第二章新能源汽车的动力电池与能量存储

1、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 2021-7-4 2021-7-4 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: . . 能量密度低能量密度低 . . 充电时间长充电时间长 . . 价格高且使用寿命短价格高且使用寿命短 . . 汽车附件的使用受到限制汽车附件的使用受到限制 一、新能源汽车用动力电池分类一、新能源汽车用动力电池分类 . 按动力电池电解质分类按动力电池电解质分类 )酸性电池 )碱性电池 )中性电池 )有机电解

2、液电池 第一节 概述 . 按动力电池所用正、负极材料不同分类按动力电池所用正、负极材料不同分类 )锌系电池 )镍系电池 )铅系电池 )锂系电池 )金属空气电池 表- 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二、新能源汽车用动力电池性能指标 . 电压电压 ()开路电压:动力电池未向外电路输出电流时的端电压。 ()放电电压:蓄电池向外输出电流时的端电压。 ()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。 . 内阻内阻 动力电池的内阻主要与极板的材质、结构及装配工艺有关。 . 容量容量 ()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

3、而输出电流时， 根据法拉第定律计算出的电量。 ( )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。 () 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。 ()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 . 能量能量 ()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。 ()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。 ()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 ()能量密度:即体积比能量，是指动力电池单位

4、体积所能输出的电能，单位为 或 . 功率功率 ()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 . 寿命寿命 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三、新能源汽车对动力电池的基本要求 . 比能量高比能量高 . 比功率大比功率大 . 充放电效率高充放电效率高 . 相对稳定性好相对稳定性好 . 使用成本低使用成本低 . 安全性好安全性好 第二节电化学蓄电池 一、铅酸蓄电池一、铅酸蓄电池 . 铅酸蓄电池的分类铅酸蓄电池的分类 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。 . 铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池的结构

5、铅酸蓄电池的基本结构如图- 所示。 第二节电化学蓄电池 . 铅酸蓄电池的工作原理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. 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

6、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 . 铅酸蓄电池的特点铅酸蓄电池的特点 主要优点: ()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。 ()价格低廉。 ()可制成小至 大至几千 的各种尺寸和结构的蓄电池。 ()高倍率放电性能良好，可用于发动机起动。 ()高低温性能良好，可在-4060条件下工作。 ()电能效率高达60。 ()易于浮充使崩，没有“记忆”效应。 ()易于识别荷电状态。 第二节电化学蓄电池

7、存在的缺点: ()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。 ()使用寿命短，使用成本高。 ()充电时间长。 ()铅是重金属，存在污染。 . 铅酸蓄电池的充放电特性铅酸蓄电池的充放电特性 )铅酸蓄电池的放电特性 第二节电化学蓄电池 )铅酸蓄电池的充电特性 第二节电化学蓄电池 二、镍氢电池二、镍氢电池 . 镍氢电池的分类镍氢电池的分类 按照外形，镍氢电池分为方形镍氢电池和圆形镍氢电池。 . 镍氢电池的结构镍氢电池的结构 镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。 . 镍氢电池的工作原理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

8、为: 第二节电化学蓄电池 . 镍氢电池的特点镍氢电池的特点 ()比功率高。 ()循环次数多。 ()无污染。 ()耐过充过放。 ()无记忆效应。 ()使用温度范围宽。 ()安全可靠。 . 镍氢电池的充放电特性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 )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- 所示的曲线曲线。 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- 所示。

9、 第二节电化学蓄电池 )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- 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- 所示。 第二节电化学蓄电池 三、锂离子电池三、锂离子电池 . 锂离子电池的分类锂离子电池的分类 按照锂离子电池外形形状，可以分为: ()方形锂离子电池 ()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: ()锰酸锂离子电池 ()磷酸铁锂离子电池 ()镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。 . 锂离子电池的结构

10、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- 所示。 第二节电化学蓄电池 . 锂离子电池的工作原理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- 所示(以 金属为例进行说明)。 第二节电化学蓄电池 . 锂离子电池的特点锂离子电池的特点 锂离子电池的主要优点有: ()电压高，单格电池的工作电压高达. . ，是镍镉、镍氢电池的 倍。 ()比能量大，达 ，是镍镉电池的 倍，镍氢电池的. 倍。 锂离子电池，其比能量可高达 。 ()循环寿命长，新型锂离子电池的循环寿命可超过 次。 ()安全性能好，无

11、公害，无记忆效应。 ()自放电小，室温下充满电的锂离子电池储存 个月后的自放电率仅为，低于镍 镉电池的 、镍氢电池的 。 ()可实现安全、快速充电。 ()允许温度范围宽，随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到 。 锂离子电池的缺点主要有: ()蓄电池的成本较高。 这主要是因为正极材料 的价格高( 的资源较少) 电解质体系提纯较困难。 ()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 。 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 . 锂离子电池的充放电特性锂离子电池的充放电特性 在电压方面，锂离

12、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。 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 左右。 锂电池的充电温度一般应该被限制在 范围。 四、空气电池四、空气电池 . 锌空气电池锌空气电池 )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 )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: ()比能量高。 ()可采用机械式“充电”方式。 ()大电流持续放电的能力强。 ()自放电率低。 ()性能稳定。 ()安全

13、性好。 ()锌可以回收利用。 . 铝空气电池铝空气电池 )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 )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: ()比能量大。 ()质量轻。 ()铝没有毒性和危险性。 ()生产成本较低。 一、燃料电池一、燃料电池 第三节新能源汽车用其他储能系统 . 燃料电池的分类燃料电池的分类 )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。 )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

14、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。 )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。 )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。 )按工作温度分类 可分为低温型(温度低于200)、中温型(温度为200750)、高温型(温度为 7501000)、超高温型(限度高于1000)。 第三节新能源汽车用其他储能系统 )按燃料状态分类 可分为液体型燃料电池、气体型燃料电池。 . 燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理 图- 是燃料电池基本原理简图，其反应过

15、程如下: 第三节新能源汽车用其他储能系统 ()氢气通过管道或导气板达到阳极。 ()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: ()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。 ()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 . 燃料电池的特点燃料电池的特点 )燃料电池的优点 燃料电池与蓄电池相比，具有以下优点: ()节能、转换效率高。 ()排放基本达到零污染。 ()无振动和噪声、寿命长。 ()结构简单、运行平稳

16、。 )燃料电池的缺点 燃料电池的缺点如下: ()燃料种类单一。 ()要求高质量的密封。 ()价格高。 制造成本高，电池价格昂贵。 ()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 . 车用燃料电池系统车用燃料电池系统 )质子交换膜() 表- 是美国Freedomcar Roadmap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 )电极催化剂 表- 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 )双极板 表- 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

17、统 )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。 )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。 )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 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、超级电容器二、超级电容器 . 超级电容的工作原理超级电容的工作原理 如图- 所示，主要由集电极(电容板)、

18、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 . 超级电容的特点超级电容的特点 超级电容器作为一种新型能源器件，主要具有以下特点: )功率密度高 )充放电循环寿命长 )充电时间短 )特殊的功率密度和适度能量密度 )储存寿命长 )工作温度范围宽 第三节新能源汽车用其他储能系统 三、飞轮电池三、飞轮电池 . 飞轮电池的工作原理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- 所示。 . 飞轮电池的特点飞轮电池的特点 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

19、、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、动力电池一、动力电池 超级电容构成的混合能源系统超级电容构成的混合能源系统 图- 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、动力电池二、动力电池 燃料电池构成的混合能源系统燃料电池构成的混合能源系统 图- 为典型的动力电池 燃料电池构成的混合能源系统的结构形式。 第五节蓄电池的测试 一、蓄电池性能检测的相关标准一、蓄电池性能检测的相关标准 . 动力电池的国家标准动力电池的国家标准 我国颁布了动力电池的相关国家标准:电动道路车辆

20、用铅酸蓄电池 (GB/T18332.1- 2009)、电动道路车辆用锂离子蓄电池 (GB/T18333.1-2001)、电动道路车辆用金属氢 化物镍蓄电池(GB/T18332.2-2001)。 . 动力电池的行业标准动力电池的行业标准 国家发改委在2006年颁布了动力电池的相关行业标准:电动汽车用铅酸蓄电池 QC/T742-2006、电动汽车用锂离子蓄电池QC/T743-2006、电动汽车用金属氢化物镍 蓄电池QC/T744-2006。 第五节蓄电池的测试 二、蓄电池充放电性能的测试二、蓄电池充放电性能的测试 . 蓄电池充电性能的测试蓄电池充电性能的测试 )充电可接受电流 )最高充电电压 )充

21、电效率 )耐过充电能力 . 蓄电池放电性能的测试蓄电池放电性能的测试 )定电流放电测试方法 蓄电池定电流放电性能测试电路如图- 所示。 第五节蓄电池的测试 )蓄电池放电性能的评价方法 图- 所示为某蓄电池定电流放电测试时记录下的定电流放电特性曲线。 第五节蓄电池的测试 三、蓄电池容量的测定三、蓄电池容量的测定 . 定电流放电法定电流放电法 用定电流放电法测定蓄电池的容量如同蓄电池的定电流放电性能测试。 . 定电阻放电法定电阻放电法 定电阻放电过程蓄电池的容量 可由式(-)确定。 四、蓄电池寿命的测定四、蓄电池寿命的测定 具体的蓄电池循环寿命测定方法可参阅我国颁布的GB/T18332.1-200

22、9、 GB/T18333.1-2001和GB/T18332.2-2001等蓄电池国家标准中的蓄电池循环寿命测定规定 或国际电工委员会()制定的相关标准。 第五节蓄电池的测试 五、蓄电池内阻及自放电的测定五、蓄电池内阻及自放电的测定 . 蓄电池内阻的测定蓄电池内阻的测定 蓄电池内阻的测量方法有方波电流法、交流电桥法、交流阻抗法、直流伏安法、短路 电流法和脉冲电流法等。 . 蓄电池自放电的测定蓄电池自放电的测定 )自放电程度的表示方法 蓄电池的自放电程度可用自放电速率z 表示。 如果用 表水蓄电池存放的天数，1、 2分别表示存放前后的蓄电池容量，那么z 的表达式为 从式(-)可知，z 表示单位时间

23、内蓄电池容量下降的百分数，而在实际测量中， 通常用指定时间内容量的保持率(或称为剩余容量百分比、荷电保持能力等)b 来表示， 即 第五节蓄电池的测试 )自放电的测定方法 通常的自放电测定方法是:先通过定电流放电等方法测定蓄电池的容量1，然后将蓄电 池再充足电，放置一定时间，再以定电流放电法测定蓄电池的容量2。 图- 表示了某蓄电池在不同温度下存放不同时间的容量保持率。 蓄电池的开路电压与放电程度有着对应的线性关系(见图-)。 第五节蓄电池的测试 六、蓄电池安全性能的测试六、蓄电池安全性能的测试 . 耐过充电、过放电能力的测试耐过充电、过放电能力的测试 . 短路测试短路测试 . 耐高温测试耐高温测试 . 钻孔测试钻孔测试 . 力学性能测试力学性能测试 . 耐蚀性能测试耐蚀性能测试 七、蓄电池荷电状态七、蓄电池荷电状态 的检测方法的检测方法 . 放电试验法放电试验法 )使用中的蓄电池剩余电量显示和能量管理需要当前的，而放电试验法都是在蓄 电池放完