第3章电动汽车储能装置

第3章电动汽车储能装置3.1概述3.2蓄电池3.3燃料电池3.4超级电容器3.5飞轮电池第1页3.1概述3.1.1电池的类型3.1.2电池的性能指标3.1.3电动汽车对动力蓄电池的要求第2页3.1.1电池的类型电池分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1．化学电池化学电池是利用物质的化学反应发电，按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。原电池是指电池放电后不能用简单的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池。蓄电池是指电池在放电后可以通过充电的方法使活性物质复原而继续使用的电池，这种充放电可以达数十次到上千次循环。燃料电池又称连续电池，是指参加反应的活性物质从电池外部连续不断地输入电池，电池就连续不断地工作而提供电能。储备电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触，使用前注入电解液或者使用其它方法使电解液与正负极接触，此后电池进入待放电状态。第3页3.1.1电池的类型化学电池按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。化学电池按电池的特性分为高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池等。化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉镍氢系列、铅酸系列、锂电池系列等。第4页3.1.1电池的类型2．物理电池物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。3．生物电池生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。迄今已经实用化的车用动力蓄电池有传统的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。在物理电池领域中，超级电容器也应用于电动汽车中。生物燃料电池在车用动力中应用前景也十分广阔，以氢为燃料的燃料电池和氧化物燃料电池的研发已进入重要发展阶段。第5页3.1.2电池的性能指标电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有差异。1．电压电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压等。电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差；开路电压是指电池在没有负载情况下的端电压；额定电压是电池在标准规定条件下工作时应达到的电压；蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压；放电终止电压是指电池放电时允许的最低电压。第6页3.1.2电池的性能指标电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有差异。1．电压电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压等。电池的端电压是指电池正极与负极之间的电位差；开路电压是指电池在没有负载情况下的端电压；额定电压是电池在标准规定条件下工作时应达到的电压；蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压；放电终止电压是指电池放电时允许的最低电压。第7页3.1.2电池的性能指标2．容量电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量。常用单位为安培小时，它等于放电电流与放电时间的乘积。电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容量等。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。标称容量是用来鉴别电池的近似安时值。额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电流在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。第8页3.1.2电池的性能指标3．内阻电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。充电电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。一般所知的电池内阻是充电态内阻，即指电池充满电时的内阻（与之对应的是放电态内阻，指电池充分放电后的内阻。一般说来，放电态内阻比充电态内阻大，并且不太稳定）。电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效率越低。内阻很大的电池在充电时发热很厉害，使电池的温度急剧上升，对电池和充电器的影响都很大。随着电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，电池的内阻会有不同程度的升高。第9页3.1.2电池的性能指标4．能量电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能，单位是Wh或kWh。它影响电动汽车的行驶距离。能量分为理论能量、实际能量、比能量和能量密度。理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量；实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量；比能量也称质量比能量，是指电池单位质量所能输出的电能，单位是Wh/kg，常用比能量来比较不同的电池系统；能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的电能，单位是Wh/L。第10页3.1.2电池的性能指标5．功率电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，单位为W或kW。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。功率分为比功率和功率密度。比功率是指单位质量电池所能输出的功率，也称质量比功率，单位为W/kg或kW/kg；功率密度是指单位体积电池所能输出的功率称为功率密度，也称体积比功率，单位为W/L或kW/L。第11页3.1.2电池的性能指标6．输出效率动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。通常用电池的容量效率和能量效率来表示。容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比；能量效率是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。第12页3.1.2电池的性能指标7．自放电率自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。第13页3.1.2电池的性能指标8．放电倍率电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示，即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大小，可分为低倍率（0.5C）、中倍率（0.5~3.5C）、高倍率（3.5~7.0C）、超高倍率（7.0C）。第14页3.1.2电池的性能指标9．使用寿命使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重复使用的次数。除此之外，成本也是一个重要的指标，电动汽车发展的瓶颈之一就是电池价格高。第15页3.1.3电动汽车对动力电池的要求(1)比能量高。为了提高电动汽车的续驶里程，要求电动汽车上的动力电池尽可能储存多的能量，但电动汽车又不能太重，其安装电池的空间也有限，这就要求电池具有高的比能量。(2)比功率大。为了能使电动汽车在加速行驶、爬坡能力和负载行驶等方面能与燃油汽车相竞争，就要求电池具有高的比功率。(3)充放电效率高。电池中能量的循环必须经过充电—放电—充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。第16页3.1.3电动汽车对动力电池的要求(4)相对稳定性好。电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。(5)使用成本低。除了降低电池的初始购买成本外，还要提高电池的使用寿命以延长其更换周期。(6)安全性好。电池应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。第17页3.2蓄电池3.2.1铅酸蓄电池3.2.2镍氢电池3.2.3镍镉电池3.2.4锂离子电池3.2.5锌镍电池3.2.6空气电池3.2.7蓄电池的充电方法3.2.8蓄电池的性能测试第18页3.2.1铅酸蓄电池1．铅酸蓄电池的分类铅酸蓄电池分免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通铅酸蓄电池的两倍。阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，电池盖子上设有溢气阀(也叫安全阀)，该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值，即当电池内部气压升高到一定值时，溢气阀自动打开，排出气体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。第19页3.2.1铅酸蓄电池2．铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池的基本结构如图所示。它由正负极板、隔板、电解液、溢气阀、外壳等部分组成。第20页3.2.1铅酸蓄电池3．铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池使用时，把化学能转换为电能的过程叫放电。在使用后，借助于直流电在电池内进行化学反应，把电能转变为化学能而储蓄起来，这种蓄电过程叫做充电。铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为第21页OHPbSOSOHPbO24423.2.1铅酸蓄电池铅酸蓄电池具有以下优点：(1)除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，为2.0V；(2)价格低廉；(3)可制成小至lAh大至几千Ah的各种尺寸和结构的蓄电池；(4)高倍率放电性能良好，可用于引擎启动；(5)高低温性能良好，可在-40~60℃条件下工作；(6)电能效率高达60%；(7)易于浮充使用，没有“记忆”效应；(8)易于识别荷电状态。第22页3.2.1铅酸蓄电池铅酸蓄电池具有以下缺点：(1)比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积较大，一次充电行驶里程短；(2)使用寿命短，使用成本高；(3)充电时间长；(4)铅是重金属，存在污染。第23页3.2.2镍氢电池镍氢电池是90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成，是一种碱性蓄电池。镍氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染，被誉为“绿色电源”。1．镍氢电池的分类按照外形，镍氢电池方形镍氢电池和圆形镍氢电池第24页3.2.2镍氢电池2．镍氢电池的结构镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体电池。在金属铂催化作用下，完成充电和放电可逆反应。镍氢电池的极板有发泡体和烧结体两种，发泡体极板的镍氢电池在出厂前必须进行预充电，且放电电压不能低于0.9V，工作电压也不太稳定，为避免发泡镍氢电池老化所造成的内阻增高，镍氢电池在出厂前必须进行预充电。经过改进的烧结体极板的镍氢电池，其烧结体极板本身就是活性物质，不需要进行活性处理，也不需要进行预充电，电压平衡、稳定，具有低温放电性能好、不易老化和寿命长的优点。第25页3.2.2镍氢电池3.镍氢电池的工作原理镍氢电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。镍氢电池由镍氢化合物正电极、储氢合金负电极以及碱性电解液(比如30%的氢氧化钾溶液)组成。密封一次镍氢电池的性能特点主要取决于本身体系的电极反应。当镍氢电池以标准电流放电时，平均工作电压为1.2V。当电池以8C率放电时，端电压降至1.1V时，则认为放电已完。电压1.1V称为8C率放电时的放电终止电压(0.6V~0.8V)。第26页3.2.2镍氢电池4.镍氢电池的特点镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅酸蓄电池相比，镍氢电池具有比能量高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点。(1)比功率高。目前商业化的镍氢功率型电