电动汽车动力电池及电源管理第三章铅酸动力电池及其应用

目录,【引入】,铅酸电池的发明距今已有50年，由于其可靠性好，成本低、瞬间输出功率大、使用安全、维修方便，在当前所有化学电源中，铅酸电池的生产规模最大，单就起动蓄电池而言，全世界年产量达10亿只之多，每年生产铅酸电池消耗的铅质量约200万吨，占全年全球铅总产量的一半以上。作为发展历史最悠久的动力电池，铅酸电池技术成熟、性能可靠、成本低廉、维护方便，在储能电源、起动电源、车载电源等领域仍然应用广泛。本部分将重点介绍铅酸电池的基本工作原理、充放电特性及其影响因素以及板栅合金、电解液、隔板等内部功能部件的结构特点。,本章学习目标,1.了解铅酸蓄电池的特点 2.了解阀控密封铅酸蓄电池的优点 3.熟悉蓄电池的充、放电的原理及蓄电池的结构 4.了解铅酸蓄电池的性能 5.了解铅酸蓄电池的应用 6.熟悉铅酸蓄电池的回收,1.铅酸动力电池的储能原理与结构,2.铅酸动力电池的性能及检测,3.铅酸动力电池的应用,1.铅酸动力电池的储能原理与结构,学习目的,铅酸蓄电池的类型,根据铅酸电池的作用可将其分为三种类型： 起动式铅酸蓄电池（Starter batteries)。 牵引式铅酸蓄电池(Traction batteries)。 固定式铅酸蓄电池(Stationary batteries)。,起动式铅酸蓄电池由于不能深度充放电，不能用于电动汽车的主电源，一般仅作为低压辅助电源使用； 固定式铅酸蓄电池虽然容量可以做到很大，但是比能量较低，体积和质量很大，不适合车用，一般仅用于不间断电源等位置相对固定的场合。 牵引式铅酸蓄电池容量相对较大，可深度充放电，比能量较高，可用于电动汽车主动力电源。,随着铅酸蓄电池技术的不断发展，目前牵引式铅酸动力电池已有很多种类型，如开口式铅酸蓄电池、阀控密封铅酸蓄电池VRLA、胶体蓄电池、双极性密封铅酸蓄电池、水平式密封铅酸蓄电池、卷绕式圆柱形铅酸蓄电池、超级蓄电池等。,铅酸蓄电池作为电动汽车的动力源，虽有许多不足，但由于其技术成熟，可大电流放电，适用温度范围宽和无记忆效应等性能上的优点，以及原材料的易于获取和远低于镍氢和锂离子等高能电池应目前仍然是在电动汽车中切实可行的动力电池。电动车辆上应用的铅酸电池主要是阀控式密封铅酸电池(VRLA)。,铅酸电池的储能原理,铅酸电池的放电时的电化学反应被称为双硫化反应，正极成流反应为 负极成流反应为 电池总反应,在充电时，铅酸电池内部发生如下反应 正极： 负极：,在充电过程中，可以根据两种反应的激烈程度将充电分为三个阶段：高效阶段、混合阶段和气体析出阶段。 1)高效阶段。 高效阶段的主要反应是PbSO4转换成为Pb和PbO2，充电接受率约为100%。充电接受率是转化为电化学储备的电能与来自充电机输出端电能之比。这一阶段在电池电压达到2.39V单元(取决于温度和充电率)时结束。 2)混合阶段。 水的电解反应与主反应同时发生，充电接受率逐渐下降。当电池电压和酸液的浓度不再上升时，电池单元被认为是充满了。 3)气体析出阶段。 电池已完满，电池中进行水的电解和自放电反应。由于在密封的阀控免维护铅酸电池中，具有氧循环的设计，即正极板上析出的氧在负极板上被还原重新生成水而消失，因此析气量很小，不需要补充水。,图3-1铅酸电池反应原理,铅酸电池的结构,正负极板是蓄电池的核心部件，是蓄电池的“心脏”，分为正极和负极。正极活性物质主要成分为二氧化铅，负极活性物质主要成分为铅。,隔板是由微孔橡胶、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，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，在电解液中电阻小，具有化学稳定性。,电解液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，他的作用是闯到电流和参加电化学反应。电解液的纯度和密度对将电池容量和寿命有重要影响。,电池壳、盖是安装正、负极板和电解液的容器，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，底部有凸起的肋条以搁置极板组。 排气栓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。同时可以将充电时电池内产生的气体排出电池，避免电池产生危险。 除上述部件外，铅酸电池单体内还有链条、极柱、液面指示器等零部件。,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接条(汇流排)焊接在一起，共同组成电池(Battery)。传统内燃机汽车用的12V铅酸起动电池就是6个独立的铅酸电池单体组成的。,图3-2阀控密封铅酸蓄电池构造与原理,【课堂活动】 阀控密封铅酸蓄电池的优缺点剖析,活动目的：探索阀控式密封铅酸电池是否具有无酸雾逸出、无需定期补水、自放电小、浮充寿命长等优点，巩固铅酸蓄电池结构与原理知识 所需材料：阀控铅酸蓄电池结构与原理挂图、纸笔等 活动方式：小组讨论 活动过程：认真分析阀控密封铅酸蓄电池的结构与工作原理，探索阀控密封铅酸蓄电池的优缺点。,2.铅酸动力电池的性能及检测,学习目的,铅酸蓄电池的性能,1.充电特性 恒流限压法作为铅酸电池最为常用的充电方法，无论是对于铅酸电池单体还是铅酸电池构成的电池组，在工程实践中应用最多。,图3-3电池组中单电池充电曲线,图3-4电压变化曲线,2.放电特性 在大部分放电过程中，电池端电压是稳定下降的 放电末期，电池端电压急剧下降，此时应停止放电，否则会造成电池的过度放电。 过放电会致使电池内部大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极表面，造成电池阴极“硫酸盐化”。,3.自放电性能 1)正极自放电正极自放电是由于在放置期间，正极活性物质发生分解，形成硫酸铅并伴随着氧气析出 总反应： 如果正极板栅中含有锑或银，产生局部自放电：,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形成了浓差电池。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，由此引起的自放电也就停止了。 可变价态的盐类可使正极和负极的自放电连续进行，一定要防止电解液中其他盐类杂质的存在。,2)负极自放电蓄电池在开路状态下，铅的溶解导致容量损失，与铅溶解的共轭反应通常是溶液中H+的还原过程，即 该过程的速度与硫酸的浓度、储存温度、所含杂质和膨胀剂的类型有关。 溶解于硫酸中的氧也可以发生铅自溶的共轭反应，即,温度对铅酸电池性能的影响,电池热效应可以分为两部分。 焦耳热：为克服电池极化和欧姆内阻而产生的电压降，损失的电能将全部转化为热量。 反应热：根据热力学第二定律的放热或吸热。 由于有焦耳热存在，在放电时电解液温度并不会真正降低，并且随放电过程的进行，电池内阻增加，电池温度会逐步增加；充电时两种热效应叠加，电池温度也会升高。,图3-6 85A·h铅酸电池在不同温度下以0.3放电的放电曲线,放电深度对性能的影响,铅酸电池在不同放电深度下，电池充电接受能力具有很大的差别。这种差别直接反映为充电过程中恒流充电时间的变化。,图3-7 85A·h铅酸电池在不同放电深度下电流充电时间曲线,在电池不同的放电深度反映电池使用性能的参数主要有电池放电功率和内阻两项，分别代表电池的输出能力和自身能量消耗情况。,图3-8不同放电深度铅酸电池性能参数的变化,3.铅酸动力电池的应用,学习目的,铅酸电池的应用,铅酸电池发明100多年来，广泛应用于人类生产和生活的各个方面。作为起动、点火、照明电池，主要用于汽车、摩托车、内燃机车和电力机车；作为工业用铅酸蓄电池，主要用于邮电、通信、发电厂和变电所开关控制设备以及计算机备用电源等；阀控密封式铅酸蓄电池可用于应急灯、UPS、电信、广电、铁路和航标等；作为动力电池，主要用于电动汽车、高尔夫车、电动叉车等。,铅酸动力电池应用实例,1.电动自行车 电动自行车应用VRLA电池在我国已经有十多年了，电池的制造技术和产品质量都有了巨大的提高。,表3-5 中国电动自行车产量,表3-6 电动自行车电池需求量,2.电动牵引车 电动牵引车是制造工厂、物流中心等搬运产品的常用运输工具，主要采用富液管式铅酸蓄电池或胶体VRLA电池作为动力电源，具有无污染、无噪声的优点，尤其是在需要举升重物时，铅酸动力电池还可以起到配重的作用。,3.低速纯电动车 在二三线城市和农村地区，主要采用阀控密封铅酸蓄电池为动力电源的低速纯电动汽车以其购车成本和使用成本低、环保低噪、驾驶技术要求低、安全等优点得到人们的欢迎，在我国许多省份，如山东、广东、河南等地有许多低速电动车企业受益于这种需求快速发展起来。,4.纯电动乘用车 总部设在美国的先进铅酸电池联合会（AL-ABC）一直致力于铅酸蓄电池在EV和HEV上的应用研究，并取得突破性进展。,采用铅酸动力电池作为电源的纯电动乘用车的典型代表是风靡一时的美国通用汽车公司（GM）的纯电动汽车EV-1，该车在1997年推出，到1999年共制造1117辆。当时的EV-1的时速为100km/h，一次充电的续驶里程为193km，电池重量500kg，售价为33995美元。1999年还推出了第二代EV-1，但由于种种原因，到2004年GM公司终止了EV-1计划。,铅酸电池的回收,随着社会各界对环境问题的重视，铅酸电池中的硫酸以及铅、锑、砷、镍等重金属会对环境产生污染成为限制其发展和应用的一个重要因素。如铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统和肝、肾等器官，能抑制血红蛋白的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴、幼儿的毒害很大，它将导致儿童身体发育迟缓，慢性铅中毒的儿童智力低下。,在铅酸电池回收方面已经形成了完善的工艺，常用的有火法冶金、湿法冶炼、固相电解还原等方法。现在在铅酸电池处理中的核心问题是铅酸电池的回收网络问题，需要建立从用户到回收厂的物流体系，使散落在用户的废旧铅酸电池回流到回收厂。,例如，美国East Penn公司投资8000万美元建立了年处理8万t废旧电池的庞大体系，每天要处理将近20个40t集装箱内装载的废旧电池，使之变成合金铅锭、塑料粒子和纯净的硫酸溶液全部可回用到电池中去。该公司废旧电池的回收处理得到了政府的大力支持，政府发文规定在出售新电池的同时务必回收旧电池，在区域内形成庞大的回收网络，以保证源源不断的货源此举不仅变废为宝、治理环境，也为公司本身提供了物美价廉的原材料。,【实训操作】 铅酸电池充放电性能测试,一、实训目标 1.掌握车用电池检测设备的功能、原理和组成； 2.掌握电池充放电性能检测方法。 二、实验设备 1.HT-VCD系列动力电池性能检测装置； 2.单体电池信号采集线缆转接箱； 3.车用铅酸动力电池； 4.车用铅酸动力电池管理系统； 5.快速充电机； 6.万用表、绝缘扳手、绝缘手套等工具及护具若干； 7.上位机电脑。,三、操作步骤及工作要点 1. COM口连接：关闭计算机和设备电源，通讯电缆一端与设备的串行输出口相连，另一端连接一个RS232-RS485的转换接口，然后与计算机的某个串行通讯口相连，若有不止一台设备，通讯电缆采用并接的方式相连，然后再与计算机相连。 2.网线连接：关闭计算机和设备电源，用网线将设备和交换机连接，再接到计算机。,3.通讯调试：打开计算机和设备的电源，进入WINDOWS操作系统，按以下步骤操作： （1）单击开始程序HT-VCD，或者直接在电脑桌面上双击控制软件图标，进入测控软件主界面。,（2）初始设置。单击主要设置初始设置通讯设置，选择好与设备连接的通讯端口或者设置电脑IP。如果是首次安装并第一次运行本程序或重新安装后第一次运行本程序，在操作设备前必须进行初始设置。如果不是这两种情况，可以跳过此步骤。但如果通讯端口改变或