车相比，电动汽车最大不同点在于动力源、电力驱动及辅助系统。动力源主要是电源及其控制装置；电力驱动系统主要由电动机、调速控制装置、功率转换器、机械传动装置组成；辅助系统具有温度控制、能量管理和充电、辅助动力供给等功能。第十章电动汽车技术一、蓄电池电动汽车驱动系统类型1、蓄电池电动汽车的基本结构11:53《汽车拖拉机学》课件4第2课蓄电池与燃料电池电动汽车M-电动机C-离合器D-差速器FG-固定速比减速器GB-变速器蓄电池电动汽车的驱动系统形式2、蓄电池电动汽车的驱动系统第十章电动汽车技术11:53《汽车拖拉机学》课件5第2课蓄电池与燃料电池电动汽车一、蓄电池电动汽车驱动系统类型蓄电池电动汽车对动力蓄电池的基本要求：（1）比能量高比能量是指单位蓄电池重量所能提供的电能，是保证电动汽车能够达到基本合理的行驶里程的重要性能，2h放电率时电池的比能量至少不低于44Wh/kg。（2）充电技术成熟、时间短电池应对充电技术没有特殊要求，并且能够实现感应充电。在充电时间上能够实现快速充电，电池的正常充电时间应小于6h，电池快速充电达到额定容量50％的时间应为20min以下。（3）连续放电率高、自放电率低电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率可以达到额定容量的70％左右。自放电率要低，电池能够长期存放。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理1、电源11:53《汽车拖拉机学》课件6第2课蓄电池与燃料电池电动汽车（4）适应车辆运行环境电池能够在常温条件下正常稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊的加热、保温系统，能够适应电动汽车行驶时的振动。（5）安全可靠电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏，不会引起自燃或燃烧。在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害。废电池能够回收处理和再生利用，电池中有害重金属能够集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。（6）长寿命、免维护电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理1、电源11:53《汽车拖拉机学》课件7第2课蓄电池与燃料电池电动汽车USABC蓄电池的性能目标性能指标中期长期比能量（C/3放电率）/（Wh·kg-1）能量密度（C/3放电率）/（Wh·L－1）比功率（80%DOD/30s）/（W·kg-1）功率密度/（W·L-1）使用寿命（年）循环寿命（80%DOD）/次价格（US$·kW-1·h-1）工作温度/℃充电时间/h快速充电时间（40%～80％SOC）/h80（期望达到100）135150（期望达到200）2505600150-30－6560.25200300400600101000100-40～853～6辅助目标效率（C/3放电，6h充电）/%自放电/%维护误用电阻热损耗（高温电池）/（W/kW-1·h-1）7515（48h）免维护允许3.28015（月）免维护允许3.2注：DOD——放电深度；SOC+——荷电状态第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理11:53《汽车拖拉机学》课件8第2课蓄电池与燃料电池电动汽车蓄电池的基本组成为电池单体，多个电池单体串联组成蓄电池。电池正极和负极都浸在电解液中。放电时，负极发生氧化反应向外电路释放电子，正极发生还原反应，从外电路得到电子。充电时，过程正好相反，负极得到电子发生还原反应，正极失去电子发生氧化反应。可用于电动汽车的蓄电池有铅酸电池、镍基电池、金属空气电池、Na-β电池、常温锂电池、飞轮电池、超级电容等。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理2、动力蓄电池的基本性能11:53《汽车拖拉机学》课件9第2课蓄电池与燃料电池电动汽车特点：技术成熟、价格低廉、良好的大电流输出性能、良好的高低温性能、高能量效率（75％～80％）以及多种多样的型号和尺寸等优点。单体额定电压2V，比能量35Wh/kg，能量密度70Wh/L，比功率200W/kg。采用金属铅作负电极，二氧化铅作正电极，硫酸作电解液，电化学反应式为：22442222PbPbOHSOPbSOHO铅酸电池的开路电压仅与硫酸浓度有关，而与电池中的铅、二氧化铅以及硫酸铅的量无关。电池单体电压E0为：0(0.84)EV式中：——为硫酸浓度（kg/L）第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（1）铅酸电池11:53《汽车拖拉机学》课件10第2课蓄电池与燃料电池电动汽车在蓄电池充放电过程中电压不为常数，电池开路电压也受环境温度的影响。以中等放电率放电时截止电压取1.75V，以极高放电率放电时截止电压可取1.0V。充电时，充电电流应作适当的控制以维持电池充电电压低于冒气电压（约为2.4V），否则，就会出现过充电反应，电解水生成氢气和氧气，使电解液失去水分。缺点：铅酸电池的比能量和能量密度都比较低、自放电率较高、循环寿命短、酸蚀电极而不便于长期储存等。综合各项指标，铅酸电池是目前电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（1）铅酸电池11:53《汽车拖拉机学》课件11第2课蓄电池与燃料电池电动汽车镍基电池有Ni-Cd、Ni-Zn、Ni-MH等。Ni-MH电池于1992年投放市场，被认为是满足电动汽车使用近期目标的较理想能量源。Ni-MH电池使用了氢，氢吸附于金属氢化物中并作为负极活性物质。在镍基电池中具有较高的比能量以及无毒性、无致癌物质等特点。Ni-MH电池充放电原理图第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（2）镍基电池11:53《汽车拖拉机学》课件12第2课蓄电池与燃料电池电动汽车Ni-MH电池单体额定电压1.2V、比能量65Wh/kg、能量密度150Wh/L、比功率200W/kg。电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的NiOOH，金属氢化物能够在电池充放电时释放和吸收氢气，碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分，电化学反应方程式为：2)(OHNiMNiOOHMH优点：高于其他任何镍基电池的比能量和能量密度、优良的环保特性（无镉）、平坦的放电曲线和快速充电性能等。缺点：初始成本高，而且还有记忆效应和充电发热等问题。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（2）镍基电池11:53《汽车拖拉机学》课件13第2课蓄电池与燃料电池电动汽车金属空气电池采用金属负电极和空气正电极，具有电力充电和机械充电两种可选方案。优点：高比能量和能量密度（Al空气电池高达600Wh/kg和400Wh/L）、低价格（采用了常用金属材料和空气）、良好的环保设计、平坦的放电曲线以及与负载和工作温度无关的容量特性。缺点：比功率低、工作温度范围有限、空气中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和碱性电解液并释放氢气等。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（3）金属空气电池11:53《汽车拖拉机学》课件14第2课蓄电池与燃料电池电动汽车Zn空气电池电力充电方式的Zn空气电池额定工作电压为1.2V、比能量为180Wh/kg、能量密度为160Wh/L、比功率为95W/kg。负电极为金属锌粒，正电极为空气中的氧气，电解液为氢氧化钾溶液，电池的化学反应方程式为：ZnOOZn222放电时，锌粒被氧化生成锌酸盐溶于电解液中并形成氧化锌，充电时，反应过程正好相反。但是在充、放电过程中，锌电极的形状会变化。机械充电式的Zn空气电池避免了使用双极空气电极和锌电极在充放电循环中出现的形状改变问题，其具有相对较高的比能量（230Wh/kg）和比功率（105W/kg）。第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（3）金属空气电池11:53《汽车拖拉机学》课件15第2课蓄电池与燃料电池电动汽车Al空气电池的额定电压为1.4V，电解液可以是盐溶液或氢氧化钾溶液。机械充电式Al空气电池的放电反应方程式为：缺点：比功率极低，很少单独用作电动汽车的能量源。为利用Al空气电池高的比能量和能量密度，在电动汽车上通常与其他类型的充电电池组合作为动力源，用于延长车辆续驶里程。322)(4634OHAlOHOAl优点：比能量和能量密度均很高。Al空气电池第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（3）金属空气电池11:53《汽车拖拉机学》课件16第2课蓄电池与燃料电池电动汽车Na-β电池技术包括基于Na/S和Na/NiCl2化合物的两种设计。Na/S电池的工作温度范围300~350℃，单体电池的额定电压2.0V，比能量170Wh/kg，能量密度250Wh/L，比功率390W/kg。活性物质为熔铸钠负电极和熔铸钠多硫化合物正电极。陶瓷β-Al2O3电解液作为离子传导媒介和熔铸电极的隔离物，避免了电池的自放电。该电池的电化学反应方程式为：xSNaxSNa22放电时，Na原子被氧化生成钠离子，钠离子通过电解液的传递与硫结合生成五硫化钠化合物。五硫化钠化合物又逐渐形成多硫化钠化合物（Na2Sx，其中x=5~2.7），充电过程正好相反。Na/S电池第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（4）Na-β电池11:53《汽车拖拉机学》课件17第2课蓄电池与燃料电池电动汽车在Na/NiCl2电池中，活性物质为熔铸Na负电极和固体镍氯化物正电极。其电解液除了陶瓷β-Al2O3外，还有一种贮于正电极室中的辅助电解液-钠铝氯化物。相应的电化学反应方程式为：放电时，固态镍氯化物转化为镍金属和氯化钠晶体。NaClNiNiClNa222Na/NiCl2电池工作温度250~350℃，电池单体的额定电压2.5V。比能量可达到86Wh/kg、能量密度为149Wh/L、比功率为150W/kg。优点：比Na/S电池具有更高的开路电压、更宽的工作温度范围、更高的化学反应物安全性、更加可靠的失效模式、更好的耐冻结—解冻能力。缺点：成本高、比功率低。Na/NiCl2电池第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（4）Na-β电池11:53《汽车拖拉机学》课件18第2课蓄电池与燃料电池电动汽车放电时，在负电极生成的锂离子通过电解液SPE嵌入正极晶状结构中。使用金属锂和过渡金属氧化物（MyOz）分别作电池的负极和正极。MyOz为层状结构，通过锂离子的嵌入和脱嵌产生放电和充电，电解液为固态的薄层电解液（SPE），提高了设计的安全性和灵活性。通常的电化学反应方程式如下：zyxzyOMLiOMxLi在Li聚合物电池中，Li/SPE/V6O13电池是最具吸引力的一种。其工作额定电压3V、比能量155Wh/kg、能量密度220Wh/L、比功率315W/kg。同时具有自放电率低（0.5％／月）、形状和尺寸多变，安全性高等优点。但由于离子导电对温度的敏感性，该电池的低温性能较差。Li聚合物电池第十章电动汽车技术二、动力蓄电池的类型及工作原理3、动力蓄电池的工作原理（5）常温锂电池11:53《汽车拖拉机学》课件19第2课蓄电池与燃料电池电动汽车Li-Ion电池使用锂碳化合物（LixC）作负电极，锂化过渡金属氧化物（LilxMyOz）作正电极，液体有机溶液或固体聚合物作电解液。电化学反应方程式为：zyxzyxxOMLiCOMLiC