汽车电驱动技术第6章电动汽车的车载能量源系统.ppt

汽车电驱动技术,第六章 电动汽车的车载能量源系统,概述,动力蓄电池技术,1859年法国科学家普兰特发明了世界上第一只可充电电池－铅酸电池； 1889~1901年瑞典的扬格纳和美国的爱迪生先后研制成功镍铁电池和镍镉电池； 20世纪80年代镍氢电池问世； 20世纪90年代锂离子电池出现； 目前，在电动车辆上普遍使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池概述,动力蓄电池技术存在问题,能量密度低：铅酸电池35~40Wh /kg、锂离子电池150Wh/kg、汽油10000~ 12000 Wh/kg; 快速充电接受能力差，充电时间长； 电池价格昂贵：铅酸电池800.00RMB/12*85Ah, 锂离子电池1200.00RMB/3.6* 100Ah; 汽车附件的使用受到限制； 难于兼顾功率密度和能量密度汽油热值=43124kJ/kg,动力电池性能术语,电池的放电制度：电池的放电制度是指放电率、放电形式 (恒流、变流或脉冲)、终止电压和温度终止电压指充放电结束时的电池电压，分为充电终止电压和放电终止电压在研究电池容量时要规定统一的放电电流，常用n小时率表示如果以电流I放电，电池在n小时内放出的电量为额定容量的话，这个放电率称为n小时放电率。

电池的容量: 电池的容量是指充满电的电池在指定的条件下放电到终止电压时输出的电量，单位为A·h 理论容量: 是假定电池中的活性物质全部参加成流反应，根据法拉第定律计算所能给出的电量理论容量是电池容量的最大极限值电池实际放出的容量只是理论容量的一部分i小时率放电容量 在恒流放电条件下，正好用i小时把充满电的电池放电到终止电压时能够放出的电量，通常用Ci表示通常启动电池用C20、牵引电池用C5、电动汽车用电池用C3表示 额定容量 是在规定条件下电池应放出的电量额定容量是制造厂标明的安时容量，作为验收电池质量的重要技术指标我国的国家标准中，使用3小时率放电容量来定义电动道路车辆用动力蓄电池的额定容量 实际容量 是指充满电的电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流和放电时间的乘积 剩余容量 电池经过使用后，在指定的放电率和温度状态下可以从电池中放出的电量动力电池性能术语,动力电池性能术语,,,电池的能量: 电池的能量是指在按一定标准所规定的放电制度下，电池所输出的电能，单位为瓦时 (W·h)或千瓦时 (kW·h) 能量密度: 电池的能量密度有质量能量密度和体积能量密度之分质量能量密度是指电池单位质量所能输出的电能，单位为瓦时/千克 (Wh/kg)。

体积能量密度是指电池单位体积所能输出的电能，单位为瓦时/升 (W·h/L) 电池的功率与功率密度：电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为瓦 (W)或千瓦 (kW)单位质量的电池输出的功率称为质量功率密度，单位为W/kg单位体积的电池输出的功率称为体积功率密度，单位为W/L动力电池性能术语,电池的荷电状态：电池的荷电状态 (State of Charge，SOC)描述电池剩余容量占额定容量的百分比 放电深度 (Depth of Discharge，DOD)：DOD是电池已经放出的电量与电池额定容量的比值 电池的循环使用寿命 (Cycle Life)：电池的循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一个循环，按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值 (我国标准规定为额定值的80％)以前，电池经历的充放电循环总次数 抗滥用能力 (Abuse Tolerance)：指电池对短路、过充、过放、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度动力电池性能术语,动力电池性能描述举例,动力电池性能描述举例,教学提纲,电动汽车动力电池的种类及原理 电动汽车的动力电池系统 典型的动力电池系统结构 电动汽车的其他能量源,电动汽车用动力电池分类,能量型动力电池通常具有比较大的容量，能够为用电设备提供比较持久的能源供给，常常用于纯电动汽车、中度或重度混合动力电动汽车， 此种电池总能量在整车的能源配置中占据较大的比例，常常超过10kWh。

这样不仅可以部分吸收车辆制动回馈的能量，而且可以提高车辆纯电动模式运行时的续驶里程，降低污染物的总排放功率型动力电池的容量通常比较小，可以为用电设备提供瞬间大电流供电，主要用于电动工具、轻度混合动力电动汽车在电动汽车的应用中主要用于吸收制动回馈的能量，同时为车辆起动、加速过程提供瞬间的额外补充能量,能量/功率兼顾型动力电池需要电池的能量密度高，同时要求电池在低SOC时有大功率输出，在高SOC时有大功率输入，即要求电池具有高能量、大功率兼顾的特性，主要用于插电式混合动力汽车,电动汽车用动力电池分类,纯电动车辆,电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过1C，典型峰值放电一般不超过3C;如果电动汽车上安装了回馈制动，电池组必须能够接受高达5C的脉冲电流充电； 电池要能够实现深度放电(例如80%)而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功率和全放电； 需要安装电池管理系统和热管理系统，显示电池组的剩余电量和实现温度控制； 由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究； 动力电池组的设计满足车用环境、安全要求电动汽车用动力电池分类,纯电动车辆,混合动力电动车辆,串联式混合动力汽车完全由电机驱动，内燃机-发电机总成与电池组一起提供电机需要的电能，电池SoC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。

并联式混合动力汽车内燃机和电机都可直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶需求可以由不同的动力组合结构来满足动力电池的容量可以更小，但是电池组瞬时提供的功率要满足汽车加速或爬坡要求，电池的最大放电电流有时可能高达20C以上 在不同构型的混合动力汽车上，由于工作环境、汽车构型、工作模式的复杂性，一些典型、共性的要求可以归纳为: 电池的峰值功率要大，能短时大功率充放电；循环寿命要长，达到1000次以上的深度放电循环和40万次以上的浅度放电循环；电池的SOC应尽可能保持在50%～85％的范围内；需要配备电池管理系统和热管理系统电动汽车用动力电池分类,电动汽车用动力电池分类,混合动力电动车辆,插电式混合动力电动车辆(以电池为例),对电池的工作要求要兼顾纯电动和混合动力两种模式，既要实现在城市里以纯电动汽车模式的行驶，又要实现在高速公路上以混合动力汽车模式的行驶，即纯电动工作模式行驶里程达到几十公里，而且在低电量时也能提供很高的功率水平电动汽车用动力电池分类,铅酸蓄电池,动力电池原理和性能,铅酸蓄电池,,铅酸电池额定电压2V，比能量35Wh/kg，能量密度70Wh/l，比功率200W/kg它采用金属铅作负电极，二氧化铅作正电极，用硫酸作电解液，,放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅。

充电时，反应过程相反值得注意的是参加电化学反应的电解液即硫酸浓度随电池荷电状态的变化而变化实际上，铅酸电池的开路电压，即电动势仅与硫酸浓度有关，而与电池中的铅，二氧化铅以及硫酸铅的量无关铅酸电池单体的额定电压为2V以中等放电率放电时截至电压取为1.75V，以极高放电率放电时截至电压可取为1.0V充电时，充电电流应作适当的控制以维持电池充电电压低于冒气电压(约为2.4V),动力电池原理和性能,铅酸蓄电池的特性,动力电池原理和性能,铅酸蓄电池的特性,,充电SOC达90%,,析气点,动力电池原理和性能,铅酸蓄电池的特性,动力电池原理和性能,铅酸蓄电池的特性,动力电池原理和性能,铅酸蓄电池,优点：技术可靠，生产工艺成熟，成本低(低于所有其他的二次电池)，单体电池电压高(高于所有其他液体电解液电池)，适合电动汽车使用的良好的大电流输出性能，良好的高温和低温性能，高的能量效率(75~80%)以及多种多样的型号和尺寸 铅酸电池也具有一些缺点还需要进一步的完善，比如，铅酸电池的比能量和能量密度都比较低(通常为35 Wh/kg 和 70 Wh/l)，自放电率较高(每天降低1％ @ 环境温度25°C)，循环寿命相对较低(约为500次)，由于硫酸腐蚀电极不便于长期储存等。

动力电池原理和性能,VRLA电池的比能量已超过40Wh/kg、能量密度超过80Wh/l并且可实现快速充电; Horizon电池采用了铅丝编制的水平极板，性能得到极大提高，比能量达到43 Wh/kg，能量密度达到84Wh/l，比功率达到285W/kg，应用到电动汽车上的循环寿命超过600次，快速充电能力得到极大提高(8分钟充电达50％，充满电只需不到30分钟)，成本低廉(一辆电动汽车的电池成本仅为2000~3000美元)，机械强度高，免维护以及环保观念设计(绿色生产过程和98％的可回收材质) 先进铅酸电池设计还包括双极设计和微管状极板设计,铅酸蓄电池,目前，铅酸电池仍是电动汽车最具吸引力的能量源选择方案，,动力电池原理和性能,NiMH动力电池,动力电池原理和性能,NiMH动力电池,动力电池原理和性能,NiMH动力电池,动力电池原理和性能,“市民”6.5Ah电池组,NiMH动力电池,动力电池原理和性能,NiMH动力电池,Ni-MH电池单体额定电压1.2V、比能量65Wh/kg、能量密度150Wh/l、比功率200W/kg电极活性物质为负极的金属氢化物和正极的NiOOH，金属氢化物能够在电池放电和充电时释放和吸收氢气，碱性氢氧化钾溶液是电解液的主要成分，,,电池放电时，负极的金属氢化物被氧化生成金属合金，正极的NiOOH被还原生成氢氧化镍，放电过程正好相反，,动力电池原理和性能,NiMH动力电池,,动力电池原理和性能,NiMH动力电池特性,,动力电池原理和性能,NiMH动力电池特性,,,动力电池原理和性能,NiMH动力电池特性,动力电池原理和性能,NiMH动力电池特性,动力电池原理和性能,NiMH动力电池,优点：高于其他任何镍基电池的比能量和能量密度、环保特性(无镉)、平坦的放电曲线(与Ni-Cd电池类似)和快速充电性能(与Ni-Cd电池类似)。

缺点：成本高，价格为相同容量铅酸电池的5~8倍；单体电压低；自放电损耗大；对环境温度敏感，电池组热管理任务重动力电池原理和性能,锂离子动力电池,5.5Ah、4只/模块、172.8V/电池组,,,,动力电池原理和性能,锂离子动力电池,动力电池原理和性能,锂离子动力电池,动力电池原理和性能,锂离子动力电池,电池的正负极均由可以嵌入和脱出Li+的化合物或材料组成： 正极为锂化跃迁金属氧化物(LiMO2, M-Co, Mn,Ni等)； 负极为可嵌入Li+的碳(形成LixC-碳化锂)； 电解质为有机溶液或固体聚合物放电时，锂离子由电池负电极通过电解液流向正电极并被吸收充电时，反应过程相反.,动力电池原理和性能,锂离子动力电池,,动力电池原理和性能,镍基锂离子电池，额定单体电压4V，比能量120Wh/kg，能量密度200Wh/l以及260W/kg的比功率 钴基锂离子电池具有高的比能量和能量密度，但成本高，自放电率高 锰基锂离子电池成本最低，比能量和能量密度处于钴基和镍基锂离子电池之间 由于锰基锂离子电池较低的成本、锰储量丰富而且无污染，预计将成为锂离子电池的主要发展类型锂离子动力电池,,,,动力电池原理和性能,锂离子动力电池特性,动力电池原理和性能,锂离子动力电池特性,动力电池原理和性能,锂离子动力电池特性,动力电池原理和性能,目前的正极有钴酸锂和锰酸锂两种量产的材料产品。

钴酸锂在小电芯方面是很成熟的体系，由于钴酸锂在分子结构方面(LiCo)的特点: 充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果，甚至在正常充放电过程中，也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶所以电池频频发生爆炸事件，一方面是由于保护电路失效，但更重要的是在材料方面并没有根本的解决问题同时钴酸锂的氧化性强，在 175 度时就。