三动力蓄电池及储能装置.ppt

第三章 动力蓄电池及储能装置,,按反应原理分为三大类：,,碱性电池以氢氧化钾水为电解液，如碱性锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池等；,按电池的电解液种类分为四大类,酸性电池主要以硫酸水溶液为介质，如铅酸蓄电池；,中性电池以盐溶液为介质，如锌锰干电池；,有机电解液电池以有机溶液为介质，如锂电池、锂离子电池等一、电能储存装置的种类,,锌系列有锌锰电池、锌银电池等；,按电池的正负极材料分为六大类,按电池特征功能分为四大类,镍系列有镍镉电池、镍氢电池等；,锂系列有锂离子电池、锂锰电池、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池；,二氧化锰系列有锌锰电池、碱锰电池等；,空气(氧气)系列有锌空气电池、铝空气电池等一次电池为不可充电的原电池，若电解质不流动则称干电池；,二次电池为可充电的蓄电池，是目前电动汽车所用的主要动力电池；,铅系列电池有铅酸电池等；,燃料电池又称“连续电池”，将活性物质不断注入能连续放电的电池；,电动汽车的电能储存装置主要有：二次电池、超级电容器、飞轮电池、太阳能电池和车载发电装置等1． 二次电池(Secondary Battery)——又叫可充电电池(Rechargeable Battery)现代电动汽车最常用的二次电池有铅酸蓄电池(Lead-acid)、镍-氢(Ni-MH)电池、锂离子(Lithium-ionization)电池、镍-金属氢化物(Ni-MH)电池和铁电池等五类；蓄电池(Storage Battery)习惯上指铅酸蓄电池，也属于二次电池。

2．超级电容器（Super Capacitor）——又叫电化学电容器 它是一种新型的、双电层电容器，与常见的物理电容器不同其特点是电容量大，比物理电容器的极限容量高3-4个数量级，达到了103F/g以上3．飞轮电池FWB(FlyWheel Battery)——亦称飞轮储能器、高速或超高速飞轮储能器 它是利用飞轮高速旋转储存和释放电能的一种装置这种电能储存装置目前应用得较少，但其应用前景仍然被不少研究和开发人员看好一、电能储存装置的种类,电动汽车的电能储存装置主要有：二次电池、超级电容器、飞轮电池、太阳能电池和车载发电装置等4． 太阳能电池 (solar cell）——将太阳辐射直接转换成电能的器件（本课程不讲授）它是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段 5．车载发电装置车载发电装置主要有风力发电、质子交换膜发电等一、电能储存装置的种类,二、电能储存装置的主要性能指标,对于EV，其电能储存装置应具有尽可能高的比能量，以保证汽车的续驶里程; 对于HEV，其电能储存装置则应具有尽可能高的比功率，以保证汽车的动力性。

几种二次电池的比能量和比功率比较,铁电池——主要用于高放电需求的产品，拥有比碱性电池长7倍以上的使用寿命，而且自放电低、储藏寿命长达15年，可大幅减少电池丢弃数量此外，由于采用高能金属元素锂和全自然的硫化铁元素，铅、汞含量为零，所以它又被认为是一款真正的绿色环保电池有高铁和锂铁两种，高铁电池以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等）为正极材料铁电池,常用二次电池的的性能比较,超级电容在寿命、比功率和充、放电效率方面具有明显优势；锂离子电池则在比能量和比功率方面具有极强的竞争力；铅酸蓄电池各种指标均处于中等水平但其突出优点是成本低、可靠性高注：从优到差的顺序为◎→○→△→×,1．基本术语充电/放电：外部电源输入直流电能转换为化学能贮存的过程/将化学能以电能释放而向外电路输送电流；放电容量：电池在标准规定条件下的放电电量或有效工作时间；短路电流：电池短路后一瞬间流过的电流，可达额定电流的数十倍放电率：放电率指放电时的速率，常用“时率”和“倍率”表示 “时率”指以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数，“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，数值上等于额定容量的倍数。

“时率”和“倍率”在数值上互为倒数荷电状态SOC:使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示放电深度DOD: 指当前放电状态，DOD=1-SOC活性物质：电池放电时，能进行氧化或还原反应而产生电能的电极材料；充电率：充电时的速率，也用时率和倍率表示；恒压充电/恒流充电：保持充电器端电压不变/充电电流保持不变；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充电效率：指充入电池的电能与所消耗总电能的百分比三、二次电池的基本概念,2. 主要性能指标 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被称作开路电压开路电压下降很快或低于公称电压值时则是不正常的；内阻：内阻包括欧姆内阻和极化电阻两部分极化电阻是电极反应形成的，与电极反应的本质及电池材料有关；工作电压：受放电制度的影响很大放电制度是指电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电方式（连续的还是间断的）、放电电流、放电时间、终止电压、放电电阻、放电环境温度的高低等。

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在低温或大电流放电时，电极极化大，活性物质不能得到充分利用，电池电压下降较快，因而终止电压低放电曲线：电池工作电压随放电时间的变化曲线下图为6 Ah的 Li离子电池在不同放电率下的放电曲线可以看出，放电电流越大(时率越小)，终止电压越低容量(Ah)：在一定放电制度下，电池给出的电量或有效工作时间可分为理论容量、实际容量、额定容量和标称容量等.理论容量：根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值，一般用质量容量(Ah／kg)或体积容量(Ah／L)来表示;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，达不到此值时，可认为该电池不合格;标称容量(公称容量)：用来鉴别电池适当的近似安时值，由于是在没有指定的放电条件，因此，只标明电池的容量范围而没有确切值； 能量(kW·h)：在一定的放电条件下，电池对外做功时所能输出的电能；功率(kW)：在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量电池的功率决定电动汽车的加速性能和最高车速等;成本： 电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关;寿命：指使用时间的长短或充、放电循环次数，单位为年、小时或循环次数。

何时用容量来衡量？什么情况下用能量表示？,思考,,蓄电池的放电方式,1）工况放电模拟实际运行时负荷的相应负载放电；2）倍率放电蓄电池以额定电流倍数值进行的放电；3）深度放电50％或更大容量被释放的程度；4）恒流放电以受控的恒定电流进行放电；5）恒功率放电以受控的恒定功率进行放电充电效率：指充入电池的电能与所消耗总电能的百分比2）恒压充电 保持充电器端电压不变的充电法；,3）涓流充电 为补充自放电以保持完全充电状态的小电流充电；,1）恒流充电 充电电流保持不变的充电法；,蓄电池的充电方式,要求：以高比功率提高加速、爬坡性能；高比能量延长续驶里程；并有寿命长、安全可靠、免维护、成本低、效率高、污染小、使用温度宽以及制作电池的原材料丰富等各类动力储能装置的性能比较,3. 性能比较,电池能量密度和比能量的变化,汽车的续驶里程、车速等与蓄电池的放电电流、放电端电压、效率、输出功率等密切相关 放电特性通常可表示为: U0＝Ub+Ib Ri式中： U0－蓄电池的开路端电压(V)； Ub－蓄电池放电时的端电压(V)；Ib－蓄电池的放电电流(A)；Ri—蓄电池的内阻(Ω). 输出功率 Pb＝Ib Ub＝Ib (U0-Ib Ri ) 效率: ηb＝(Ib Ub)／(Ib U0 )＝(U0-Ib Ri) ／U0＝1-(Ib Ri) ／U0 蓄电池能输出的最大功率为: Pbmax＝U02／(4 Ri) 输出最大功率时的放电电流为: Ibmax＝U0／(2 Ri),电流、功率和效率的关系,放电电流Ib 与输出功率 Pb、蓄电池的开路端电压U0和放电时的端电压Ub 之间的关系如下图所示。

初步确定蓄电池的单电池数量假设某HEV需要的最大电功率为30kW，单节电池的开路端电压U0=2 V，蓄电池的内阻Ri=0.015Ω试计算所需电池数量则单节蓄电池能输出的最大功率Pbmax =2×2／(4×0.015)=66.66W，所需蓄电池的单电池节数n=30000/66.66=450节四、 蓄电池充电原理与充电器,充电方法与充电过程 1. 充电方法 蓄电池的充电可分为恒(定)流充电、恒(定)压充电和脉冲快速充电三种不同的充电方法1)恒流充电——充电过程中使充电电流保持不变的充电方法优点：适应性好、容易将蓄电池完全充足，并有益于延长寿命缺点：充电过程中需根据逐渐升高的蓄电池电动势调节充电电压，以保持充电电流不变，充电时间也较长涓流充电：恰好能抵消电池自放电的一种充电方法，该充电速率对满充电的电池长期充电有利；最小电流充电：能使深度放电的电池有效恢复电池容量的前提下，把充电电流尽可能地调整到最小的方法；标准充电：采用标准速率充电，充电时间为一定值；高速率充电：在3h内就能充满电的方法，需要自动控制保护电路2)恒压充电——充电过程中保持充电电压不变的充电方法 充电电流随蓄电池电动势的升高而逐渐减小。

充电电压过高会造成充电初期充电电流过大和过充电，如果电压过低则会使蓄电池充电不足优点：充电时间短、充电过程无需调节电压，较适合于补充充电；缺点：不易完全充足，充电初期大电流充电对极板会有不利的影响3)脉冲充电——充电过程中电流、电压不断变化的充电方法通常，先用脉冲电流对电池充电，然后让电池短时间、大脉冲放电，在整个充电过程中使电池反复充、放电，达到快速充电的目的2. 充电过程 理想的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 前240s为预充电；其后为快速充电，电流一般在l C以上，快速充电时间由电池容量和充电速率决定；快速充电结束时电池并未充足，为了保证电池充入100％的电量，还应增加补足充电过程；补足充电的速率为0.2C左右，在补足充电过程中，当电池温度上升到超过55℃时，应使充电器自动转入涓流充电过程安装了控制器的智能充电器的充电过程,3．脉冲快速充电小电流充电，电池内产生的热量能够自然散去，温度不致过高，且不会产生过多的气体，但充电时间太长，无法满足HEV的使用要求1)快速充电的理论基础快速充电需要研究和解决的关键问题是蓄电池充电可接受电流和充电极化问题。

充电接受能力是指在电解液只产生微量分解析气的前提下所能够接受的最大充电电流：I=I0e-at 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 在充电的任一时间t，只要充电电流大于当时的可接受电流，就会出现“过充电”的现象缩短充电时间的有效方法是使充电电流尽可能接近可接受电流2)脉冲快速充电法原理：利用蓄电池充电初期可以接受大电流的特点，在充电初期，采用大电流(铅酸电池时：0.8～1C20)对蓄电池进行定流充电，使蓄电池在短时间内达到60％左右的容量；当单格电池电压达到2.4V(铅酸电池)，电解液开始冒气泡时，则通过脉冲充电方法消除极化第一步：用0.8～1C20电流对蓄电池进行定流充电；第二步：停止充电25ms左右，使欧姆极化消失，依靠扩散作用，使浓差极化部分消失；第三步：放电，放电的脉宽一般为150～1500μs，最大幅度为1.5～3倍的充电电流(反向电流)，以消除电化学极化的电荷积累和极板孔隙中形成的气体；第四步：停止充电25ms优点：能够缩短充电时间(初充电不超过5h，补充充电只需0.5～1.5h)，分解析气量小，污染小，效率高。

缺点：不能将蓄电池完全充足，且对蓄电池的寿命有不利的影响。