第2章__电动汽车用动力电池

1、电动汽车概论电动汽车概论第二章第二章 电动汽车用动力电池电动汽车用动力电池第第2 2章章 电动汽车用动力电池电动汽车用动力电池2.1 2.1 电动汽车用蓄电池概述电动汽车用蓄电池概述 2.2 2.2 蓄电池的原理与特性蓄电池的原理与特性 2.3 2.3 蓄电池的充电蓄电池的充电 2.4 2.4 蓄电池性能与状态的测试蓄电池性能与状态的测试 第一节第一节 电动汽车用蓄电池概述电动汽车用蓄电池概述一、蓄电池的发展概况与存在的不足一、蓄电池的发展概况与存在的不足1 1、蓄电池的发展概况、蓄电池的发展概况 1859 1859年法国著名物理学家年法国著名物理学家PlantePlante发明了第一块发明了

2、第一块铅酸电铅酸电池池，并将其用在了电动汽车上，直到现在这种内阻小可提，并将其用在了电动汽车上，直到现在这种内阻小可提供稳定大电流的铅酸电池还被用作内燃机汽车发动机的起供稳定大电流的铅酸电池还被用作内燃机汽车发动机的起动电源。而且由于其具有使用动电源。而且由于其具有使用 安全、耐用、价格相对较安全、耐用、价格相对较低的特点，在将近一个世纪的时间里，都是电动车辆动力低的特点，在将近一个世纪的时间里，都是电动车辆动力电池的首选。电池的首选。 1889-1901 1889-1901年，瑞典人年，瑞典人JungnerJungner和美国人爱迪生先后研和美国人爱迪生先后研制出了制出了镍铁电池镍铁电池和和

3、镍镉电池镍镉电池。在。在2020世纪，先后出现了数十世纪，先后出现了数十种不同类型的蓄电池，其中种不同类型的蓄电池，其中镍锌电池、镍镉电池、镍铁电镍锌电池、镍镉电池、镍铁电池、锌空气电池、铝空气电池池、锌空气电池、铝空气电池等都作为大容量的动力电池，等都作为大容量的动力电池，在各种电动车上得到了应用。在各种电动车上得到了应用。 2020世纪世纪8080年代，出现了年代，出现了镍氢电池镍氢电池，其性能和使，其性能和使用寿命都优于铅酸电池及原先已应用于电动车上的用寿命都优于铅酸电池及原先已应用于电动车上的其他碱性电池。因此，镍氢电池逐渐替代了铅酸电其他碱性电池。因此，镍氢电池逐渐替代了铅酸电池和其

4、他碱性电池，在电动汽车上得到了广泛的应池和其他碱性电池，在电动汽车上得到了广泛的应用。到了用。到了2020世纪世纪9090年代，又出现了性能更好的年代，又出现了性能更好的锂离锂离子电池子电池，这种电池很快就被用作手机、数码相机及，这种电池很快就被用作手机、数码相机及其他便携式设备的电源，而大容量的锂离子电池也其他便携式设备的电源，而大容量的锂离子电池也被用在了电动汽车上。被用在了电动汽车上。 目前，在各种类型的电动汽车上，应用较多的目前，在各种类型的电动汽车上，应用较多的动力电池主要有动力电池主要有铅酸电池铅酸电池、镍氢电池镍氢电池和和锂离子电池锂离子电池等。等。 2 2、蓄电池存在的不足、蓄

5、电池存在的不足 尽管新型蓄电池不断出现，但是目前各种蓄电池还不尽管新型蓄电池不断出现，但是目前各种蓄电池还不能满足电动汽车对动力电池的实际需要。其主要不足归纳能满足电动汽车对动力电池的实际需要。其主要不足归纳如下：如下： (1) (1)能量密度低能量密度低 目前，电动汽车用蓄电的目前，电动汽车用蓄电的质量能量密度质量能量密度和和体积能量密体积能量密度度均很低均很低, ,比如：铅酸电池的质量能量密度只有比如：铅酸电池的质量能量密度只有35-40W 35-40W h/kg,h/kg,锂离子电池的质量能量密度虽然可达锂离子电池的质量能量密度虽然可达150Wh/kg150Wh/kg，但是，但是与汽油的

6、与汽油的10000-12000Wh/kg10000-12000Wh/kg能量密度相比还是相差很多。能量密度相比还是相差很多。 由于蓄电池的能量密度低，致使电动汽车的续驶里程由于蓄电池的能量密度低，致使电动汽车的续驶里程短、车辆自身质量大。短、车辆自身质量大。例如：一辆普通小汽车携带例如：一辆普通小汽车携带50kg50kg汽汽油可行驶油可行驶600km600km以上，而同类型电动汽车所配备的铅酸电池以上，而同类型电动汽车所配备的铅酸电池的质量达到的质量达到400kg,400kg,充足电后只能行驶充足电后只能行驶100km100km左右。可见，要左右。可见，要使电动汽车达到一定的续驶里程，配备过多

7、的蓄电池，又使电动汽车达到一定的续驶里程，配备过多的蓄电池，又会使电动汽车自身过重，不但要消耗掉一部分蓄电池的电会使电动汽车自身过重，不但要消耗掉一部分蓄电池的电能，也使车辆的动力性、运行效率及制动性能等下降。此能，也使车辆的动力性、运行效率及制动性能等下降。此外，蓄电池组的质量和所占的体积，也给整车的设计增加外，蓄电池组的质量和所占的体积，也给整车的设计增加了难度。了难度。 （2）充电时间长）充电时间长 无论是哪一种蓄电池，充电时可接受的最大电流都是无论是哪一种蓄电池，充电时可接受的最大电流都是有限的。因此有限的。因此, , 要将放完电的蓄电池重新充足电，需要较要将放完电的蓄电池重新充足电，

8、需要较长的时间长的时间。即使采用对蓄电池寿命有一定影响的快速充电。即使采用对蓄电池寿命有一定影响的快速充电方法，方法，从目前电池的充电接受能力以及智能充电设备来看，从目前电池的充电接受能力以及智能充电设备来看，还很难做到像内燃机汽车加油那样快速地为电动汽车电池还很难做到像内燃机汽车加油那样快速地为电动汽车电池组充电。组充电。也就是说，蓄电池的充电时间长，也间接地影响也就是说，蓄电池的充电时间长，也间接地影响了电动汽车的使用性能。了电动汽车的使用性能。 （3 3）价格高且使用寿命）价格高且使用寿命 铅酸电池是价格相对较为便宜的蓄电池，但一辆续驶铅酸电池是价格相对较为便宜的蓄电池，但一辆续驶里程为

9、里程为100km100km左右的纯电动客车，其所配备的蓄电池组的左右的纯电动客车，其所配备的蓄电池组的价格为价格为2 2万元左右。如果使用锂离子电池，其续驶里程可万元左右。如果使用锂离子电池，其续驶里程可比铅酸电池提高不少，但其价格要高出好几倍。比铅酸电池提高不少，但其价格要高出好几倍。 无论是哪一种蓄电池，其使用寿命都低于电动汽车其无论是哪一种蓄电池，其使用寿命都低于电动汽车其他的总成部件。也就是说，一辆电动汽车在其使用寿命期他的总成部件。也就是说，一辆电动汽车在其使用寿命期限内，需要更换几次蓄电池。因此，限内，需要更换几次蓄电池。因此，电动汽车不仅车辆本电动汽车不仅车辆本身的成本高，而且在

10、其使用过程中更换蓄电池还需很高的身的成本高，而且在其使用过程中更换蓄电池还需很高的费用。费用。 （4 4）汽车附件的使用受到限制）汽车附件的使用受到限制 由于蓄电池的能量有限，一些能量消耗较大的由于蓄电池的能量有限，一些能量消耗较大的辅助装置（如空调、动力转向、制动助力等）的选用辅助装置（如空调、动力转向、制动助力等）的选用必须充分考虑对蓄电池电能消耗的影响。必须充分考虑对蓄电池电能消耗的影响。 总之，由于蓄电池存在以上不足，导致了总之，由于蓄电池存在以上不足，导致了电动汽车的使用性能和价格不能与普通燃油电动汽车的使用性能和价格不能与普通燃油汽车相抗衡，使电动汽车的产业化困难重重。汽车相抗衡，

11、使电动汽车的产业化困难重重。随着科学技术的不断发展，可以相信，电动随着科学技术的不断发展，可以相信，电动汽车用蓄电池的汽车用蓄电池的技术难关必将有所突破技术难关必将有所突破，蓄，蓄电池的电池的性能和价格问题性能和价格问题必将得到解决。必将得到解决。二、蓄电池的分类二、蓄电池的分类 蓄电池是一种化学电池，其基本组成是正极板、负极蓄电池是一种化学电池，其基本组成是正极板、负极板和电解质。应用于电动汽车的蓄电池有很多种。板和电解质。应用于电动汽车的蓄电池有很多种。1 1、按蓄电池电解质分类、按蓄电池电解质分类 按照蓄按照蓄电池电解质电池电解质的不同，可将蓄电池分为的不同，可将蓄电池分为酸性电池酸性电

12、池、碱性电池碱性电池、中性电池中性电池和和有机电解液电池有机电解液电池四类。四类。 (1)(1)酸性电池酸性电池 主要以硫酸水溶液为电解质主要以硫酸水溶液为电解质。电动汽车用蓄电池中属。电动汽车用蓄电池中属于酸性电池的主要是铅酸电池。于酸性电池的主要是铅酸电池。 (2)(2)碱性电池碱性电池 主要以氢氧化钾水溶液为电解质主要以氢氧化钾水溶液为电解质。电动汽车用蓄电池。电动汽车用蓄电池中的锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池等均属于此类电池。中的锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池等均属于此类电池。 (3)(3)中性电池中性电池 以盐溶液为电解质以盐溶液为电解质。这种蓄电池由于稳定性较差，目。这种蓄电池由于稳定

13、性较差，目前在电动汽车上还很少使用。如锌锰干电池。前在电动汽车上还很少使用。如锌锰干电池。 (4)(4)有机电解液电池有机电解液电池 主要以有机溶液为电解质主要以有机溶液为电解质的蓄电池有锂电池、锂离子的蓄电池有锂电池、锂离子电池。电池。 2 2、按蓄电池所用正、负极材料不同分类、按蓄电池所用正、负极材料不同分类 按照蓄电池按照蓄电池正极和负极材料的不同正极和负极材料的不同，可将，可将蓄电池分为蓄电池分为锌系电池锌系电池、镍系电池镍系电池、铅系电池铅系电池、锂系电池锂系电池及及金属空气（氧气）系列电池金属空气（氧气）系列电池等。等。 （1 1）锌系电池）锌系电池 有锌锰电池、锌银电池等。有锌锰

14、电池、锌银电池等。 （2 2）镍系电池）镍系电池 有镍镉电池、镍锌电池、镍氢电池等。有镍镉电池、镍锌电池、镍氢电池等。 （3 3）铅系电池）铅系电池 比如铅酸电池。比如铅酸电池。 （4 4）锂系电池）锂系电池 有锂离子电池、锂聚合物电池、磷酸铁锂有锂离子电池、锂聚合物电池、磷酸铁锂电池等。电池等。 （5 5）金属空气电池）金属空气电池 有锌空气电池、铝空气电池等。有锌空气电池、铝空气电池等。（1 1）化学电池）化学电池 利用物质的化学反应发电。化学电池按工作性质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（二次电池）、燃料电池和储备分为原电池、蓄电池（二次电池）、燃料电池和储备

15、电池。电池。（2 2）物理电池）物理电池 物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发物理电池是利用光、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。电的电池。如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。（3 3）生物电池）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。生物电池、酶电池、生物太阳电池等。在密闭的宇宙飞船里，在密闭的宇宙飞船里，宇航员排出的尿怎么办？宇航员排出的尿怎么办？美国美国宇航局设计了一种巧妙的方案：用微生物宇航局设计了一种巧妙的方案：用微生物中的中的芽孢杆菌芽孢杆菌来处理尿

16、，生产出氨气，以氨作电极活性物质，就得到了来处理尿，生产出氨气，以氨作电极活性物质，就得到了微生物电池，这样既处理了尿，又得到了电能。微生物电池，这样既处理了尿，又得到了电能。 3 3、按反应类型分、按反应类型分 三、蓄电池的性能参数与常用术语三、蓄电池的性能参数与常用术语 1. 1.蓄电池的性能参数蓄电池的性能参数 (1)(1)电压电压 蓄电池的电压（端电压）是指其正极与负极之间的电蓄电池的电压（端电压）是指其正极与负极之间的电位差，位差，单位为单位为V (V (伏特伏特），是表示蓄电池性能与状态的重），是表示蓄电池性能与状态的重要参数之一。要参数之一。 1)1)开路电压开路电压：蓄电池未向

17、外电路输出电流时的端电压蓄电池未向外电路输出电流时的端电压。蓄。蓄电池在充足电状态下的开路电压最高，随着蓄电池放电程电池在充足电状态下的开路电压最高，随着蓄电池放电程度的增加，蓄电池的开路电压会相应降低。度的增加，蓄电池的开路电压会相应降低。 2)2)放电电压放电电压：蓄电池向外输出电流时的端电压蓄电池向外输出电流时的端电压。放电电压。放电电压也称为工作电压，蓄电池在放电时的放电电流越大，放电也称为工作电压，蓄电池在放电时的放电电流越大，放电电压就越低；在同样的放电电流下，随着蓄电池的放电程电压就越低；在同样的放电电流下，随着蓄电池的放电程度增加，其放电电压也会相应降低。度增加，其放电电压也会

18、相应降低。 3)3)充电电压充电电压：在充电电源对蓄电池进行充电时，蓄电池的在充电电源对蓄电池进行充电时，蓄电池的端电压端电压。充电电流大，蓄电池内的极化就越大，充电电压。充电电流大，蓄电池内的极化就越大，充电电压也越高；在同样的充电电流下，蓄电池充电初期的充电电也越高；在同样的充电电流下，蓄电池充电初期的充电电压较低，当蓄电池充足电时其充电电压达到最高。压较低，当蓄电池充足电时其充电电压达到最高。 (2) (2)内阻内阻 蓄电池的内阻主要与极板的材质、结构及装配工艺有关。蓄电池的内阻主要与极板的材质、结构及装配工艺有关。不同的电解质呈现的电阻也不同。因此，不同类型的蓄电池，不同的电解质呈现的

19、电阻也不同。因此，不同类型的蓄电池，其内阻是不同的。对某种类型的蓄电池来说，随着放电程度其内阻是不同的。对某种类型的蓄电池来说，随着放电程度的增加，其内阻会相应增大。蓄电池内阻的单位为的增加，其内阻会相应增大。蓄电池内阻的单位为 ( (欧欧姆）。姆）。 (3) (3)容量容量 蓄电池的容量是指在允许放电范围内所能输出的电量，蓄电池的容量是指在允许放电范围内所能输出的电量，单位为单位为Ah (Ah (安时）容量用来表示蓄电池的放电能力安时）容量用来表示蓄电池的放电能力。在不同。在不同条件下，蓄电池所能输出的电量（容量）是不同的。条件下，蓄电池所能输出的电量（容量）是不同的。 1)1) 理论容量理

20、论容量：是假设蓄电池极板上的活性物质全部参加电：是假设蓄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，根据化学反应而输出电流时，根据法拉第定律法拉第定律计算出的电量。理计算出的电量。理论容量通常用质量容量（论容量通常用质量容量（Ah/kg)Ah/kg)或体积容量（或体积容量（Ah/L) Ah/L) 表示。表示。 2)2)实际容量实际容量： 是指充足电的蓄电池在一定条件下所能输出的电量。是指充足电的蓄电池在一定条件下所能输出的电量。其值是在允许放电范围内，放电电流与放电时间的乘积。其值是在允许放电范围内，放电电流与放电时间的乘积。蓄电池的实际容量小于理论容量，当放电电流和温度不同蓄电池的实

21、际容量小于理论容量，当放电电流和温度不同时，其实际容量也会有所不同。时，其实际容量也会有所不同。 3)i3)i小时放电率容量小时放电率容量： 充足电的蓄电池以某一恒定电流放电，放电充足电的蓄电池以某一恒定电流放电，放电i i小时后将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蓄电池放电至终止电压，此时蓄电池所能输出的电量称为i i小时放电率容量小时放电率容量，通常用，通常用C Ci i表示。表示。 4)4)额定容量额定容量： 是指充足电的蓄电池在规定的条件下所能输出的电量是指充足电的蓄电池在规定的条件下所能输出的电量。额定容量是制造厂标明的蓄电池容量，作为蓄电池性能的额定容量是制

22、造厂标明的蓄电池容量，作为蓄电池性能的重要技术指标。在我国的国家标准中，用重要技术指标。在我国的国家标准中，用3h3h放电率容量放电率容量（C C3 3) )来定义电动汽车用蓄电池的额定容量，用来定义电动汽车用蓄电池的额定容量，用20h20h放电率放电率容量（容量（C C2020) )来定义汽车用起动型蓄电池的额定容量。来定义汽车用起动型蓄电池的额定容量。 (4) (4)能量能量 蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，蓄电池所蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，蓄电池所输出的电能，单位为输出的电能，单位为Wh (Wh (瓦时）或瓦时）或kWh (kWh (千瓦时）。千瓦时）。蓄蓄电池的能量表示其

23、供电能力，是反映蓄电池综合性能电池的能量表示其供电能力，是反映蓄电池综合性能 的重要参数。的重要参数。 1)1)标称能量标称能量： 是指在一定的放电条件下蓄电池所能输出的电能是指在一定的放电条件下蓄电池所能输出的电能。蓄电池的标称能量是其额定容量与额定电压的乘积。蓄电池的标称能量是其额定容量与额定电压的乘积。 2)2)实际能量：实际能量： 是指在一定的放电条件下蓄电池所能输出的电能。是指在一定的放电条件下蓄电池所能输出的电能。蓄电池的实际能量是其实际容量与放电过程的平均电压蓄电池的实际能量是其实际容量与放电过程的平均电压的乘积。的乘积。 3) 3)比能量：比能量： 即质量比能量，是指蓄电池单位

24、质量所能输出的即质量比能量，是指蓄电池单位质量所能输出的电能，单位为电能，单位为Wh/kgWh/kg或或 kWh/kg kWh/kg。蓄电池的比能量越高，。蓄电池的比能量越高，汽车充足电后的行驶里程就越长。汽车充足电后的行驶里程就越长。 4) 4)能量密度：能量密度： 即体积比能量，是指蓄电池单位体积所能输出的即体积比能量，是指蓄电池单位体积所能输出的电能，单位为电能，单位为Wh/LWh/L或或kWh/LkWh/L。蓄电池的能量密度越高，蓄电池的能量密度越高，电动汽车的载重量和车内的空间就越大。电动汽车的载重量和车内的空间就越大。 (5)(5)功率功率 蓄电池的功率是指在规定的放电条件下，蓄电

25、池单位蓄电池的功率是指在规定的放电条件下，蓄电池单位时间所能输出的电能，单位为时间所能输出的电能，单位为W W或或kWkW。蓄电池的功率大小蓄电池的功率大小会影响电动汽车的加速度和最高车速。会影响电动汽车的加速度和最高车速。 1)1)比功率：比功率： 即质量比功率，是指蓄电池单位质量所能输出的功率，即质量比功率，是指蓄电池单位质量所能输出的功率，单位为单位为W/kgW/kg或或 kW/kg kW/kg。蓄电池的比功率越大，汽车的加速。蓄电池的比功率越大，汽车的加速和爬坡性能就越好，最高车速也越高。和爬坡性能就越好，最高车速也越高。 2)2)功率密度功率密度： 即体积比功率，是指蓄电池单位体积所

26、能输出的功率，即体积比功率，是指蓄电池单位体积所能输出的功率，单位为单位为W/LW/L或或 kW/L kW/L。蓄电池的功率密度越高，电动汽车的。蓄电池的功率密度越高，电动汽车的载重量和车内的空间就越大。载重量和车内的空间就越大。 (6)(6)寿命寿命 蓄电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示蓄电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示。蓄电池经历一次充电和放电过程称为一个循环或一个周蓄电池经历一次充电和放电过程称为一个循环或一个周期。在一定的放电条件下，当蓄电池的容量下降到某规期。在一定的放电条件下，当蓄电池的容量下降到某规定的限值时，蓄电池所能承受的充放电循环次数称为蓄定的限值时，蓄电池所

27、能承受的充放电循环次数称为蓄电池的循环寿命。电池的循环寿命。 不同类型的蓄电池，其循环寿命有所不同。对于某不同类型的蓄电池，其循环寿命有所不同。对于某种类型的蓄电池，其循环寿命与充电和放电电流的大小、种类型的蓄电池，其循环寿命与充电和放电电流的大小、蓄电池的温度、放电的深度等均有关系。蓄电池的温度、放电的深度等均有关系。 2.2.蓄电池常用术语蓄电池常用术语 (1)(1) 终止电压终止电压 终止电压是指充电或放电结束时的电压终止电压是指充电或放电结束时的电压，分为充电终，分为充电终止电压和放电终止电压。止电压和放电终止电压。 1)1)充电终止电压：充电终止电压：蓄电池在充电结束（充足电）时，其

28、蓄电池在充电结束（充足电）时，其充电电压已上升至极限，继续充电就将使蓄电池过充电，充电电压已上升至极限，继续充电就将使蓄电池过充电，这个高限电压就称为充电终止电压。这个高限电压就称为充电终止电压。当蓄电池的充电电流当蓄电池的充电电流较大时，在蓄电池充电过程中就有可能达到充电终止电压，较大时，在蓄电池充电过程中就有可能达到充电终止电压，且充电电流越大，达到充电终止电压的时间就越短。且充电电流越大，达到充电终止电压的时间就越短。 2)2)放电终止电压放电终止电压：蓄电池在放完电时，其放电电压已下蓄电池在放完电时，其放电电压已下降至极限，继续放电将导致蓄电池过度放电，这个低限电降至极限，继续放电将导

29、致蓄电池过度放电，这个低限电压就称为放电终止电压压就称为放电终止电压。放电电流越大，放电终止电压就。放电电流越大，放电终止电压就越低。越低。 (2)(2)i i小时放电率小时放电率 i i小时放电率是指蓄电池以恒定的电流放电小时放电率是指蓄电池以恒定的电流放电, ,以该恒定电流放电以该恒定电流放电i i小时小时, ,正好使蓄电池放电至终正好使蓄电池放电至终止电压（放完电）。止电压（放完电）。 i i小时放电率的放电电流小时放电率的放电电流I Ii i为为 I Ii i= = C Ci i/i/i 式中式中C Ci i: i: i小时放电率容量（小时放电率容量（C); C); i: i: 放电时

30、间（放电时间（h);h); I Ii: i: i i小时放电率的放电电流（小时放电率的放电电流（A)A)。 (3)i(3)i小时充电率小时充电率 i i小时充电率是指蓄电池以恒定的电流，充电小时充电率是指蓄电池以恒定的电流，充电i i小时，正好使蓄电池充电至终止电压（充完小时，正好使蓄电池充电至终止电压（充完电）。电）。i i小时充电率的恒流值与小时充电率的恒流值与i i小时放电率的恒小时放电率的恒流值相等。流值相等。 (4)(4)过充电与过放电过充电与过放电 蓄电池的过充电与过放电是指充电过度或放电过度。蓄电池的过充电与过放电是指充电过度或放电过度。 1)1)过充电：过充电：蓄电池已充足电后

31、的充电即为过充电蓄电池已充足电后的充电即为过充电。此外，。此外，充电电流大于蓄电池充电可接受电流时，继续以该电流充充电电流大于蓄电池充电可接受电流时，继续以该电流充电也属于过充电。电也属于过充电。 2)2)过放电过放电：蓄电池已放电至终止电压（已放完电）后，蓄电池已放电至终止电压（已放完电）后，继续放电即为过放电。继续放电即为过放电。 (5)(5)荷电状态荷电状态 蓄电池的荷电状态蓄电池的荷电状态SOC (State of Charge)SOC (State of Charge)在数值上在数值上等于蓄电池剩余的容量与蓄电池额定容量的比值等于蓄电池剩余的容量与蓄电池额定容量的比值，用于描，用于描

32、述蓄电池在充放电过程中的存电状态。述蓄电池在充放电过程中的存电状态。 (6)(6) 放电深度放电深度 蓄电池的放电深度蓄电池的放电深度DOD (Depth of Discharge)DOD (Depth of Discharge)在在数值上等于蓄电池已放出的电量与蓄电池额定容量的数值上等于蓄电池已放出的电量与蓄电池额定容量的比值，用于描述蓄电池在放电过程中所达到的放电深比值，用于描述蓄电池在放电过程中所达到的放电深度。度。 (7)(7)不一致性与均衡充电不一致性与均衡充电 1)1)不一致性：不一致性： 是指蓄电池组中的各个蓄电池的电压、容量、内是指蓄电池组中的各个蓄电池的电压、容量、内阻等存在

33、差异阻等存在差异。如果蓄电池组有不一致性存在，则在。如果蓄电池组有不一致性存在，则在使用过程中会使其不一致性扩大，并导致性能较差的使用过程中会使其不一致性扩大，并导致性能较差的蓄电池迅速损坏，最终导致整个蓄电池组报废。蓄电池迅速损坏，最终导致整个蓄电池组报废。 2)2)均衡充电均衡充电： 是针对有不一致性的蓄电池组所进行的特殊充电是针对有不一致性的蓄电池组所进行的特殊充电方法，旨在减小或消除蓄电池组的不一致性。方法，旨在减小或消除蓄电池组的不一致性。 四、电动汽车对蓄电池的性能要求四、电动汽车对蓄电池的性能要求 1.1.纯电动汽车对蓄电池的要求纯电动汽车对蓄电池的要求 纯电动汽车需要根据电动汽

34、车的设计目标和道路行驶工况纯电动汽车需要根据电动汽车的设计目标和道路行驶工况的不同来选配蓄电池。的不同来选配蓄电池。 具体的要求归纳如下：具体的要求归纳如下： 1)1)蓄电池的容量要足够大蓄电池的容量要足够大，以满足电动汽车续驶里程的设计目，以满足电动汽车续驶里程的设计目标。此外，蓄电池的容量与能量应能确保汽车在特定工况下的标。此外，蓄电池的容量与能量应能确保汽车在特定工况下的供电能力。例如，能保证典型连续放电电流不超过供电能力。例如，能保证典型连续放电电流不超过1C,1C,典型的典型的峰值放电电流不超过峰值放电电流不超过3C3C。 2)2)蓄电池可实现深度放电蓄电池可实现深度放电（例如，（例

35、如，DODDOD达达80%),80%),且不会影响其寿且不会影响其寿命。要求蓄电池在必要时能在满负荷状态下工作和实现全放电。命。要求蓄电池在必要时能在满负荷状态下工作和实现全放电。 3)3)蓄电池的比能量和能量密度要尽可能大蓄电池的比能量和能量密度要尽可能大，以减小蓄电池组的，以减小蓄电池组的结构尺寸，减轻蓄电池组的质量，方便车辆的整体结构设计，结构尺寸，减轻蓄电池组的质量，方便车辆的整体结构设计，确保电动汽车的动力性和乘用空间。确保电动汽车的动力性和乘用空间。 4)4)蓄电池的可接受充电电流要大蓄电池的可接受充电电流要大。对于有制动能量回馈系统的。对于有制动能量回馈系统的电动汽车，还要求蓄电

36、池的可接受充电电流要大，短时间内可电动汽车，还要求蓄电池的可接受充电电流要大，短时间内可接受高达接受高达5C5C的脉冲电流充电，这有助于提高汽车制动能量回收的脉冲电流充电，这有助于提高汽车制动能量回收的效率。的效率。C一般是指蓄电池容量，比如蓄电池容量200Ah，0.1C充电电流就是20A。配套蓄电池组容量是100Ah，充电回路输出充电电流10A。美国先进电池联合会（美国先进电池联合会（USABC)USABC)对对纯电动汽车纯电动汽车(EV)(EV)蓄电池性能指标蓄电池性能指标 2.2.混合动力电动汽车对蓄电池的要求混合动力电动汽车对蓄电池的要求 串联式混合动力汽车完全由电机驱动，发动机串联式

37、混合动力汽车完全由电机驱动，发动机- -发电机总成发电机总成与电池组一起为电机提供需要的电能，电池与电池组一起为电机提供需要的电能，电池SOCSOC处于较高的水处于较高的水平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要小一些。平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要小一些。 并联式混合动力汽车发动机和电机都可直接为车轮提供驱并联式混合动力汽车发动机和电机都可直接为车轮提供驱动力，整车的功率需求可以由不同的动力组合来满足。动力，整车的功率需求可以由不同的动力组合来满足。混合动混合动力电动汽车对蓄电池容量的要求相对较低，但要求蓄电池在短力电动汽车对蓄电池容量的要求相对较低，但要求蓄电池在短时间内能输

38、出大电流的能力要强。具体的要求归纳如下：时间内能输出大电流的能力要强。具体的要求归纳如下： 1)1)蓄电池的峰值功率要大蓄电池的峰值功率要大，可实现短时间的大功率充放电。，可实现短时间的大功率充放电。 2)2)循环寿命要长循环寿命要长，能达到，能达到10001000次以上（深度放电）和次以上（深度放电）和4040万次以万次以上（浅度放电）。上（浅度放电）。 3 3) )蓄电池在工作时，其蓄电池在工作时，其SOCSOC应尽可能保持在应尽可能保持在50%-85%50%-85%的范围之内的范围之内。 美国能源部的美国能源部的FreedomCARFreedomCAR项目所制定的功率辅助型项目所制定的功

39、率辅助型 混合动力电动汽车用蓄电池的性能指标混合动力电动汽车用蓄电池的性能指标 3. 3.插电式混合动力电动汽车对蓄电池的要求插电式混合动力电动汽车对蓄电池的要求 插电式混合动力电动汽车在城市街道上以纯电动方式插电式混合动力电动汽车在城市街道上以纯电动方式行驶，在髙速公路上长途行驶时采用混合动力方式，因而行驶，在髙速公路上长途行驶时采用混合动力方式，因而对其蓄电池的要求需要兼顾纯电动和混合动力两种模式。对其蓄电池的要求需要兼顾纯电动和混合动力两种模式。具体的要求归纳如下：具体的要求归纳如下： 1) 1)在深度放电的情况下，仍然在深度放电的情况下，仍然有较长的循环寿命。有较长的循环寿命。 2)

40、2)在低在低SOCSOC状态下，状态下，能实现大功率电能输出能实现大功率电能输出，以使电动汽，以使电动汽车在蓄电池深度放电时仍能保持其良好的加速性能。车在蓄电池深度放电时仍能保持其良好的加速性能。 3) 3)在高在高SOCSOC状态下，状态下，能接受大电流充电能接受大电流充电，以确保其制动能，以确保其制动能量回馈的效率不受量回馈的效率不受SOCSOC状态的影响。状态的影响。 4) 4)在保持高在保持高SOCSOC状态的情况下，状态的情况下，可延长其使用寿命。可延长其使用寿命。 5) 5) 比能量及能量密度高比能量及能量密度高，以减小蓄电池组的质量和体积。，以减小蓄电池组的质量和体积。 6) 6

41、)安全性好安全性好。PHEV的工作模式PHEV 插电式混合动力汽车 笫二节笫二节 蓄电池的原理与特牲蓄电池的原理与特牲一、铅酸电池一、铅酸电池1.1.铅酸电池的原理铅酸电池的原理(1)(1)、铅酸电池电动势的建立、铅酸电池电动势的建立 铅酸电池正极板上的活性物质为二氧化铅（铅酸电池正极板上的活性物质为二氧化铅（PbOPbO2 2) )，负，负极板上的活性物质为纯铅（极板上的活性物质为纯铅（Pb),Pb),电解液为硫酸的水溶液电解液为硫酸的水溶液（H H2 2S0S04 4+H+H2 20)0)。 PbOPbO2 2和和PbPb均为难溶于水的物质，当极板浸入均为难溶于水的物质，当极板浸入电解液后

42、，正、负极板上的活性物质均会有少量被溶解电离。电解液后，正、负极板上的活性物质均会有少量被溶解电离。负极板：负极板：铅溶于电解液中，失电铅溶于电解液中，失电子生成子生成PbPb2+2+ ，Pb -2ePbPb -2ePb2+2+电子留在负极板上，使负极板具电子留在负极板上，使负极板具有负电荷，为有负电荷，为-0.1V-0.1V。正极板：正极板：PbOPbO2 2溶于电解液溶于电解液PbOPbO2 2+2H+2H2 2OPb(OH)OPb(OH)4 4 Pb(OH)Pb(OH)4 4PbPb4+4+ + 4OH + 4OH- - OHOH- -留在电解液中，留在电解液中，PbPb4+4+ 沉附在

43、正极沉附在正极板表面板表面, ,使正极板有使正极板有+2.0V。在外电路未接通时，反应达到动态平在外电路未接通时，反应达到动态平衡时，静止电动势为：衡时，静止电动势为： E=2.0 E=2.0( (0.1)=2.1V0.1)=2.1V正、负极之间就形成了电位差，该电位差称为正、负极之间就形成了电位差，该电位差称为蓄电池的电动势蓄电池的电动势。（2 2）、铅酸电池放电过程）、铅酸电池放电过程将蓄电池的化学能转换成电能的过程称为将蓄电池的化学能转换成电能的过程称为放电过程。放电过程。 当蓄电池与外电路接当蓄电池与外电路接通后通后, ,在正极板上在正极板上：PbPb4+4+2ePb2ePb2+2+P

44、bPb2+2+SOSO2-2-4 4PbSOPbSO4 4 在负极板上：在负极板上：PbPb2ePb2ePb2+2+PbPb2+2+SOSO2-2-4 4PbSOPbSO4 4 在电解液中在电解液中：2H2H+ +2OH2OH- -2H2H2 2O O铅酸电池的放电时的电化学反应：铅酸电池的放电时的电化学反应：正极反应为正极反应为负极反应为负极反应为电池总反应电池总反应2442322PbOHH SOePbSOH O442P bH SOP bSOeH424422220PbSOPbH SOPbSOH 结论：结论： 放电过程中，极板上的活性物质与电解液中放电过程中，极板上的活性物质与电解液中的硫酸逐

45、渐转化为硫酸铅；正极板上得到电子，的硫酸逐渐转化为硫酸铅；正极板上得到电子，其电位逐渐降低，负极板上的电子不断流出其电其电位逐渐降低，负极板上的电子不断流出其电位逐渐升高，两极板间的电位差逐渐减小；电解位逐渐升高，两极板间的电位差逐渐减小；电解液中的硫酸根离子逐渐减少，水不断增多液中的硫酸根离子逐渐减少，水不断增多, ,结果使结果使得电解液的密度不断下降。得电解液的密度不断下降。 由于放电过程中沉附于正、负极板表面的由于放电过程中沉附于正、负极板表面的PbS0PbS04 4会阻碍电解液与极板内层的活性物质接触，会阻碍电解液与极板内层的活性物质接触，因而因而极板内层的活性物质不能溶解电离极板内层

46、的活性物质不能溶解电离。通常情。通常情况下的况下的“蓄电池放完电蓄电池放完电”实际上只是利用了实际上只是利用了极板极板上活性物质的表层部分。上活性物质的表层部分。（3 3）、铅酸电池充电过程）、铅酸电池充电过程 将电能转化为蓄电池化学能的过程称为充电过程，将电能转化为蓄电池化学能的过程称为充电过程，它它是放电反应的逆过程。是放电反应的逆过程。蓄电池充电时，正负极蓄电池充电时，正负极板与直流电源相连。板与直流电源相连。在正极板上：在正极板上：PbPb2+2+-2ePb-2ePb4+4+PbPb4+4+4OH4OH- -Pb(OH)Pb(OH)4 4Pb(OH)Pb(OH)4 4PbOPbO2 2

47、2H2H2 2O O在负极板上：在负极板上： PbPb2+2+2ePb+2ePb 2H 2H+ +SOSO42-2-HH2 2SOSO4 4 结论：结论： 充电过程中，正负极板上的充电过程中，正负极板上的PbSOPbSO4 4逐步恢复为逐步恢复为PbOPbO2 2和和PbPb；电解液内电解液内H H2 2SOSO4 4的生成和水的减少，使电解液的相对密度逐的生成和水的减少，使电解液的相对密度逐渐上升；充电一直进行到极板上的活性物质完全恢复到放渐上升；充电一直进行到极板上的活性物质完全恢复到放电前的状态。电前的状态。 当充电接近终了时，由于极板上的当充电接近终了时，由于极板上的PbS0PbS04

48、 4已较少，正、已较少，正、负极板处的负极板处的PbPb2+2+数量少，部分充电电流会使水分解，变成氧数量少，部分充电电流会使水分解，变成氧气气O O2 2和氢气（和氢气（H H2 2），并从电解液中逸出，反应式为），并从电解液中逸出，反应式为: : 2H 2H2 20 0 2H2H2 2+O+O2 2 因此，当充电至蓄电池电解液开始有气泡冒出时，说明充电因此，当充电至蓄电池电解液开始有气泡冒出时，说明充电已接近终了。铅酸电池在充、放电时，其总的电化学反应式已接近终了。铅酸电池在充、放电时，其总的电化学反应式为为: : Pb0Pb02 2 + Pb Pb + 2H2H2 2S0S04 4 Pb

49、S0 PbS04 4 + PbS0 PbS04 4 + 2H2H2 20 0 ( (正极板）正极板）+(+(负极板）负极板）+(+(电解液电解液) ) ( (正极板）正极板）+(+(负极板）负极板）+(+(电解液）电解液）放电放电充电充电(1)(1)普通铅酸电池的结构普通铅酸电池的结构 铅酸蓄电池主要由极板、隔板、壳体、联条、电解铅酸蓄电池主要由极板、隔板、壳体、联条、电解液、极桩等组成。铅酸电池的单格电池标称电压为液、极桩等组成。铅酸电池的单格电池标称电压为2V,2V,一一块额定电压块额定电压12V12V的蓄电池由的蓄电池由6 6个单格串联而成，每个单格电个单格串联而成，每个单格电池的电压为

50、池的电压为2V2V。蓄电池的基本结构2.2.铅酸电池的结构与类型铅酸电池的结构与类型 正、负极板正、负极板上的活性物质上的活性物质PbOPbO2 2和和PbPb由铅膏由铅膏（铅粉、稀硫酸及少量添加剂的混合物）填充在（铅粉、稀硫酸及少量添加剂的混合物）填充在用铅锑合金铸成的栅架上，经化成工艺处理后形用铅锑合金铸成的栅架上，经化成工艺处理后形成。在充足电状态下，正极板呈深棕色，负极板成。在充足电状态下，正极板呈深棕色，负极板呈深灰色。多片正极板和负极板各自用横板焊接呈深灰色。多片正极板和负极板各自用横板焊接并联起来，相互嵌合安装（中间用隔板隔开）形并联起来，相互嵌合安装（中间用隔板隔开）形成极板组

51、。将极板组置于存有电解液的容器中，成极板组。将极板组置于存有电解液的容器中，就构成了单格电池。就构成了单格电池。 现在更多的铅酸电池采用穿壁式连条，在一现在更多的铅酸电池采用穿壁式连条，在一块蓄电池盖表面只看到两端的正极桩和负极桩。块蓄电池盖表面只看到两端的正极桩和负极桩。 隔板隔板是由微孔橡胶、玻璃纤维等材料制成的，是由微孔橡胶、玻璃纤维等材料制成的，新型隔板由聚丙烯、聚乙烯等制成，其主要作用新型隔板由聚丙烯、聚乙烯等制成，其主要作用是：防止正、负极板短路；是电解液中正、负离是：防止正、负极板短路；是电解液中正、负离子顺利通过；延缓正、负极板活性物质的脱落，子顺利通过；延缓正、负极板活性物质

52、的脱落，防止正、负极板因振动而损伤。因此要求隔板要防止正、负极板因振动而损伤。因此要求隔板要孔率高、孔径小，耐酸，不分泌有害物质，在电孔率高、孔径小，耐酸，不分泌有害物质，在电解液中电阻小，具有化学稳定性。解液中电阻小，具有化学稳定性。 电解液电解液是蓄电池的重要组成不分，是由浓硫酸是蓄电池的重要组成不分，是由浓硫酸和净化水配置而成的，他的作用是传导电流和参和净化水配置而成的，他的作用是传导电流和参加电化学反应。电解液的纯度和密度对将电池容加电化学反应。电解液的纯度和密度对将电池容量和寿命有重要影响。量和寿命有重要影响。 电池壳电池壳、盖是安装正、负极板和电解液的容器，、盖是安装正、负极板和电

53、解液的容器，应该耐酸、耐热、耐振。壳体系多采用硬橡胶或应该耐酸、耐热、耐振。壳体系多采用硬橡胶或聚丙烯塑料材料制成，为整体式结构，底部有凸聚丙烯塑料材料制成，为整体式结构，底部有凸起的肋条以搁置极板组。起的肋条以搁置极板组。 排气栓排气栓一般由塑料材料制成，对电池起密封一般由塑料材料制成，对电池起密封作用，阻止空气进入，防止极板氧化。同时可以作用，阻止空气进入，防止极板氧化。同时可以将充电时电池内产生的气体排出电池，避免电池将充电时电池内产生的气体排出电池，避免电池产生危险。产生危险。 除上述部件外，铅酸电池单体内还有除上述部件外，铅酸电池单体内还有链条、链条、极柱、液面指示器极柱、液面指示器

54、等零部件。等零部件。 为了增加铅酸电池的容量一般由多块极板为了增加铅酸电池的容量一般由多块极板组成极群，即多块正极板和多块负极板分别用连组成极群，即多块正极板和多块负极板分别用连接条接条( (汇流排汇流排) )焊接在一起，共同组成电池焊接在一起，共同组成电池(Battery)(Battery)。传统内燃机汽车用的。传统内燃机汽车用的12V12V铅酸起动电铅酸起动电池就是池就是6 6个独立的铅酸电池单体组成的。个独立的铅酸电池单体组成的。 (2)(2)铅酸电池的类型铅酸电池的类型 用于电动汽车的铅酸电池除了上面所见到的普通结构用于电动汽车的铅酸电池除了上面所见到的普通结构外，还有外，还有阀控电池

55、阀控电池和和铅布电池铅布电池等不同的类型。等不同的类型。 阀控铅酸电池阀控铅酸电池（Valve Regulated Lead Acid Valve Regulated Lead Acid Battery,Battery,简称简称VRLAB)VRLAB)与普通铅酸电池的区别是：与普通铅酸电池的区别是：在在VRLABVRLAB的盖上设有一个排气阀（也称为安全阀），当其内部气压的盖上设有一个排气阀（也称为安全阀），当其内部气压达到限定值时，阀打开而将气体排出，然后自动关闭，以达到限定值时，阀打开而将气体排出，然后自动关闭，以防止空气进入。防止空气进入。VRLABVRLAB为密封结构，不会漏酸为密封结

56、构，不会漏酸, , 也不排酸也不排酸雾，减少了氢气和氧气的逸散，故而不会损伤设备和污染雾，减少了氢气和氧气的逸散，故而不会损伤设备和污染环境，且在使用过程中无须检査和补充电解液。这种密封环境，且在使用过程中无须检査和补充电解液。这种密封式阀控电池也被称为式阀控电池也被称为免维护蓄电池免维护蓄电池。 铅布电池也称为水平铅酸电池铅布电池也称为水平铅酸电池，其结构特点是，其结构特点是正、负正、负极板和隔板采用卧式层叠组合，极板的外面是用高强度玻极板和隔板采用卧式层叠组合，极板的外面是用高强度玻璃纤维和铅丝编织成的网状铅布，用作极板的基体，在铅璃纤维和铅丝编织成的网状铅布，用作极板的基体，在铅布上涂以

57、布上涂以PbOPbO2 2和和PbPb，构成双层格网板，作为水平铅布铅酸，构成双层格网板，作为水平铅布铅酸电池的正极板和负极板电池的正极板和负极板。铅布电池的比能量、比功率、使。铅布电池的比能量、比功率、使用寿命和快速充电性能等均优于普通铅酸电池。用寿命和快速充电性能等均优于普通铅酸电池。阀控密封铅酸蓄电池构造与原理 3.3.铅酸电池的特性铅酸电池的特性 (1)(1)铅酸电池的充电特性铅酸电池的充电特性 铅酸电池在恒流充电状态下的充电特性如图所示。在充铅酸电池在恒流充电状态下的充电特性如图所示。在充电开始时，极板孔隙内进行电化学反应而生成电开始时，极板孔隙内进行电化学反应而生成H H2 2S0

58、S04 4，使孔隙，使孔隙内电解液密度迅速上升，产生内电解液密度迅速上升，产生浓差极化浓差极化，故而导致，故而导致充电电压充电电压迅速上升迅速上升(AB(AB段）。段）。在随后的充电过程中，极板孔隙内的在随后的充电过程中，极板孔隙内的H H2 2S0S04 4向孔隙外扩散，当孔隙内向孔隙外扩散，当孔隙内H H2 2S0S04 4的生成速度与扩散速度相的生成速度与扩散速度相对平衡时，动态电动势就会相对稳定，充电电压就会随着整对平衡时，动态电动势就会相对稳定，充电电压就会随着整个容器内电解液密度的缓慢增大而个容器内电解液密度的缓慢增大而逐渐上升逐渐上升(BC(BC段段) )。 当当充电达充电达90

59、% (C90% (C点点) )时，电解液开始有气泡冒出时，电解液开始有气泡冒出( (少量析气少量析气) )，继续充电，水的电解速度会不断上升，气泡也逐渐增多，极继续充电，水的电解速度会不断上升，气泡也逐渐增多，极板表面产生电化学极化，使板表面产生电化学极化，使 充电电压迅速上升充电电压迅速上升(C(C一一D)D) 段），电解液呈段），电解液呈“沸腾沸腾” 状。这时，表明蓄电池已状。这时，表明蓄电池已 充足电，继续充电将导致充足电，继续充电将导致 过充电。过充电。 在电极的上端和下端，以及电极的孔隙和电在电极的上端和下端，以及电极的孔隙和电极的表面处酸的浓度不同，因而电极内外和上下极的表面处酸的

60、浓度不同，因而电极内外和上下形成了形成了浓差电池浓差电池。处在较稀硫酸区域的二氧化铅。处在较稀硫酸区域的二氧化铅为负极，进行氧化过程而析出氧气；处在较浓硫为负极，进行氧化过程而析出氧气；处在较浓硫酸区域的二氧化铅为正极，进行还原过程，二氧酸区域的二氧化铅为正极，进行还原过程，二氧化铅还原为硫酸铅。这种浓差电池在充电终了的化铅还原为硫酸铅。这种浓差电池在充电终了的正极和放电终了的正极都可形成，因此都有氧气正极和放电终了的正极都可形成，因此都有氧气析出。但是在电解液浓度趋于均匀后，浓差消失，析出。但是在电解液浓度趋于均匀后，浓差消失，由此引起的自放电也就停止了。由此引起的自放电也就停止了。 可变价