第2章-电动汽车用动力电池-新能源汽车技术

第2章电动汽车用动力电池主讲：郑竹安YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术2第2章电动汽车用动力电池2.1概述2.2铅酸蓄电池2.3镍氢电池2.4锂离子电池2.5燃料电池2.6太阳能电池2.7其他动力电池YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术32.1概述电池是电力汽车的动力源，是能量的存贮装置。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键是开发住比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的电池。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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术42.1.1电动汽车动力电池分类1．化学电池利用物质的化学反应发电。化学电池按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术52.1.2电动汽车用动力电池的性能指标1．电压（1）端电压（2）开路电压（3）电动势（4）额定电压（5）放电电压（6）终止电压YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术62.1.2电动汽车用动力电池的性能指标2．容量（1）理论容量（2）实际容量（3）标称容量（4）额定容量（5）荷电状态SOCYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术73．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。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W·h或kW·h。它影响电动汽车的行驶距离。理论能量、实际能量、比能量、能量密度YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术85．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，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。（1）比功率（2）功率密度YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术96．输出效率（1）容量效率式中，为电池的容量效率；为电池放电时输出的容量；为电池充电时输入的容量。%100充放CCcc放C充CYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术10（2）能量效率能量效率也称电能效率，是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比，即式中，为电池的能量效率；为电池放电时输出的能量；为电池充电时输入的能量。%100充放w放W充WYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术117．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。自放电率式中，为电池存储前的容量（Ah）；为电池存储后的容量（Ah）；为电池存储的时间，常用天、月计算。%100TCCCabaaCbCTYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术128．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例来表示。（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20h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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术139．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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术142.1.3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（2）比功率大（3）充放电效率高（4）相对稳定性好（5）使用成本低（6）安全性好YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术152.2铅酸蓄电池铅酸蓄电池自1859年发明以来，其使用和发展已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。电动汽车用铅酸蓄电池要用于给电动汽车提供动力，它的主要发展方向是提高比能量，增大循环使用寿命。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术162.2.1铅酸蓄电池的发展动态日本GS公司生产的SER60电池比能量为34Wh/kg，能量密度为91Wh/L，比功率为300W/kg（50%DOD）；日本松下公司生产的动力型铅酸蓄电池循环寿命已突破1000次（80%DOD。美国BPC公司和Trojon公司开发的双极性密封铅蓄电池，正负极位于同一片导体的两侧面，用吸液式纤维隔板贮存电解液组成密封电池。其额定电压为180V，容量为60Ah，比能量≥50Wh/kg，峰值比功率700W/kg，循环寿命≥1000次，预计使用寿命10年。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术172.2.1铅酸蓄电池的发展动态国内研制开发的电动汽车用水平极板铅酸蓄电池已经达到了以下性能指标：3h率比能量45Wh/kg，10min持续比功率80W/kg，快速充电性能4~5h100%充电,15~20min70%充电，80%DOD寿命600次。铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力电源在比能量、深放电循环寿命、快速充电等方面均比镍氢电池、锂离子电池差，不适合于电动轿车。但由于其价格低廉，国内外将它的应用定位在速度不高、路线固定、充电站设立容易规划的车辆。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术182.2.2铅酸蓄电池的分类与结构1．铅酸蓄电池的分类•（1）免维护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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术192.2.2铅酸蓄电池的分类与结构市场上的免维护铅酸蓄电池也有两种：（1）在购买时一次性加电解液以后使用中不需要添加补充液；（2）电池本身出厂时就已经加好电解液并封死，用户根本就不能加补充液。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术202.2.2铅酸蓄电池的分类与结构（2）阀控密封式铅酸蓄电池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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术212.2.2铅酸蓄电池的分类与结构阀控密封式铅酸蓄电池分为AGM和GEL（胶体）电池两种：（1）AGM采用吸附式玻璃纤维棉（AbsorbedGlassMat）作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，电池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作；（2）胶体（GEL）SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。无特殊说明，皆指AGM电池。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术222.2.2铅酸蓄电池的分类与结构2．铅酸蓄电池的结构YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术232.2.3铅酸蓄电池的特点1．铅酸蓄电池的优点（1）除锂离子电池，铅酸蓄电池电压最高，为2.0V；（2）价格低廉；（3）可制成小至lAh大至几千Ah各种结构蓄电池；（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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术242．铅酸蓄电池的缺点（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。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术252.2.4铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为充电时，把铅板分别和直流电源的正、负极相连，进行充电电解，阴极的还原反应为OHPbSOSOHPbO2442244SOPbe2PbSOYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术262.2.4铅酸蓄电池的工作原理阳极的氧化反应为充电时的总反应为随着电流的通过，在阴极上变成蓬松的金属铅，在阳极上变成黑褐色的二氧化铅，溶液中有生成。e2SOH4PbOOH2PbSO2422442224SOH2PbOPbOH2PbSO24PbSO42SOHYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术272.2.4铅酸蓄电池的工作原理放电时蓄电池阴极的氧化反应为由于硫酸的存在，立即生成难溶解的。阳极的还原反应为同样，由于硫酸的存在，也立即生成。放电时总的反应为e2PbPb2＋OH2Pbe2H4PbO222OH2PbSO2SOH2PbOPb244222Pb4PbSO2Pb4PbSOYANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术282.2.4铅酸蓄电池的工作原理蓄电池充电的时候，随着电池端电压的升高，水开始被电解，当电池电压达到约2.39V/单体时，水的电解不可忽视。水电解时阳极和阴极的化学反应式为阳极给出电子，阴极得到电子，从而形成了回路电流。端电压越高，电解水也越激烈，此时充入的大部分电荷参加水电解，形成活性物质很少。e2H2O21OH222He2H2YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术292.2.5铅酸蓄电池的充放电特性1．铅酸蓄电池的放电特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术302．铅酸蓄电池的充电特性YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术312.2.6铅酸蓄电池的充电方法1.蓄电池常规充电方法1）恒流充电法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术322.2.6铅酸蓄电池的充电方法2）分段电流充电法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术332.2.6铅酸蓄电池的充电方法3）恒压充电法YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术342.2.6铅酸蓄电池的充电方法4）恒压限流充电法在充电第一阶段，用恒定的电流充电；在电池电压达到一定电压后，维持此电压恒定不变，转为第二阶段的恒压充电过程，当充电电流下降到一定值后，继续维持恒压充电大约一小时即可停止充电。YANCHENGINSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术352.2.6铅酸蓄电池的充电方法2.蓄电池快速充电法1）蓄电池快速充电的原理快速充电要想方设法加快电池的化学反应速度(提高充电电压或电流等)，使之充电速度得到最大的提高；快速充电又要保证负极的吸收能力，使负极能够跟得上正极氧气产生的速度，同时要