第三章电动汽车动力电池和驱动电机

第三章电动汽车动力电池和驱动电机第一节电动汽车动力电池第二节电动汽车驱动电机第一节电动汽车动力电池一动力电池的分类电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1化学电池（利用物质的化学反应发电）1)原电池，又称一次电池。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。2)蓄电池，又称二次电池指电池在放电后可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。如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。3)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。如质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生型燃料电池等。第一节电动汽车动力电池2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（磷酸铁锂电池）。在物理电池领域中，超级电容器也应用于纯电动汽车和混合动力汽车中。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。第一节电动汽车动力电池二电动汽车用动力电池的性能指标电池作为电动汽车的储能动力源，在电动汽车上发挥着非常重要的作用，要评定电池的实际效应，主要是看电池的性能指标。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、放电电压和终止电压等。1）端电压是指电池正极与负极之间的电位差。2）电池在开路状态下的端电压称为开路电压，即电池在没有负载情况下的端电压。3)额定电压是指电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。4)放电电压是指电池接通负载后在放电过程中显示的电压；在电池放电初始的工作电压称为初始电压。5)电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池再不宜继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。第一节电动汽车动力电池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。常用单位为安时(Ah)，它等于放电电流与放电时问的乘积。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。1)理论容量把活性物质的质量按法拉第电磁感应定律计算而得到的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah／L或Ah／kg。2)实际容量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。3)标称容量标称容量是用来鉴别电池的近似安时值。第一节电动汽车动力电池4)额定容量额定容量也称保证容量，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。5)荷电状态荷电状态(SOC)是电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。反映电池容量的变化。SOC=1即表示电池充满状态。随着电池的放电，电池的电荷数逐渐减少，此时电池的充电状态，可以用SOC的百分数的相对量来表示电池中电荷的变化状态。一般电池放电高效率区为(50%～80%)SOC。3内阻电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。由于电池内阻作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时端电压高于电动势和开路电压。第一节电动汽车动力电池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。1)理论能量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。2)实际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。3)比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。理论比能量是指lkg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量；实际比能量是指lkg电池反应物质所能输出的实际能量。电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。4)能量密度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。第一节电动汽车动力电池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。1)比功率单位质量电池所能输出的功率称为比功率，也称质量比功率，单位为W／kg或kW／kg。2)功率密度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。第一节电动汽车动力电池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。1)容量效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比。式中，ηc为电池的容量效率；C放为电池放电时输出的容量；C充为电池充电时输入的容量。影响电池容量效率的主要因素是副反应。当电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解上。此外，自放电、电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也降低容量输出。2)能量效率，也称电能效率指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。式中，ηw为电池的能量效率；W放为电池放电时输出的能量；W充为电池充电时输入的能量。影响能量效率的原因是电池存在内阻，它使电池充电电压增加，放电电压下降。内阻的能量损耗以电池发热的形式损耗掉。第一节电动汽车动力电池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。式中，Ca为电池存储前的容量(Ah)；Cb为电池存储后的容量(Ah)；T为电池存储的时间，常用日、月计算。8放电速率(放电率)放电速率一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比值来表示。1)时率(时间率)电池以某种电流强度放电，放完额定容量所经过的放电时间。汽车用电池一般用20小时率容量表示。2)倍率(电流率)电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。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。第一节电动汽车动力电池三电动汽车对动力电池的要求电动汽车对动力电池的要求主要有：(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。(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。第一节电动汽车动力电池美国先进电池开发联合体(USABC)对电动汽车用动力电池制定的开发目标第一节电动汽车动力电池四电池充放电和SOC估计1电池的充电特性电池的充电方法：常规充电和快速充电两种。常规充电方法主要有恒流充电法、分段电流充电法、恒压充电法、恒压限流充电法等。快速充电方法：脉冲式充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法。2电池的放电特性第一节电动汽车动力电池3电池SOC估计电池剩余容量的多少一般用电池荷电状态(SOC)来描述。电池荷电状态是无量纲的量，既可以反映电池剩余的电量，也可以反映电池消耗的电量。电池荷电状态估算是蓄电池管理系统的核心部分，也是电池管理技术的难点之一。电动汽车电池在使用过程中表现为高度非线性，这使得准确估算蓄电池荷电状态具有很大难度。目前国内外蓄电池常用的荷电状态估计的方法主要有放电实验法、安时计量法、开路电压法、负载电压法、电化学阻抗频谱法、内阻法、线性模型法、神经网络法和卡尔曼滤波法等。第一节电动汽车动力电池五电池性能的检测1电池充电性能测试充电过程中的主要检测参数有充电接受能力(充电效率)及充电最高电压等。充电效率是指电池在充电时充入电池的电能与所消耗的总电能之比，以百分数表示。充电电流的大小、充电方法、充电时的温度直接影响到充电效率。电池的耐过充能力是其充电过程中的另一个重要指标。蓄电池应具有良好的耐过充性能，即使电池处于极端充电条件下，也能拥有较为优良的使用性能。例如，对于Ni-MH电池，一般要求在lC充电率下，电池充电90min应无泄漏，充电6h内不发生爆裂。2电池放电性能测试电池的放电性能受放电制度的影响，放电制度主要包括放电时间、电流、环境温度及终止电压等。电池的放电方法主要分恒流放电和恒阻放电两种。3电池容量的测定；4电池寿命的测试；5电池内阻、内压的测定6高、低环境温度下电池性能的测定；7自放电及储存性能的测试8安全性能测试（耐过充、过放能力的测试、短路测试、耐高温测试、钻孔实验、机械性能、抗腐蚀性能测试）2019/8/1416第一节电动汽车动力电池六国内外动力电池发展现状和动向1国外动力电池发展现状和动向（1）国外电池企业技术水平先进，尤其是动力电池一致性较好，使用寿命长，能满足整车要求，但成本较高。（2）国外电池企业与整车或零部件厂家组建合资公司，共同开发和生产动力电池及其管理系统。（3）政府重视动力电池与相关材料的研发，积极投入巨资资助企业开发。（4）日本电池企业大多自筹资金投资建厂；美国电池企业大多以政府资助方式投资建厂。（5）国外相关机构和企业已启动下一代新型动力电池开发项目。2019/8/1417第一节电动汽车动力电池2我国动力电池发展现状1）电池材料（1）我国动力电池主要原材料资源丰富，产业化发展有保障。（2）锂离子电池负极材料已实现国产化，产品性能居于国际先进水平。（3）磷酸铁锂材料生产企业众多，能满足动力电池使用的较少。（4）锂离子动力电池隔膜材料已研发出样品，性能有待改进。（5）镍氢电池的发泡镍已经实现国产化，产品销量占世界前列。2）电池产品（1）锂离子电池已形成产品系列，能支持样车和示范车型配套，但距离产业化运用仍有较大差距。（2）锂离子电池的安全性能指标取得明显进步。（3）国内锂离子电池企业技术水平参差不齐，总体与国际先进水平存在一定差距，且存在差距继续扩大的趋势。（4）镍氢电池已形成产品系列，产品性能已有明显进步，部分产品可与量产车型配套。（5）国内动力电池成组技术较落后，离产业化尚有较大差距。（6）国内企业规划扩大投资，积极进行产业化准备。2019/8/1418第一节电动汽车动力电池3）电池管理系统（1）我国在电池管理系统方面已取得一定进展，产品功能较为完备，能支持示范车型配套，但尚未达到产业化程度。（2）电池和整车行业都缺乏电池管理系统设计和生产经验，且双方缺乏紧密的合作。（3）国内电池企业较少介入电池管理系统的设计和制造，一般委托专业电子公司或高校开发相关系统。（4）电池厂家对电池内部变化规律研究不够深入，缺乏数据积累，无法与设计公司进行深入沟通，影响产品性能。（5）产品功能较简单，在数据采集的可靠性、SOC的估算精度、热管理、均衡、安全管理等方面与国外存在很大差距。（6）电子元器件多为非车用级，产品电磁兼容性差，稳定性和可靠性低。4）动力电池回收与