混合动力汽车电能储存装置

第二章混合动力汽车电能储能装置第一节混合动力汽车电能储存装置的种类及主要性能指标第二节二次电池的基本概念第三节铅酸蓄电池第四节镍氢电池第五节锂离子电池第六节飞轮储能器第七节超级电容器第八节蓄电池充电原理与充电器第九节HEV蓄电池的监测系统2.1.1、电能储存装置的种类1．二次电（secondarybattery）

二次电池亦称可充电电池（rechargeablebattery蓄电池(storagebattery)等;如铅酸蓄电池(Lead-acid)、镍-氢(Ni-MH)电池、锂离子(Lithiumionization)电池、镍-金属氢化物电池。

混合动力汽车的电能储存装置可以分为：二次电池、超级电容、飞轮电池三类2.1混合动力电动汽车电能储存装置的种类及主要性能指标2．超级电容器（supercapacitor）

超级电容器又叫电化学电容器，是一种新型的、双电层电容器，与常见的物理电容器不同。3．飞轮电池FWB（FlyWheelBattery）

飞轮电池亦称飞轮储能器、高速或超高速飞轮储能器等。2.1.2电能储存装置的主要性能指标1.比能量（也称质量比能量、质量能量密度）：指单位质量的电能储存装置所能输出的能量，单位为J／kg、W·h／kg或kW·h/kg（1W·h／kg=3600J／kg）。比能量越高，汽车用电能行驶的距离越长。计算比能量时使用的质量为电能储存装置的总质量。2.能量密度（也称体积比能量）：指单位体积电能储存装置所能输出的能量，单位为W·h／L或kW·h／L。能量密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。3.比功率（亦称质量比功率）是指单位质量电能储存装置具有电能的功率，单位为W／kg或kW/kg。电能储存装置的比功率越大，汽车加速、爬坡性能好；最高车速高。4.功率密度（亦称体积比功率、质量功率密度）指单位体积电能储存装置所具有的电能功率,单位为W／L或kW/L，功率密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。5.寿命：电能储存装置的寿命通常指其使用时间的长短、充、放电的循环次数的多少。单位为年、小时或循环次数。6.充、放电效率：充电效率指充入电能储存装置的电能占充电时消耗的电能的百分比；放电效率指电能储存装置的输出电能电能储存装置消耗的电能的百分比EV和HEV电池的选择2.2二次电池的基本概念一、常见的二次电池的术语（补充）1.放电：恒流放电和恒阻放电,连续放电与间断放电。2.放电容量：在标准规定的条件下的放电电量或有效工作时间。3.电动势：组成电池的两个电极的平衡电位之差。4.短路电流：电池短路后一瞬间流过的电流。5.放电率：放电率指放电时的速率

时率指以放电时间(h)表示的放电速率，即以一定放电电流放完额定容量所需的小时数。

例如，电池的额定容量为30Ah，以2A电流放电，则时率为30Ah／2A＝15h，称电池以15小时率放电。

“倍率”指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值等于额定容量的倍数。

例如，2“倍率”的放电，表示放电电流数值为电池量的2倍。如对30Ah电池，放电电流应为2×30＝60A。放电深度DOD（depthofdischarge）：放电容量与额定容量之比的百分数。充电：将外电路输入的电能转化为化学能贮存到蓄电池的过程。充电率：蓄电池在规定时间内充到额定容量所需的电流值；或在一定电流下充到额定容量所需的时间。

与放电率类似，一般用也倍率或时率表示。恒压充电：保持充电器端电压始终不变的充电方法。恒流充电：充电电流保持不变的一种充电方法。极化：极化是电池由静止状态(电流i=0)转入工作状态(i>0)产生的电池电压、电极电位的变化现象。

极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、浓差极化和电化学极化等。2.2.1、二次电池的电池主要性能指标1.开路电压：电池不放电处于断路状态时，电池两极之间的电位差。2.电池的内阻：欧姆内阻、极化内阻3.电池的工作电压：电池放电时电池两极之间的电位差，又称放电电压或端电压。4.终止电压和放电曲线

终止电压：电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压。

放电曲线：电池工作电压随放电时间的变化曲线。5.电池容量(Ah)电池荷（带）电量的多少。用安培时(Ah)表示，理论容量：实际容量：在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。额定容量(保证容量)：按一定标准所规定的放电条件下，电池应该放出的最低限度的容量。标称容量(公称容量)：用来鉴别电池适当的近似安培时数值，没有指定的放电条件，只标明电池的容量范围而没有确切值。6.能量:在一定放电条件下，电池对外作功时所能输出的电能,单位为W·h或kW·h。‹标称能量：在规定的放电条件下，电池所输出的能量，标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。‹实际能量：在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。6．功率：在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量，单位为W或kW。7.成本：8．二次电池的寿命：电池的寿命通常用使用时间或循环寿命表示。一个循环（周期)：循环充电电池（蓄电池）经历一次充电和放电的过程电池报废的原因：化学活性物质会发生老化变质。蓄电池循环寿命的影响因素：与充电和放电的形式、电池的温度和放电深度有关.放电深度“浅”时，有利于延长电池寿命2.2.2、二次电池性能比较HEV和EV汽车的对电源的主要要求：①高的比能量（增长一次充电可行驶的距离）②大的比功率（在大电流工作时可平稳放电，提

高加速、爬坡性能）；③循环寿命长；④安全可靠，免维护；⑤环境友好，可再生；⑥成本低廉。各类车用动力电池的性能比较表

各类车用动力电池的性能比较表（续）返回常见电池比能量和比功率的关系TESLA电池总成TESLA电动车的电池采用了松下提供的NCA系列（镍钴铝体系）18650钴酸锂电池，单颗电池容量为3100毫安时。这种电池我们并不陌生，像笔记本电脑等电子数码设备使用的都是这种类型的电池，相比于其它电动车使用的电池类型，18650电池的技术更为成熟，比能量方面它几乎是磷酸铁锂电池的两倍，也就是说，在同等体积的情况下，18650电池组成的电池单元可以储存更多的电能。这也是TESLA使用这种电池的其中一个原因。尽管如此，把这种电池运用在电动车上还是有一定难度，比如，要想满足一辆电动车的使用需求就需要使用很多个18650锂电池，这就出现了一个要解决的问题，如何把它们组合在一起。85kWh的MODELS的电池单元一共运用了8142个18650锂电池，工程师首先将这些电池以砖、片逐一平均分配最终组成一整个电池包，电池包位于车身底板。一个电池片由若干个电池砖组成，而一个电池砖又有若干个18650钴酸锂电池组成，除了每节18650电池设有保险装置外，每个电池片和每个电池砖也都有保险装置，一旦发现某一单位内部出现问题，保险装置都会将其切断与其它电池单元的联系，从而避免殃及池鱼的情况出现。另外，每个电池片之间都有相对独立的空间并由防火墙相隔，即便是单个电池片内部出现了起火的情况，火势也可得到一定控制，不至于迅速蔓延至整个电池包。当然，保险装置是最后的一道屏障，当它切断的时候也就意味着某个电池单元出现了问题，如果涉及到更换，整个电池包可以以“片”为单位进行更换。每节电池之间以并联的方式连接，而电池砖之间和电池片之间分别以串联的方式连接，也就是说，在实际用车过程中，当某节电池出现问题时，车辆不会抛锚，受到影响的只是车辆的续航里程。特斯拉将建设超级电池工厂：降低电动汽车成本2.2.3、二次电池的输出电流、功率和效率的关系蓄电池放电电流、放电端电压、效率、输出功率等于汽车的续驶里程、车速等有密切关系。它们之间的关系是HEV与EV选用蓄电池的重要理论依据。蓄电池的放电特性：式中U0--蓄电池的开路电压（V）Ub--蓄电池放电时的端电压（V）Ib--蓄电池的放电电流（A）R--蓄电池的内阻（Ώ）输出功率：蓄电池的效率蓄电池能输出的最大功率：输出功率时的最大电流：蓄电池的放电特性曲线2.3铅酸蓄电池酸蓄电池：以酸性水溶液为电解质的蓄电池铅酸蓄电池：电极材料为铅及其氧化物2.3.1铅酸蓄电池的种类及型号1.开口式铅酸蓄电池

这种电池大多是在启动型蓄电池的基础上进行局部改进而成的。开口式铅酸蓄电池多用于短距离的电瓶车、巡逻车、游览车和居民小区内的小交通车等。2.阀控式密封铅酸蓄电池

原用于UPS系统中，现已广泛应用于各种电动助力车，我国电动自行车约95%使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。目前国内此类电池的在比能量、循环寿命、充电时间等几方面均有明显提升，按照行业标准检测电池的循环寿命达到700次以上，100%DOD放电循环寿命达到300次以上。3.双极性密封铅酸蓄电池

全部正极板并联焊在一起组成电池的正极；全部负极板并联焊在一起组成电池的负极。比能量很高，循环寿命也很高。双极性密封铅酸蓄电池目前正在研发中，还没有达到商品化阶段。4.水平式密封铅酸蓄电池

正负极和隔板是采用卧式组合起来的；导电板栅是由将铅挤压在细的玻璃纤维四周形成的铅丝编织而成的；正极和负极铅膏分别涂在一片铅网的两端，中间留有一段未涂膏的板栅将两种铅膏分开，再用封包机将该双极板用超细纤维包起来。内阻很小，即可大电流放电又适合快速充电，这一特点正满足了电动车对蓄电池的要求。铅酸蓄电池的应用优点：

技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高，大电流输出特性，良好的高温和低温性能，较高的能量效率（75～80）%以及多种多样的型号和尺寸。缺点：

比能量和能量密度比较低（35W·h/kg和70W·h/L），自放电率较高（25℃环境每天降低1%），循环寿命相对较低（<1000次），硫酸腐蚀电极不便于长期储存。目前，性能得到改进的多种类型的铅酸蓄电池正不断地被应用到电动汽车上，铅酸蓄电池仍是电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。返回蓄电池的名称代码及含义2.3.2、铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的放电和充电的反应过程，是铅酸蓄电池活性物质进行的可逆化学变化过程。它们可以用下列化学方程式表示：铅酸蓄电池放电时，化学反应由左向右进行，其相反过程为充电过程的化学反应。放电过程中，生成H2O，H2SO4的浓度会逐渐减小.可以用比重计来测定电解液的密度,进一步了解铅酸蓄电池电解液的放电的程度。正极电解液负极正极电解液负极蓄电池的构造通常由若干个单体电池串联而成。※组成：正极板、负极板、隔板、电解液、电池盖、加液孔盖和电池外壳。※每个单体电池的基本电压2V。※电解液中往往加入硅酸胶作为凝结剂，使电解质成为胶状物，形成“胶体”电解质2.3.3、铅酸蓄电池的构造安装了排气阀的铅酸蓄电池2.3.4、蓄电池的容量及其影响因素1、蓄电池的容量蓄电池的容量C(A·h)是指蓄电池在允许放电的范围内所输出的电量即放电电流I(A)和放电时间t(h)之积的积分。恒流放电的容量为：C=I·tC与放电电流、温度及电解液的密度等因素有关。电动道路车辆用铅酸蓄电池的额定容量用C3表示：在电解液温度为25℃时，以3小时率放电电流(I3=C3/3A)连续放电到蓄电池端电压下降至9.90V蓄电池所输出的电量。

检验新蓄电池质量和衡量蓄电池能否继续使用的重要指标GB/T18332.1-2001规定蓄电池的完全充电的定义：免维护蓄电池：以0.5I3（A）进行恒流充电到14.4V±0.1V后，再继续以0.25I3（A）电流充电在充电末期连续3h内电压变化不大于0.05V/h。阀控密封式蓄电池采用改进的恒压充电：用恒压14.4V±0.1V、限流I3（A）充电16h或充电末期电流稳定3h不变。GB/T18332.1-2001规定C3的测量方法：对完全充足电的蓄电池，在温度为25℃±2℃的水浴环境中静置5h，恒电流（C3/3A）放电到9.90V终止，记录放电时间。放电电流和记录的放电终止时间的乘积即为电池容量。2.蓄电池的容量及影响因素极板的构造放电电流电解液温度电解液密度1）.极板构成极板厚度越薄，活性物质的利用率就越高，相同蓄电池尺寸下极板片数多，容量就越大。极板面积越大，同时参与反应的物质就越多，容量就越大。同性极板中心距越小，蓄电池内阻越小，容量越大。2）放电电流对容量的影响

放电电流越大，蓄电池容量越小。因放电电流越大，极板孔隙内消耗的H2SO4越快，且单位时间内产生的PbSO4越多，PbSO4堵塞极板孔隙明显，阻碍电液向极板内层渗透，使极板孔隙内电解液密度急剧下降，致端电压也迅速下降，而极大地缩短了放电时间，使蓄电池容量下降。3）电解液温度的影响电解液温度降低，蓄电池容量减小。温度↓粘度↑，电解液渗入极板困难，活性物质利用率↓→C↓；同时，粘度↑内阻↑内压降↑，端电压↓→C20↓。实验证明，电解液温度每下降1℃，缓慢放电时蓄电池容量约减少l％，迅速放电时蓄电池容量约减少2％。由于电解液温度对蓄电池容量影响较大，因此，冬季在寒冷地区使用蓄电池时，应特别注意蓄电池的保温。4）电解液密度的影响电解液密度ρ↑电动势E↑，电液渗透能力↑，参加反应的活性物质↑→C20↑；ρ过高，粘度↑，内阻↑，极板硫化↑→C20↓。实践证明：电解液密度偏低有利于提高放电电流和容量。即使是冬季使用的电解液，在不使其结冰的前提下，也应尽可能采用稍低密度的电解液。※一般电解液密度为1.26-1.285g/cm35）电解液纯度对容量的影响电解液中的一些有害杂质会腐蚀栅架，沉附于极板上的杂质形成局部电池产生自放电，导致输出电量减小。如：电解液中若含有1%的铁，则蓄电池在一昼夜内就会放完电。2.3.5铅酸蓄电池的特性及充、放电特性1、铅酸蓄电池的电动势与开路电压铅酸蓄电池的电动势与开路电压与铅酸蓄电池电解液H2SO4的浓度有关，随着电解液的浓度降低，铅酸蓄电池的电动势和开路电压也下降，因此可用测定电解液的浓度来了解铅酸电池的电动势与开路电压。(1)静止电动势Ej：蓄电池处于静止状态时，正负极板之间的电位差称为静止电动势。(2)开路电压：理论上，开路状态下的端电压并不等于蓄电池的电动势。但是，开路电压在数值上很接近蓄电池的静止电动势，可以用开路电压代替静止电动势。一般规定铅蓄电池的额定开路电压为2.0V。2.铅酸蓄电池充、放电特性1)铅酸蓄电池恒电流放电特性2）铅酸蓄电池的充电特性1.高效阶段两极的硫酸铅分别转换成了铅和二氧化铅，充电接受率高，接近100%。这个阶段在温度和充电率都保证的情况下单体端电压达到2.39V时结束。2.混合阶段水解副反应和充电主反应同时进行，此时的充电接受率逐步下降。当两个反应达到平衡时，即电池两端电压与稀硫酸溶液浓度不再上升，这表示电池已经充满电。3.析气阶段蓄电池已经被充满电，电池中所进行的反应只有水解副反应，再加上缓慢进行的自放电反应。此时会产生大量的气体，主要是氢气和氧气。2.3.6铅酸蓄电池的性能指标放电电流和放电容量的关系输出功率密度和比能量的关系2.3.7铅酸蓄电池的危害铅毒酸雾锑和砷、镉2.4镍氢(Ni-MH)电池镍氢电池现主要应用于混合电动车。2011年HEV市场占56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%，无绳电话占11%，其他市场为9%。世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。全球镍氢电池70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。HEV用大型镍氢电池主要在日本生产，生产企业主要为Primearth电动车能源公司（PEVE)和三洋电机，我国镍氢电池增长乏力，近几年的产品产值、产量均未超过2008年的高峰。2011年，镍氢电池的产值、产量分别为55亿元、9.5亿只，与2008相比分别下降15.38%、26.36%。产品规模的缩小使得镍氢电池更不具规模经济，未来情景堪忧，其发展空间仍然取决于混合电动车的应用情况一、镍氢电池（Ni-MHBatteries）的特点与组成1．Ni-MH电池的主要特点：①能量密度高，是Ni-Cd电池的1.5—2倍；②电池电压1.2-1.3V，与Ni-Cd电池相当；④可快速充放电，低温性能好；即使在－20℃环境温度下，采用大电流(以1C放电速率)放电，放出的电量也能达到标称容量的85％以上。④可密封，耐过充、放电能力强；⑤无毒，无环境污染，不使用贵金属；⑥无记忆效应。2、镍氢电池的组成

镍氢电池可分为高压镍氢电池和低压镍氢电池两大类。按照外形可分方形镍氢电池和圆柱形镍氢电池。2.4.3、Ni-MH电池的原理Ni-MH电池的组成：正极活性物质是氢氧化镍负极是储氢合金，经常用MHx表示，电解液是氢氧化钾的水溶液。电解液通常用30％的KOH水溶液，并加入少量的NiOH当电池放电（向右）、充（向左）时，正负极发生化学反应为充电时氢由正极迁移到负极，放电时则相反没有发生电解液的增加或减少2.4.4、动力Ni-MH电池的特性充电电流在10-30A，充电后，电池的内压0.15MPa寿命可达1000次循环，实际行驶可达15万km。图24松下电池公司Ni-MH电池的放电特2.4.5动力Ni-MH电池的性能指标及应用情况动力电池组多设计为12V/100Ah，为了散热和温度能均匀分布，单体电池间设置有均匀空气通道。装车使用时，如用24个串联。则电压可达288V，携带能量约为288KW·h。2.4.6Ni-MH电池的命名规则GB／T18332.2-2001对电动车用Ni-MH电池的规定：蓄电池应由10只单体电池组成，单体电池采用方形和圆柱形两种，分别用“10QNF×××”和“10QNY×××”表示。电池名称中符号的含义如图所额定容量:用C3表示，即在20℃±5℃条件下，以3小时率放电电流(I3=C3/3A)连续放电到蓄电池端电压下降至10V蓄电池所输出的电量。第五节锂离子(Lithium-ion)电池一、锂离子电池的种类锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正、负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正、负极之间的转移来完成电池充放电工作的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池（rockingchairbatteries）”，俗称“锂电”。图272005年世界民用锂离子电池市场占有比例锂离子电池的种类：液态锂离子电池(lithiumionbattery,简称为LIB):电解质为液体聚合物锂离子电池(polymerlithiumionbattery,简称为LIP):电解质为聚合物液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正、负极材料相同，电池的工作原理也基本一致。主要区别是使用的电解质不同。液态锂离子电池的优点(1)能量密度高，为同等容量的镍氢电池的1.5～２倍；(2)电压高，端电压3.7Ｖ，为Ｎi-ＭＨ电池电压的３倍；(3)无污染，环保；(4)循环寿命长，寿命超过1000次；(5)负载特性好，可以大电流连续放电，适合于动力电源；(6)安全性好。聚合物锂离子电池的主要优点如下：（1）具有液态锂离子电池的优良性能；（2）容易装配，可制成任意形状和尺寸的电池；（3）整体电池很轻、很薄，可制成厚度仅为lmm的极薄电池，一只12V的电池组可以只有3mm厚；（4）不存在游离电解质，可以在低压下工作，消除了漏液问题；（5）电池结构可大大简化，不需要金属外壳和高压排气装置，不会产生燃烧爆炸等安全问题；（6）可以简化甚至取消充电保护装置；（7）电池的比容量较高；质量比能量可比目前的液态锂离子电池提高50％以上；（8）工作电压高、充放电循环寿命长锂离子电池的缺点（1）成本高。因钴Co材料的资源少，导致正极材料钴酸锂LiCoO2的价格高，电解质体系的提纯较难。（2）须有特殊的保护电路。需设置对电池过充电和过放电的保护线路控制。必须在（4.1～4.2）V的电压下充电；电池过放电会导致活性物质的恢复困难，也需要有保护线路控制。不足锂离子电池的组成与镍氢电池类似，锂离子电池也有方形和圆柱形两种(1).锂离子电池的负极材料碳材料:具有高的比容量(200mA·h·g－１～４00mA·h·g)，低的电极电势(<1.0)，高的循环效率(>95％)，长的循环寿命。较为成功的碳负极材料有:石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等理论表达式为C6Li，化学计量的理论比容量为372mA·h·g。(2).锂离子电池正极材料正极活性物质的主要有LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2和LiMn2O4等。LiCoO2属于α-FeO2型结构，可逆性、放电容量、充放电效率、电压的稳定性等性能均很好。目前被广泛采用或在其中再添加Al、In等元素的复合钴酸锂。但是，钴材料成本较高，资源缺乏。1、液态锂离子电池（3）电解质锂离子电池的液态电解质，其溶剂为无水有机物，如EC（乙烯碳酸脂）、PC(丙烯碳酸脂)和DEC(低粘度二乙基碳酸脂)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。（4）隔膜：采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。（5）外壳：采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。2.聚合物锂离子电池

锂离子聚合物电池（又称高分子锂电池）属第二代可充锂离子电池.电解质是将传统的液态有机电解质吸附在一种被称作胶体电解质的聚合物基质上。组成—负极：高分子导电材料、聚乙炔、人造石墨、聚苯胺或聚对苯酚等

—正极：LiCoO2、ＬiＭn2O４和ＬiNiO2等。—电解质：LiPF6/有机碳酸脂混合物—隔膜1.锂离子电池的工作原理

在电池充电时，Li+的一部分会从正极中脱出，经过电解质嵌入到负极碳的层间，形成层间化合物。电池放电时，则进行与此相反的可逆过程，即Li+从负极脱出，经过电解质再嵌回正极。反应方程式：

（正极）（负极）2.5.3锂离子电池的工作原理2.5.4

聚合物锂离子电池的性能特点工作电压3.8V，质量比能量为150W·h/kg，体积比能量为246W·h/L，比功率为315W/kg，循环寿命大于300次，自放电小于0.1%/月，工作温度为（-25～60）℃，充电速度1h达到80%容量，3h达到100%容量。性能指标2.5.5锂离子蓄电池的命名规则GB／Z18333.1-2001对电动道路车辆用锂离子蓄电池的规定额定容量：用C3表示，即在20℃±5℃条件下，以1I3(A)(I3=C3/3)电流放电达到放电终止电压（最低为2.52V）蓄电池所输出的电量。IEC61960的规定1.电池标识组成3个字母后跟5个数字(圆柱形)或6个数字(方形)。2.第一个字母表示电池的负极材料

I表示有内置锂离子电池，L表示锂金属电极或锂合金电极。3.第二个字母表示电池的正极材料

C基于钴的电极，N基于镍的电极，M基于锰的电极，V基于钒的电极。4.第三个字母表示电池的形状

R表示圆柱形电池，R表示方形电池。5.数字（1）圆柱形电池5个数字

分别表示电池的直径和高度，直径的单位为毫米高度的单位为十分之一毫米,直径或高度任一尺寸大于或等于100mm时两个尺寸之间应加一条斜线。（2）方型电池6个数字

分别表示电池的厚度、宽度、高度，单位毫米三个尺寸任一个大于或等于

100mm时尺寸之间应加斜线，三个尺寸中若有任一小于1mm，则在此尺寸前加字母t，此尺寸单位为十分之一毫米。例如：ICR18650：表示一个圆柱形二次锂离子电池正极材料为钴其直径约为18mm高约为65mm。ICP083448：表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为8mm,宽度约为34mm高约为48mm。ICP08/34/150：表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为8mm,宽度约为34mm高约为150mm。ICPt73448：表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为0.7mm,宽度约为34mm高约为48mm。第六节飞轮储能器1、飞轮储能器的概念早在一百多年前就有人提出采用飞轮储能的思想，由于当时飞轮材料(通常为钢材或其他金属)以及轴承技术的制约,飞轮只能处于相对较低的速度,致使系统难以实现高效、大容量、长时间的储能，这样飞轮储能技术在很长时间内都没有突破。飞现代内燃机的飞轮就是其应用的一例。2.6.1飞轮储能器在电动汽车上的功用及其特点直到20世纪60一70年代，美国宇航局研究中心成功的地将飞轮作为蓄能电池应用到卫星上，标志着飞轮储能电池可以取代化学电池。亦称飞轮电池(FWB:Flywheelbatteries)高速或超高速飞轮储能器等,指利用飞轮高速旋转储存和释放能量的一种装置。质量仅有几十千克转速可达每分几十万转。采用轻质(高强度碳纤维等)复合材料转子，磁悬浮轴承等。作为电动汽车的飞轮储能器至少要满足三个方面的要求1、具有能够承受超高速运行的高强度飞轮2、具有能够将电能和机械能进行高效双向转换的电动机和功率变换器3、是与传统质量飞轮相比，飞轮质量轻而转速极高。济南文化艺术中心，第十届中国艺术节配备了两台飞轮储能发电车，合计容量达到了1750千伏安，确保不间断供电2、飞轮储能器在电动汽车上的功用FWB作为独立的动力源直接驱动车辆行驶，也可以作为辅助动力源1999年5月，英国在布里斯托市建立了第一辆用高速飞轮储能器驱动的超轻有轨电动汽车，整车质量为2700kg，可乘坐34人，续驶里程可达10km，充电时间仅需90秒钟。80年代初，瑞士Oerlikon（欧瑞康）工程公司研制了第一辆完全由飞轮供能的公共汽车。飞轮直径1.63m，重1.5t，在氢气环境里以3000rpm运行以降低风损。该车可载乘客70名，行程大约0.8km，在每一停靠站停车时，飞轮需要充电2min。作为辅助动力源使用时，飞轮储能器的作用主要有两方面：其一是稳定主动力源功率输出。即在电动车辆起动、爬坡和加速时，飞轮储能器能够快速、大能量地提供动力(放电)，为主动力源提供辅助动力，并减少主动力源的动力输出。其二是提高制动时能量回收的效率。能够快速、大能量地储存动能(充电)，充电速度不受“活性物质”化学反应速度的影响，提高再生制动时能量回收的效率。飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表现在如下几个方面：(1)能量密度高：储能密度可达100～200wh／kg，功率密度可达5000～10000w／kg。

(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。

(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。

(4)工作温度范围宽，对环境温度没有严格要求。

(5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。

(6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。3飞轮储能器的特点二、飞轮储能器的工作原理电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），提高转速；当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能降低转速。原理：利用飞轮转动时，动能与转动惯量J和飞轮角速度ω的关系。

E=Jω2/2飞轮储能器的能量和转速的关系飞轮的理论比能量与σ／ρ比值成正比

e=2.72Kσ/ρ式中：e为飞轮单位重量的蓄能，K为飞轮形状系数，ρ为材料的密度，为材料的许用应力σ2.6.3飞轮储能器的结构特点‹等应力的设计原则：飞轮厚度应随着转子半径的增加而递减，保证每一部分具有相等的应力。‹飞轮转子材料应绝对均匀和平衡，并有非常好的动平衡精度。‹永磁无刷电动机最为理想。在工作过程中电动机内部不产生热量的优点，保证了转子在真空环境条件下正常的工作。‹采用磁悬浮轴承：在高速旋转时，轴的旋转部分与轴承的静止部分脱离接触呈悬浮状态，无磨损，也不需润滑。2.6.4飞轮储能器开发实例本田汽车公司开发的FWB结构示意图

真空室压力随时间的变化2.6.5飞轮储能器面临的问题及对策飞轮储能器目前面临两大问题。车辆转弯或产生颠簸偏离直线行驶时，飞轮将会产生陀螺力矩，陀螺力矩将严重影响车辆的操纵性能；若飞轮出现故障，存储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出来，对车辆会产生巨大破坏。比如，若1kW·h的飞轮失效，在1~5s内将产生720~3600kW的功率输出，因此故障抑制一直是超高速飞轮用于电动汽车面临的巨大障碍。对策：使用多个连接成组的小型飞轮：一半以顺时针旋转，另一半以逆时针旋转，使总陀螺力矩为零。但飞轮的分布排列以及协调工作还存在许多问题，也面临可能出现的比能量和比功率减小的问题。第十五届北京科技博览会上英利集团展出的自主研发的1kwh磁悬浮储能飞轮；2.6.6飞轮储能器的开发状况国内飞轮储能技术研究华北电力大学(电能质量)北京航空航天大学(IPACS)北京航空航天大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等机构还开展了飞轮储能电源的航天应用研究。其中北航房建成教授带领的团队所完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目，获得了2007年度国家技术发明一等奖。武汉理工大学(电动车)海军工程大学(电磁弹射)东南大学浙江大学落后10-20年2.7超级电容器电容器即“储存电荷的容器”，实际上，任何彼此绝缘又相隔很近的导体，都可以看成是一个电容器，贮藏电量和能量，而两个导体称为电容的两极。超级电容器（supercapacitor）又叫电化学电容器（ElectrochemicalCapacitor）、双电层电容器(ElectricalDoule-LayerCapacitor)、黄金电容、法拉电容等。是一种新型的电容器，它的出现使得电容器极限容量骤然上升了3-4个数量级，达到了103F/g级以上的大容量。2.7.1超级电容的特点及其在电动汽车上的作用超级电容器的开发情况：各工业发达国家都给予了高度重视，成为战略研究和开发重点。1996年欧共体制定了电动汽车超级电容器的发展计划（DevelopmentofSuper-capacitorforElectricvehicle）；美国能源部（包括美国军方）也制定了相应研究计划，开发目标是比功率1500W/kg，循环使用寿命10000次以上。二、超级电容的组成及原理

超级电容的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。超级电容器的充放电过程是一种物理反应，电池内部的隔板是储能能力的关键。超级电容器工作时，电池负极的电子通过用电器流动向正极，释放能量，充电时则反之电极——采用碳金属纤维复合物或在碳纤维布料上涂导电聚合物以及在金属箔上包裹金属氧化物电解液——有机溶液或固态聚合物，如氰化甲烷（acetonitrile），碳酸丙烯（propylenecarbonate）等。在电极之间，装有电解液和绝缘层。电荷沿集电极和电解液成对排列，形成一个双层电容器，扩大了电容器的容量。C=εA/dE=CU2/2式中ε-有效电介质常数；d-间隙距离；A-电极表面积；C-电容器的电容量；U-外加电压；E-储存的电量2.7.3超级电容的性能指标2.8蓄电池充电原理与充电器2.8.1充电方法与充电过程1.充电方法(1)定流充电定流充电是指充电过程中使充电电流保持不变的充电方法。

（通过调整电压，保证电流不变）优点：充电电流可任意选择，有益于延长蓄电池寿命。缺点：充电时间长，且需要经常调整充电电流。定流充电的四种方法：涓流充电、最小电流充电、标准充电、高速率充电2.定压充电(1)定义：在充电过程中，充电电压恒定不变。是蓄电池在汽车上由发电机对其充电的方法。恒压充电特性曲线见图(2)优点1)充电时间短，开始充电4—5h内可获充90-95%的电量。2)充电过程无需调节电压，较适合补充充电。3）操作方便充电电流会随着电动势的上升而逐渐减小到零，使充电自动停止，不必人工调整和照管。(3)缺点1)充电电流无法调整，不能保证蓄电池彻底充足电，不适于初充电和去硫化充电。2)初期充电电流大，温升快，极板易弯曲，活性物质易脱落，影响寿命。3．脉冲快速充电(1)极化概念：充电后期化学反应中，蓄电池两极间电位差会高于两极活性物质的平衡电位(每单格2.1V)，这种现象称为极化。(2)极化的影响：阻碍了蓄电池充电过程化学反应的正常进行，是造成充电效率低及充电时间长的主要因素。(3)极化种类：欧姆极化、浓差极化、电化学极化等。(4)解决方法：采用脉冲充电法。脉冲充电：指充电过程中充电电流、电压不断变化的充电方法2.电流的充电过程理想的充电器的实际充电过程应分为预充电、快速充电、补足充电、涓流充电四个阶段。(1)快速充电的理论基础蓄电池充电可接受电流定律——1967年美国的麦斯(J.A.Mas)提出I=I0e-at式中，I表示在充电过程中某一时刻t蓄电池的充电可接受电流；I0表示开始充电时蓄电池的充电可接受电流；a表示充电可接受电流衰减常数。3．脉冲快速充电法2)脉冲快速充电法以脉冲大电流充电来实现快速充电的方法。①大电流恒流充电IC=（0.8～1）C20，短时间内充至额定容量的60%，单池电压升至2.4V（铅酸电池）；②电液冒气泡时，停充25ms左右；③反向脉冲充电，IC=（1.5～3.0）C20

t=150～1500us，消除孔隙中的气泡④后停充25ms，再用正向脉冲进行充电，如此循环，直至充足电。

优点：

1)时间短：初充电≤5h、补充1—1.5h；

2)分解析气量小，污染小，效率高

缺点：充不足电，对电瓶寿命有影响3）快速充电终止控制方法

采用快速充电法时，充电电流为常规充电电流的几十倍。充足电后，如果不及时停止快速充电，电池的温度和内部压力将迅速上升。内部压力过大时，密封电池将打开放气孔，从而使电解液逸散，造成电解液的粘稠性增大，电池的内阻增大，容量下降。(a)定时控制采用1.25C充电速率时，电池1h可充足；采用2.5C充电速率时，30min可充足。因此，根据电池的容量和充电电流，很容易确定所需的充电时间。这种控制方法最简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才允许采用这种方法。(b)电压控制最高电压（Vmax）从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是：电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。电压负增量（－ΔV）由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已充足电。这种控制方法的缺点是：电池电压出现负增量后，电池已经过充电，因此电池的温度较高。此外镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间，才出现负增量，过充电较严重。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。电压零增量（0