第四章新能源汽车动力电池概述

新能源汽车动力电池技术主讲教师：籍少敏Email:[e-mail]第四章新能源汽车动力电池概述4.1动力电池概述4.2动力电池类型4.3电池的性能指标4.4电动汽车对动力蓄电池的要求电动汽车的技术特征类型蓄电池电动汽车混合动力电动汽车燃料电池电动汽车驱动方式电动机驱动内燃机驱动电动机驱动电动机驱动能量系统蓄电池超级电容器蓄电池超级电容器内燃机发电单元燃料电池能源和基础设施电网充电设备加油站电网充电设备氢气甲醇或汽油乙醇主要特点零排放ZEV不依赖原油初期成本高已经销售很低排放行驶里程长依赖原油结构复杂已有销售零排放或超低排放能源效率高不依赖原油行驶里程长成本高研发中主要问题蓄电池和管理系统高的驱动性能充电设施多能源管理与优化控制依赖行驶周期蓄电池评估与管理燃料电池燃料处理器燃料系统4.1动力电池概述4.1动力汽车概述4.1动力汽车概述4.1动力汽车概述4.1动力汽车概述4.2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（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。4.2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。4.2电池的类型4.3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．电压电动势又称电池标准电压或理论电压，为组成电池的两个电极的平衡电位之差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，开路电压不等于电池的电动势，电动势是从热力学函数计算得到的，开路电压是实际测量出来的；工作电压是电池在某负载下的实际放电电压，通常是指一个电压范围；例如铅酸蓄电池工作电压是1.8~2V，镍氢电池是1.1~1.5V，锂电池是2.75~3.6V.额定电压是电池在标准规定条件下工作时应达到的电压；充电电压是外电路对电池充电的电压，一般充电电压要大于电池的开路电压。充电终止电压是蓄电池充足电时，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终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例：电动势2.1V，额定电压2V，开路电压接近2.1V，工作电压1.8~2V，放电终止电压1.5~1.8V.电压效率指电池的工作电压与电池的电动势的比值4.3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。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。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，对于实用中的化学电源，其值小于理论容量而通常比额定容量大10~20%标称容量是用来鉴别电池适当的近似值。在指定放电条件时，一般指0.2C放电时的放电容量。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，相应的称为体积比容量和质量比容量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。3.内阻•电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。•电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。•电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。•欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。•通俗讲蓄电池的内阻包括正负极板的电阻、电解液的电阻、隔板的电阻和连接体的电阻4.3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。4.3电池的性能指标能量密度(Energydensity)•一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的2.5倍，是镍氢电池的1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。•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。4.3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。4.3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。4.3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）。4.3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。4.3电池的性能指标负载能力•当电池的正负极两端连接在用电器上时，带动用电器工作时的输出功率，即为电池的负载能力。内压•指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中产生的气体所致，主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。其产生原因主要是由于电池内部水分及有机溶液分解产生的气体于电池内聚集所致。充电率(C-rate)•C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值。•例如：充电电池的额定容量为1100mAh时，即表示以1100mAh(1C)放电时间可持续1小时，如以200mA(0.2C)放电时间可持续5小时，充电也可按此对照计算。放电深度(DepthofdischargeDOD)•在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。•放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。过放电(Overdischarge)•电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。过充电(Overcharge)•电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。自我放电(Selfdischarge)•电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。•电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率•行业标准锂离子电池月自放电率小于12%•电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能有关放电平台•锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台•行业标准1C放电平台为70%以上放电倍率•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，放电倍率表示的放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。（放电倍率=额定容量/放电电流）•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）•如：某电池的额定容量为20Ah，若用4A电流放电，则放完20Ah的额定容量需用5h，也就是说以5倍率放电，用符号C/5或0.2C表示，为低倍率。充电循环寿命(Cyclelife)•电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命•循环寿命与电池充放电条件有关•锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。记忆效应(Memoryeffect)•记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。•要消除这种效应，有两种方法，一是采用小电流深度放电（如用0.1C放至0V）一是采用大电流充放电（如1C）几次。•镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应化成•电池制造后，通过一定的充放电方式将其内部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经过化成后才能体现真实性能。分容•电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，