第二章--新能源汽车的动力电池与能量存储

第二章新能源汽车的动力电池与能量存储第一节概述第二节电化学蓄电池第三节新能源汽车用其他储能系统第四节混合能量存储系统第五节蓄电池的测试2020/11/252020/11/25第一节概述目前各种蓄电池还不能满足新能源汽车对动力电池的实际需要。其主要不足归纳如下:１.能量密度低２.充电时间长３.价格高且使用寿命短４.汽车附件的使用受到限制一、新能源汽车用动力电池分类１.按动力电池电解质分类１)酸性电池２)碱性电池３)中性电池４)有机电解液电池第一节概述２.按动力电池所用正、负极材料不同分类１)锌系电池２)镍系电池３)铅系电池４)锂系电池５)金属空气电池表２-１为各种常用车用蓄电池的性能比较。第一节概述二、新能源汽车用动力电池性能指标１.电压(１)开路电压:动力电池未向外电路输出电流时的端电压。(２)放电电压:蓄电池向外输出电流时的端电压。(３)充电电压:在充电电源对蓄电池进行充电时，蓄电池的端电压。２.内阻动力电池的内阻主要与极板的材质、结构及装配工艺有关。３.容量(１)理论容量:是假设动力电池极板上的活性物质全部参加电化学反应而输出电流时，根据法拉第定律计算出的电量。(２)实际容量:是指充足电的蓄电池在一定条件下所能输出的电量。(３)ｉ小时放电率容量:充足电的蓄电池以某一恒定电流放电，放电小时后将蓄电池放电至终止电压，此时蓄电池所能输出的电量称为小时放电容量，通常用表示。(４)额定容量:是指充足电的动力电池在规定的条件下所能输出的电量。第一节概述４.能量(１)标称能量:是指在一定的放电条件下动力电池所能输出的电能。(２)实际能量:是指在一定的放电条件下动力电池所能输出的电能。(３)比能量:即质量比能量，是指动力电池单位质量所能输出的电能，单位为或(４)能量密度:即体积比能量，是指动力电池单位体积所能输出的电能，单位为或５.功率(１)比功率:即质量比功率，是指动力电池单位质量所能输出的功率，单位为或６.寿命动力电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示。第一节概述三、新能源汽车对动力电池的基本要求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.安全性好第二节电化学蓄电池一、铅酸蓄电池１.铅酸蓄电池的分类铅酸蓄电池分为免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。２.铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池的基本结构如图２-１所示。第二节电化学蓄电池３.铅酸蓄电池的工作原理放电时，当蓄电池的正负极板浸入电解液中时，正负极板间就会产生约２.１Ｖ静止电动势。此时若接入负载，在电动势的作用下，电流就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，将蓄电池储存的化学能转化为电能输出。正极化学反应式是负极化学反应式是充电时蓄电池的正负极分别与直流电源的正负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入、负极流出，这一过程称为充电。蓄电池的充电过程是电能转换为化学能的过程。正极化学反应式是负极化学反应式是第二节电化学蓄电池铅酸蓄电池使用时，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，这种蓄电过程叫充电。铅酸蓄电池是酸性蓄电池，其化学反应式为４.铅酸蓄电池的特点主要优点:(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)可制成小至大至几千的各种尺寸和结构的蓄电池。(４)高倍率放电性能良好，可用于发动机起动。(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)易于浮充使崩，没有“记忆”效应。(８)易于识别荷电状态。第二节电化学蓄电池存在的缺点:(１)比能量低，在新能源汽车中所占的质量和体积较大，一次充电行驶单程短。(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。５.铅酸蓄电池的充放电特性１)铅酸蓄电池的放电特性第二节电化学蓄电池２)铅酸蓄电池的充电特性第二节电化学蓄电池二、镍氢电池１.镍氢电池的分类按照外形，镍氢电池分为方形镍氢电池和圆形镍氢电池。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。３.镍氢电池的工作原理充电时正、负极的电化学反应为:放电时正、负极的电化学反应为:第二节电化学蓄电池４.镍氢电池的特点(１)比功率高。(２)循环次数多。(３)无污染。(４)耐过充过放。(５)无记忆效应。(６)使用温度范围宽。(７)安全可靠。５.镍氢电池的充放电特性一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，即充放电倍率＝充放电电流/额定容量第二节电化学蓄电池１)镍氢电池的充电特性在充电起始阶段，电池端电压迅速上升，随着时间的延长，电池电压上升减缓，电池的容量与电池的端电压有一定的对应关系，如图２-４所示的曲线１。第二节电化学蓄电池电池在高温情况下充电，虽然充电时间较长，但充电效率下降，导致放电容量减少如图２-５所示。第二节电化学蓄电池２)镍氢电池的放电特性随着放电的进行，总的趋势是随着放电时间的延续，电池的端电压不断下降。放电电流越大电池所能放出的安时量越小，电池的端电压越低，如图２-６所示。第二节电化学蓄电池虽然常温下延长了充电时间，但在低温情况下，电池放电容量将会下降，如图２-７所示。第二节电化学蓄电池三、锂离子电池１.锂离子电池的分类按照锂离子电池外形形状，可以分为:(１)方形锂离子电池ꎻ(２)圆柱形锂离子电池。按照锂离子电池正极的材料不同，可以分为:(１)锰酸锂离子电池ꎻ(２)磷酸铁锂离子电池ꎻ(３)镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。２.锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。圆柱形锂离子电池结构如图２-８所示。第二节电化学蓄电池３.锂离子电池的工作原理在充放电过程中，锂离子电池的反应方程式如下:锂离子电池的工作原理如图２-９所示(以Ｃｏ金属为例进行说明)。第二节电化学蓄电池４.锂离子电池的特点锂离子电池的主要优点有:(１)电压高，单格电池的工作电压高达３.６~３.９Ｖ，是镍镉、镍氢电池的３倍。(２)比能量大，达１００~１２５，是镍镉电池的２倍，镍氢电池的１.５倍。锂离子电池，其比能量可高达１５０。(３)循环寿命长，新型锂离子电池的循环寿命可超过１０００次。(４)安全性能好，无公害，无记忆效应。(５)自放电小，室温下充满电的锂离子电池储存１个月后的自放电率仅为１０％，低于镍镉电池的２５％~３０％、镍氢电池的３０％~３５％。(６)可实现安全、快速充电。(７)允许温度范围宽，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到－４０~７０℃。锂离子电池的缺点主要有:(１)蓄电池的成本较高。这主要是因为正极材料ＬｉＣｏＯ２的价格高(Ｃｏ的资源较少)电解质体系提纯较困难。(２)不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，锂离子电池的内阻较大，因此放电电流不能过大，最大的放电电流通常被限制在２~３Ｃ。过大的放电电流会使蓄电池温度过高，影响其使用寿命。第二节电化学蓄电池５.锂离子电池的充放电特性在电压方面，锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的１％。充电电流方面，锂电池的充电率(充电电流)应根据电池生产厂的建议选用。放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在２~３Ｃ左右。锂电池的充电温度一般应该被限制在０~６０℃范围。四、空气电池１.锌空气电池１)锌空气电池的基本原理锌空气电池放电时的电化学反应方程式如下:负极反应式为:正极反应式为:总反应式为:第二节电化学蓄电池２)锌空气电池的特点相比于铅酸电池，锌空气电池具有以下优点:(１)比能量高。(２)可采用机械式“充电”方式。(３)大电流持续放电的能力强。(４)自放电率低。(５)性能稳定。(６)安全性好。(７)锌可以回收利用。２.铝空气电池１)铝空气电池的原理铝空气电池充放电时的电化学反应方程式为:第二节电化学蓄电池２)铝空气电池的特点相比于新能源汽车用的其他蓄电池，铝空气电池具有以下特点:(１)比能量大。(２)质量轻。(３)铝没有毒性和危险性。(４)生产成本较低。一、燃料电池第三节新能源汽车用其他储能系统１.燃料电池的分类１)按燃料电池的运行机理分类可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。２)按电解质分类可分为质子交换膜燃料电池(PEFMC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFL)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、再生型燃料电池(RFC)、锌空燃料电池(ZAFC)、质子陶瓷燃料电池(PCFC)等。３)按燃料使用类型分类可分为直接型燃料电池、间接型燃料电池、再生型燃料电池。４)按燃料种类分类可分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池等。５)按工作温度分类可分为低温型(温度低于200℃)、中温型(温度为200~750℃)、高温型(温度为750~1000℃)、超高温型(限度高于1000℃)。第三节新能源汽车用其他储能系统６)按燃料状态分类可分为液体型燃料电池、气体型燃料电池。２.燃料电池的工作原理图２-１０是燃料电池基本原理简图，其反应过程如下:第三节新能源汽车用其他储能系统(１)氢气通过管道或导气板达到阳极。(２)在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电子，阳极反应为:(３)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。(４)在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为:总的化学反应为:第三节新能源汽车用其他储能系统３.燃料电池的特点１)燃料电池的优点燃料电池与蓄电池相比，具有以下优点:(１)节能、转换效率高。(２)排放基本达到零污染。(３)无振动和噪声、寿命长。(４)结构简单、运行平稳。２)燃料电池的缺点燃料电池的缺点如下:(１)燃料种类单一。(２)要求高质量的密封。(３)价格高。制造成本高，电池价格昂贵。(４)需要配备辅助电池系统。第三节新能源汽车用其他储能系统４.车用燃料电池系统１)质子交换膜(ＰＥＭ)表２-２是美国FreedomcarRoadmap项目总结报告的质子交换膜数据。第三节新能源汽车用其他储能系统２)电极催化剂表２-３是美国FreedomcarRoadmap项目总结报告给出的电催化剂数据。第三节新能源汽车用其他储能系统３)双极板表２-４是美国FreedomcarRoadmap项目总结报告给出的双极板数据。第三节新能源汽车用其他储能系统４)燃料电池的组装单个单元电池输出的电压较小，汽车动力装置必须将多个单元进行连接组装成，形成燃料电池堆，以提供高电压和大电流。５)反应气体供给系统目前主要采用提高空气供给压力的方法，但空气压缩机的寄生功率又降低了PEMFC的功率输出和整体效率。６)水、热管理系统热管理和水管理是目前燃料电池面临的两个主要技术挑战:一是低温运转的燃料电池堆热量排出很困难，特别是在高环境温度时ꎻ二是燃料电池需要含水薄膜和阳极、阴极气体，使质子转移以产生电力。第三节新能源汽车用其他储能系统二、超级电容器１.超级电容的工作原理如图２-１１所示，主要由集电极(电容板)、电解液和绝缘层等组成。第三节新能源汽车用其他储能系统２.超级电容的特点超级电容器作为一种新型能源器件，主要具有以下特点:１)功率密度高２)充放电循环寿命长３)充电时间短４)特殊的功率密度和适度能量密度５)储存寿命长６)工作温度范围宽第三节新能源汽车用其他储能系统三、飞轮电池１.飞轮电池的工作原理飞轮电池主要由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器等组成，如图２-１２所示。２.飞轮电池的特点超高速飞轮储能装置主要具有放电电流大、超高的比功率、一定的(相对一般蓄电池较小，相对超级电容为较高)比能量、能量转换效率高、可快速充电、可实现免维护等优点。并且飞轮储能装置循环寿命长、无环境污染，是一种“零污染”能源。第四节混合能量存储系统一、动力电池＋超级电容构成的混合能源系统图２-１３为典型的动力电池＋超级电容构成的混合能源系统的结构第四节混合能量存储系统二、动力电池＋燃