电动汽车动力电池及电源管理第六章用于电动汽车的其他动力源

目录,【引入】,除铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池之外，还有多种动力电池因其在能量密度、功率密度、使用寿命或安全性等一个或几个方面的优良特性，而在某些电动车辆上有所应用，或将成为未来应用的热点和重点。,本章学习目标,1.掌握锌空气电池原理与应用； 2.掌握飞轮电池原理与应用； 3.掌握超级电容的结构原理与应用； 4.掌握燃料电池的结构原理与应用。,1.锌空气电池的结构原理与应用,2.超高速飞轮的结构原理与应用,3.超级电容器的结构原理与应用,4.燃料电池的结构原理与应用,1.锌空气电池的结构原理与应用,学习目的,锌空气电池原理,锌空气电池主要由空气电极、电解液和锌阳极构成。 以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌作为负极活性物质，多孔活性炭作为正极，铂或其他材料作为催化剂，使用碱性电解质。,氧气经多孔电极扩散层扩散到达催化层，在催化剂微团表面的三相界面处与水发生反应，吸收电子，生成OH-，阳极的锌与电解液中的OH-发生电化学反应，生成ZnO和H2O，并释放出电子，电子被集电层收集起来，在外电路中产生电流。,电池工作的化学反应式如下 负极反应式： 正极反应式： 总电池反应式:,金属Zn资源丰富、价格低廉，被广泛地运用于作为电池的负极材料。锌电极在碱性水溶液中容易发生自放电，充放电循环过程中还容易发生电极变形和枝晶问题。锌空气电池的容量取决于锌电极，由于充电时锌负极容易出现锌枝晶的变形和下沉问题，影响电极的循环性能，因此，在二次可充电锌空气电池中采用具有良好性能的三维网络状骨架结构，孔隙率高且微孔分布均匀，可提高电极的真实微观表面积，有效降低其真实电流密度，使得电解液扩散容易，电极极化减缓，放电性能提高，比较适合高倍率放电的要求。,锌空气电池的分类,锌空气电池根据其充电的方式，以及在电动车辆及其他领域上应用的特点可分为三类：直接再充式锌空气电池、机械充电式锌空气电池以及注入式锌空气电池。,直接再充式锌空气电池,直接对锌空气电池的锌电极充电，锌在碱性溶液中的电化学活性很大，同时热力学性质不稳定，充电产物锌酸盐在强碱溶液中的溶解度较高，容易出现电极变形、枝晶生长、自腐蚀及钝化等现象，从而导致电极逐渐失效。另外，空气电极可逆性差，在大气环境中电解液容易碳酸化，且电解液受空气湿度的影响较大。当空气相对湿度较低时，电池将损失水分，导致电解液不足电池失效；当空气相对湿度较高时，电解液变稀，导电率降低，还有可能淹没气体电极的催化层，降低电极活性，从而导致电池失效。因此，直接再充式锌空气电池的应用受到了一定的限制。,机械充电式锌空气电池,机械式充电是指在电池完全放电后，将电池中用过的锌电极取出，换入新的锌电极，或者将整个电池组进行完全更换，整个过程控制在较短的时间内(35min)。使用过的锌电极或锌空气电池可在专门锌回收利用厂进行回收再加工，实现绿色环保无污染生产。 以以色列研制的该类电池为例： 锌空气电池比能量达到180220W·hkg，在80%放电深度时峰值比功率可达100 wh。采用的电池模块由22块单体电池组成，容量和能量分别达到：250Ah和625 kWh。整个电池组由24个模块组成，总能量为150kWh，质量约800kg。,机械更换电极或电池后锌电极的再生,该电池组更换一次锌电极可以使得车辆续驶里程超过300km，已成功应用于德国邮政车辆。锌电极更换和再利用工作由专门的充电站来完成。,注入式锌空气电池,注入式锌空气电池的基本原理与机械充电式锌空气电池相似，本质上都是采用更换锌极活性物质。该种电池是将配制好的锌膏源源不断地通过挤压或压力输送送入电池内，同时将反应完毕的混合物抽取到电池外，这样在电动车辆上应用时，电池系统只需携带盛放锌膏的燃料罐，燃料罐加注足够的锌膏燃料就可实现车辆的连续行驶。,锌空气电池的应用,1995年以色列电燃料（Electric Fuel）有限公司首次将锌空气电池用于载重1000kg、总重3500kg的电动邮车上，使得锌空气电池进入了实用化阶段。实验结果为： 比能量达到207Wh/kg 350kg的锌空气电池使电动邮车行驶了300km 最高车速可达120km/h 由静止加速到80km/h为12s 更换锌粒匣和灌满电解质的时间为2min 以色列设有每小时能处理10kg锌的再生处理厂，可以供给1015辆电动邮车更换锌粒匣服务。,美、德、瑞典等都在EV上积极推广锌空气电池。 美国Dreisback Electromotive公司开发的锌空气电池，已在公共汽车和总重9t的货车上使用，公共汽车可连续行驶10h左右，货车最大续驶里程达113km。 德国奔驰汽车公司的MB410型电动厢式车采用150kWh的锌空气电池，从法国的Chambery城越过阿尔卑斯山，连续爬坡150km，公路全程244km，到达意大利的都灵，仅消耗了65%的电量（97.5kWh）。该车从德国的不莱梅到波恩，最高车速达到120 km/h，一次充电后走完全程425km的路程。 瑞典斯德哥尔摩市的电动货车、客车和服务车辆上的锌空气电池比能量180Wh/kg，比功率100Wh/L，续驶里程350425km之间。该市的锌空气电池废料回收处理能力为250kg/h，可为150辆EV提供再生的锌粒。,锌空气电池的应用,国内部分厂家已经在注入式锌空气电池方面开展了多年的研究工作，并且在部分电动车辆上进行了实验性装车测试。2010年，北京市安排5辆电动大客车和环卫车进行运行测试，另安排50辆电动大客车和环卫车电池，在北京市政府指定的线路进行路试，投入市公交和环卫系统的试验运行，为市场化运作提供可靠的依据。,图片小贴士,国内锌空气电池应用现状,锌空气电池的优点,(1)容量大：空气电极的活性物质氧气来自周围的空气，材料不占用电池空间，在相同体积、重量的情况下，锌空气电池就储存了更多的反应原料，因而容量就会高出很多。 (2)能量密度高：理论可达1350W·h/kg，目前已研制成功的锌空气电池比能量已经可以达到200W·hkg以上，是铅酸电池的5倍。 (3)价格低廉：阴极活性物质氧气来自空气，除了空气催化电极之外，不需要任何高成本组件；阳极活性物质锌来源充足，资源丰富，价格便宜，并且锌可回收利用，价格可进一步降低。,锌空气电池的优点,(4)储存寿命好:锌空气电池在储存过程中均采用密封措施，将电池的空气孔与外界隔绝，因而电池的容量损失极小，储存寿命好。 (5)锌可以回收利用、制造成本低:锌来源丰富，生产成本较低、回收再生方便且再生成本较低。 (6)绿色环保:锌空气金属燃料电池负极物质放电完毕后变成氧化锌，可通过电解还原成锌。在使用完毕后，正负极物质容易分离，便于集中回收，对于某些不便回收的场合，由于锌空气金属燃料电池内无有害物质即使抛弃也不会造成环境污染。,锌空气电池的应用中存在的问题,1)防止电解液中水分的蒸发或电解液的吸潮。 2)避免锌电极的直接氧化。 3)防止锌枝晶的生长。 4)提高空气电极催化剂活性。 5)控制电解液的碳酸化。 6)解决电池的发热和温升问题。,2.超高速飞轮的结构原理与应用,学习目的,超高速飞轮的构造和原理,超高速飞轮电池储能是基于飞轮以一定角速度旋转时，可以存储动能的基本原理 飞轮作为储能的核心部件，储能量E用下式计算: 式中j 飞轮的转动惯量与飞轮的形状和重量有关； 飞轮转动的角速度。,充电时，飞轮电池中的电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电动机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”，增加了飞轮的转速； 放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。 飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速可达200000rmin,飞轮电池技术主要涉及复合材料科学、电力电子技术、磁悬浮技术、超真空技术、微电子控制系统等学科，具有明显的多学科交叉和集成特点。飞轮电池主要由以下几部分组成：复合材料飞轮、集成的发电机/电动机、支撑轴承、电力电子及其控制系统、真空腔、辅助轴承和事故屏蔽容器。,典型的飞轮储能电池结构,飞轮电池的特性,1)能量密度高。储能密度可达100200W·hkg，功率密度可达500010000Wkg。 2)能量转换效率高。工作效率高达90%。 3)工作温度范围宽。对环境温度没有严格要求。 4)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，预期使用寿命20年以上。 5)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。,飞轮电池的应用情况,(1)交通运输。飞轮电池充电快，放电完全，非常适合车辆应用。现在由于成本和小型化的问题，仅在部分电动汽车和火车上有示范性应用，并且主要是混合动力电动车辆，车辆在正常行驶或制动时，给飞轮电池充电，在加速或爬坡时，飞轮电池则给车辆提供动力，保证发动机在最优状态下运转。,飞轮电池的应用情况,(2)航空航天。航空航天方面包括在人造卫星、飞船、空间站上的应用等。飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的3l0倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看剩余电能。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150kW的电能。 (3)不间断电源。飞轮电池作为稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足以保证工厂进行电源切换。德国GmbH公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内可提供或吸收5MW的电能。,飞轮电池在电动汽车上的应用案例,20世纪80年代初，瑞士Oerlikon Energy公司研制成功了完全由飞轮电池供能的电动公交客车，飞轮直径163m，重15t，可载乘客70名，在行驶过程中，需要在每个车站(站间距约800m)停车充电2min。,1987年，德国开发了飞轮电池混合动力汽车，利用飞轮电池吸收90%的制动能量，并在需要短时加速等工况下输出电能补充内燃机功率的不足。,1992年，美国飞轮系统公司(AFS)采用纤维复合材料制造飞轮，并开发了飞轮电池电动汽车，该车一次充电续驶里程达到600km。,保时捷911 GT3采用机电飞轮代替蓄电池为能源。该系统包括一台连接有电动机/发电机的电动飞轮。飞轮最高转速高达40,000转。,沃尔沃在赛车上应用的动能回收系统（Kinetic Energy Recovery Systems，简称 KERS）采用的就是机械飞轮储能结构，储存来自车身的动能并储存在由一块重量6kg，直径20cm的碳纤维组成飞轮模块中，需要释放时，其通过CVT变速模块将能量传递至后桥直接驱动车轮。根据官方测试的结果表明，使用了该技术的四缸涡轮增压发动机可以达到6缸涡轮增压发动机的水平，同时相比六缸涡轮增压发动机减少25%的油耗。,沃尔沃飞轮电池系统,沃尔沃飞轮电池系统,3.超级电容器的结构原理与应用,学习目的,超级电容器工作原理,电容器是由两个彼此绝缘的平板形金属电容板组成，在两块电容板之间用绝缘材料隔开。电容器极板上所储集的电量q与电压成正比。电容的计量单位为“法拉”(F)。当电容器充上1V电压，如果极板上存储1F电荷量，则该电容器的电容量就是1F。 式中电介质的介电常数(Fm)； A电极表面积(m2)； d电容器间隙的距离(m)。,电容器的容量只取决于电容板的面积，与面积的大小成正比，而与电容板的厚度无关。另外，电容器的电容量还与电容板间的间隙大小成反比，当电容元件充电时，电容元件上的电压增高，电场能量增大，电容器从电源上获得电能，电容器存储的能量E为,当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产q的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同向之间的接触面上，以正负电极之间极短间隙排列在相反的位置上，此电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。,超级电容器原理示意图,超级电容器分类,1.按工作原理