第4章-新能源汽车的储能装置

新能源汽车技术第4章新能源汽车的储能装置May,2014Page2第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述类型：动力蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮储能器等储能装置，及其相互组合而形成的混合储能装置。动力电池性能的提高是电动汽车发展的关键技术之一。它既是目前普及电动汽车的瓶颈，也是电动汽车能否与传统内燃机汽车竞争的重要因素之一。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014化学电池的组成：电极（正极和负极）电解质隔膜外壳（容器）Page3新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述图4.1化学电池的基本构造图Page44.1.1化学电池的基本构成电极（核心部分）一般由活性物质和导电骨架组成。活性物质：通过化学反应释放出电能的物质。导电构架：传导电子和支撑活性物质。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page5电解质（核心部分）液体、固体液体：一般是酸、碱、盐的水溶液。固体：一般为盐类。【干电池】tip：电解质化学性质必须稳定，使蓄电池在静止状态（不充电也不放电的状态下）电解质与活性物质界面间的电化学反应速率小，这样在电池自放电时，电池的容量损失就小。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page6隔膜通常为薄膜、板材或胶状物等。避免电池内阴、阳极之间的距离较近而发生内部短路产生严重的自放电现象。要求：化学性质稳定，有一定的机械强度，对电解质离子运动的阻力小，是电的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落的活性物质微粒和枝晶的生长。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page7外壳盛放和保护电池电极、电解质、隔膜的容器。要求：足够的机械强度和化学稳定性、耐振动、耐冲击、耐腐蚀。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page84.1.2电池的基本知识1、电池的放电将电池内储存的化学能以电能方式释放出来的过程，即电池向外电路输送电流。放电特性的衡量参数：放电深度、放电率、连续放电时间。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page9蓄电池放电终了的特征：单格电池电压降到放电终止电压；电解液相对密度降到最小许可值。tip：放电终止电压与放电电流的大小有关，放电电流越大，允许的放电时间就越短，放电终止压力也越低。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page102、电池的充电将外部电源的电能输入蓄电池，在蓄电池内将电能转换为化学能储存起来的过程。充电参数：充电特性、完全充电和充电率。充电方式：恒压充电、恒流充电、涓流充电和浮充电等。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page11蓄电池充电终了的特征：电解液中由大量气泡冒出，呈沸腾状态；电解液的相对密度和蓄电池的端电压上升到规定值，且在2～3h内保持不变。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page123、电池的极化电池在静止状态（对外电路的电流I=0）时，出现的电池电压、电极电位变化的现象。极化现象反映了在静止状态能量损失的大小，极化损失越小越好。常见的极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、浓差和电化学极化等。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page134、记忆效应电池在没有完全放电之前就重新充电，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。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，使电池容量逐渐变低。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page14原因：电池内部枝晶的生长解决办法：深度充放电（损坏电池），脉冲充电法（适宜使用）。主要表现在镍镉电池中。对于其他蓄电池该效应较小或不存在。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page155、电池的组合将若干单体电池通过串联、并联与复联的方式组合成电池组。为了获取较高的电压和电流。电池组合中的单体电池：同一系列、同一规格、性能尽可能一致。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page164.1.3电池的种类1、按照工作原理分类主要可分为生物电池、物理电池和化学电池。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述生物电池：利用生物（如生物酶、微生物或叶绿素等）分解反应过程中表现出来的带电现象所进行的能量转换。【酶电池、微生物电池和生物太阳电池】Page17新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述物理电池：利用物理原理制成的电池。【太阳能电池、飞轮电池、核能电池和温差电池】Page18新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述化学电池：将化学反应产生的能量直接转换为电能的装置。Page19新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述超级电容器：介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元件。Page20新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page212、按照电解液种类分类（化学电池的分类）碱性电池：氢氧化钾水溶液【碱性锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池】酸性电池：硫酸溶液【铅酸电池】中性电池：盐溶液【锌锰干电池】有机电解液电池：有机溶液【锂电池、锂离子电池】新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page223、按照电池的正负极材料分类（化学电池的分类）锌系列电池：锌锰电池、锌银电池等；镍系列电池：镍镉电池、镍氢电池等；铅系列电池：铅酸电池等；锂系列电池：锂离子电池、锂锰电池、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池；二氧化锰系列电池：锌锰电池、碱锰电池等；空气电池系列：锌空气电池、铝空气电池等。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page234、按照电池功能分类（化学电池的分类）一次电池：原电池，不能再充电的电池。若电解质不流动则称为干电池，如锌锰干电池、锌汞干电池、锌银干电池等。二次电池：蓄电池，可充电电池。应用广泛。主要有铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池及磷酸铁锂电池等。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page24燃料电池：连续电池，将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。储备电池：激活电池，正负极活性物质在储存期不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活，如锌银电池、镁银电池等。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page254.1.4电池的性能指标1、电池的工作电压、放电终止电压和放电曲线工作电压：电池放电时，电池两极之间的电位差，又称为放电电压或端电压。放电终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述放电曲线：在一定放电条件下，连续放电时电池的工作电压随时间变化的关系曲线。放电小时率，电压下降速度，终止电压大小，放电时间。Page26新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述图4.2蓄电池的放电曲线Page27电池的放电深度（DepthofDischarge，DOD）电池已经放出的电量占其额定容量的百分比。式中，SOC0为电池的初始荷电状态；Ibat为t时刻电池的工作电流，充电时为正，放电时为负，单位为A；t为充放电时间，单位为h；C为电池的额定容量，单位为Ah。bat00dDOD100%SOC100%tItC新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page282、电池的容量（C）完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总电量，其单位为安培时（Ah）。理论容量、i小时率放电容量、额定容量、实际容量、剩余容量。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page293、电池的能量在一定标准所规定的放电条件下，电池对外做功所能输出的电能，其单位为瓦时（Wh）或千瓦时（kWh）。总能量、充电能量、放电能量。容量与能量的区别：前者表示电池输出的电量，而后者表示其做功能力。能量可以用容量乘以放电平均电压获得。当用电设备用电流控制时，则用容量衡量；当电压显得重要时，则多用能量。分析比较电动汽车能量利用效率时即用电池的能量来考虑。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page304、能量密度与功率密度比能量：蓄电池的单位质量（或体积）所获取的电能。质量能量密度：质量比能量，单位为Wh/kg。体积能量密度：体积比能量，单位为Wh/L。比功率：蓄电池的单位质量（或体积）所获取的输出功率。质量功率密度：质量比功率，单位为W/kg。体积功率密度：体积比功率，单位为W/L。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page31性能评价能量密度续驶里程功率密度加速性、爬坡性和最高车速等一般来说，蓄电池的功率密度增加时，能量密度要下降。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page325、电池的开路电压蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差。一般用高内阻的电压表或万用表测量。影响因素：正、负极材料，电解液的性质等。随着电池存放时间的延长，其开路电压会有所下降。新能源汽车技术，FacultyofNewEnergyVehicles，May,2014第4章新能源汽车的储能装置4.1动力电池概述Page336、电池的内阻包括欧姆内阻和极化电阻。欧姆内阻：电池中各组成部分的电子导电阻力、离子导电阻力及接触电阻之和，与电极