电动汽车技术课件：动力电池

1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/6,#,电动汽车技术,动力电池,Harbin,University of Science and Technology,5.1,概述,5.2,动力电池基本术语,5.3,电动车辆对电池性能的要求,5.4,锂离子动力电池,5.5,其他电动汽车用动力电池,5.6,本章小结,主要内容,5.1,概述,5.2,动力电池基本术语,5.3,电动车辆对电池性能的要求,5.4,锂离子动力电池,5.5,其他电动汽车用动力电池,5.6,本章小结,主要内容,5.1,电池概述,郑殿宇,郑殿宇,1859,年法国科学家,普兰特,发明的铅酸电池是世界上第一个可充电的电池，而锂离子电池在,20,世纪,90,年代出现。,锂离子电池,分类,钴酸,锂锂离子电池,锰酸锂锂离子电池,三,元材料锂离子电池,按正极材料,按电解质,材料,液态锂离子电池,聚合物锂离子电池,目前锂电池存在的问题,能量密度低,充电时间长,电池价格昂贵,汽车电动辅助系统的使用受限：,目前：,200Wh/kg,未来：,300wh/kg,而汽油可达到：,1000012

2、000wh/kg,:,一般需要,35,小时,空调，动力转,向,、制动系统,5.1,概述,5.2,动力电池基本术语,5.3,电动车辆对电池性能的要求,5.4,锂离子动力电池,5.5,其他电动汽车用动力电池,5.6,本章小结,主要内容,5.2,动力电池基本术语,郑殿宇,郑殿宇,1.,电压,开路电压,：,即电池开路时，正负极之间的,电位差,。开路电压与电池的荷电状态有关。,理论电压,：即,电池的电动势,，是电池正极理论电动势与负极理论电动势之差。,负载电压,：电池输出电流时两极间的电位差。,标称电压,：在规定条件下电池工作的标准电压。,终止电压,：即电池放电终止时的电压。,2.,放电,制度,电池的放电制度是指电池放电时所规定的,放电速度、放电温度和终止电压,。,放电,速度,：,通常,称为放电率，以,放电时率,和,放电倍率,来表示。是以放电时间的长短或放电电流的大小来表示电池的放电速度，即在规定的时间内或以恒定的电流值放电，使电池放出全部的额定容量。,放电,温度,:,放电,时电池,所处的环境温度,，称为放电温度。在放电或充电开始时，电池的温度称为初始温度。,终止电压,:,当,达到电池放电截止条

3、件时，终止对电池的放电称为,放电截止,。放电截止可以有效地保护电池，防止电池出现过放电,。,5.2,动力电池基本术语,郑殿宇,郑殿宇,3,.,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,Ah,。,理论容量,：,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,恒流放电的条件下，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 表示。通常启动电池用，牵引电池用，电动汽车用电池用 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,：,指的是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,。,剩余电量,：,是指电池经过使用后，在指定的放电率和温度状态下可以从电池中放出的电量。,5.2,动力电池基本术语,郑殿宇,郑殿宇,4.,能量

4、,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（,Wh,）,或,千瓦时（,kWh,）,。,5,.,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（,Wh/L,）,。,6.,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,。,比功率的大小表征电池所承受的工作电流的大小，是体现电池性能的一项重要指标。,5.2,动力电池基本术语,郑殿宇,郑殿宇,7,.,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。工作过程中电池的荷电状态由,式计算。,式中，,SOC0,为电池的初始,SOC,；,Ibat,为,t,时刻电池的工作电流，充电时为正，放

5、电时为负，单位为,A,；,t,为充放电时间，单位为,h,；,C,为电池的额定容量，单位为,Ah,。,8,.,荷电状态,电池的放电深度,（,Depth of Discharge,DOD,）是电池已经放出的电量与电池额定容量的比值，其数学表达式为,5.2,动力电池基本术语,9.,充电效率,在规定条件下，蓄电池放电期间给出的容量与恢复到放电前的状态所需充电电量之比，称为,充电效率,。,10.,电池,失效与记忆效应,在规定条件下，当电池达不到预定特性水平工作时，称为,电池失效,。可分为,可逆失效（暂时失效）和不可逆失效（永久失效）,。电池失效后可用一般的恢复性措施重新恢复其性能时，称为,可逆失效,。若不能恢复，称为,不可逆失效,。,电池长时间经受特定的工作循环后，自动保持这一特定的电性能倾向，称为记忆效应。,11.,内阻,内阻是指电流通过电池时所受到的阻力，它包括欧姆内阻和电极在电化学反应时所表现的极化电阻两部分。,其他电池参数还有,低温放电能力，循环使用寿命，贮存，抗滥用能力,5.1,概述,5.2,动力电池基本术语,5.3,电动车辆对电池性能的要求,5.4,锂离子动力电池,5.5,其他电动汽

6、车用动力电池,5.6,本章小结,主要内容,郑殿宇,5.3,电动车辆,对电池性能的,要求,5.3.1,纯电动汽车对电池的要求,1,电池组要有足够高的能量,。,2,系统具有较高的输出功率。,3,需要能承受较大的回馈制动电流,。,4,在深度放电情况下循环寿命长，必要时能实现满负荷功率和全放电,5,电池组体积和重量大，电池箱的设计、空间布置和安装需认真研究。,郑殿宇,5.3,电动车辆,对电池性能的,要求,5.3.2,混合动力,电动汽车,（,HEV,）,对,电池的要求,从,HEV,的使用特点可以看出，电池是一个功率辅助系统，大部分放电是以大电流进行的，所以设计时应着重注意功率性能。,HEV,循环几乎不要求电池完全充电或完全放电，所以多支电池一起应用通常存在的,问题较少,。主要问题是电池的失效、整体的可靠性及电流分布，以及大电流长时间循环下的温度控制,。混合,电动汽车对电源系统的总体要求如下,：,1,对电池系统功率的要求与纯电动汽车相似，但容量要更低,2,电池组瞬时提供的功率要满足汽车加速或爬坡要求,。,3,电池的峰值功率要求大，能短时大功率放电,。,4,较高的瞬间回馈功率,5,循环寿命要长,。,

7、6,较高的能量效率,7,电池的,SOC,应保持在,30%,80%,8,需配备电池管理系统和热管理系统,5.3,电动车辆,对电池性能的,要求,5.3.2,插电式混合动力,电动汽车,（,PHEV,）,对,电池的要求,PHEV,与,HEV,最大的两个差异是,：,第一，,PHEV,的电池容量较大，可以靠电力行驶较远的距离，燃油使用量与温室气体排放量都较低；第二，,PHEV,除了以发动机进行充电外，也可以用家用外接电源充电。,与纯电动汽车的最大差异是,：,具有混合电动模式，使用的电池容量要比纯电动车的低，但功率要求高，在较低,SOC,时需要能承受较大电流的充电或放电。所以，对于,PHEV,用电池，主要应当有以下特点,。,PHEV,对电池的要求,性能,寿命,可靠的管理系统,成本,HEV,用动力电池必须具有足够高的能量密度和功率密度,电池要能在,SOC,从,100%,到,20%,深放电工作时，保证有很长,的循环寿命,数据采集、电池状态估计、能量管理、热管理,、安全管理,和通信功能，其他扩展功能包括充电管理、数据显示,、能量,管理和故障诊断等。,电池成本必须低到使用时的花费能够弥补购置时的费用,5.1

8、,概述,5.2,动力电池基本术语,5.3,电动车辆对电池性能的要求,5.4,锂离子动力电池,5.5,其他电动汽车用动力电池,5.6,本章小结,主要内容,5.4,锂,离子动力电池,郑殿宇,储存和循环寿命长,荷电保持能力强,环境污染小,无记忆效应,工作温度范围广,电压高,锂离子电池优点,锂,离子电池的单节电压为,3.6V,，而,MH-Ni,电池为,1.2V,在,优良的环境下，可以储存,5,年,以上,当,温度为（,205,）时，在开路状态下储存,30,天后，电池常温放电容量为额定容量的,85%,在,锂离子电池中,不含镉、铅、汞,等有害物质，对环境污染低,可,反复充放电,使用,锂,离子电池通常在,-2060,的范围内正常工作，但温度变化对其放电容量影响很大。,5.4,锂,离子动力电池,锂离子电池缺点,锂离子电池的内阻较大,充放电电压范围宽,与普通电池相容性差,管理系统复杂,过充能力差,由于,锂离子电池的电解液为,有机溶剂,，其电导率远低于,MH-Ni,和,Cd-Ni,电池的水性电解液,必须,设计特殊的保护电路来防止,过充电和过放电,由于,电压相差较大,的缘故,必须,管理到每一节电池，否则一旦有

9、一节电池,过充,就会造成整组电池失效或安全性问题,当,充电电压高,过一定值的时候，电解质会发生分解，产生大量热电池失效,5,.4.1,锂离子电池的结构及工作原理,郑殿宇,郑殿宇,正极反应,负,极反应,充电,过程中,，,Li,+,从正极脱嵌经过电解质嵌入到负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷经外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。,放电,时则相反，,Li,+,从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂,态,。,郑殿宇,郑殿宇,5,.4.1,锂离子电池的结构及工作原理,电池总反应,式中：,M,表示金属离子，,X,表示阴离子基团,锂离子电池的内部基本结构（以,LiFePO,4,为例）和外形如图,郑殿宇,郑殿宇,5.4.2,锂离子电池的失效机理,正极材料的溶解,以尖晶石,LiMn,2,O,4,为例，,Mn,的溶解是引起,LiMn,2,O,4,可逆容量衰减的主要原因。,Mn,的溶解沉积造成正极活性物质减少；溶解的,Mn,游离到负极时会造成,负极,SEI,（,Solid Electrolyte Interface,，,SEI,）膜,的不稳定，被破坏的,SEI,膜再形成时会消

10、耗锂离子，造成锂离子的减少,。,正极材料的相变化,:,锂,离子的正常脱嵌反应总是伴随着宿主结构摩尔体积的变化，引起结构的膨胀和收缩，导致氧八面体偏离球对称性并成为变形的八面体构型。这种现象叫做,Jahn-Teller,效应（或,J-T,扭曲）,。在,LiMn,2,O,4,电池中，,J-T,效应所导致的尖晶石结构不可逆转变，也是容量衰减的主要原因之一,造成锂离子电池容量衰退的原因主要有,郑殿宇,郑殿宇,5.4.2,锂离子电池的失效机理,电解液的分解,锂,离子电池中常用的电解液主要包括由各种,有机碳酸酯,（如,PC,、,EC,、,DMC,、,DEC,等）的混合物组成的溶剂以及由,锂盐,（如,LiPF,6,、,LiClO,4,、,LiAsF,6,等）组成的电解质。在充电的条件下，电解液对含碳电极具有不稳定性，故会发生还原反应。电解液还原消耗了电解质及其溶剂，会对电池容量及循环寿命产生不良影响,。,过充电造成的容量损失,电池在过充电时，会造成负极锂的沉积、电解液的氧化以及正极氧的损失。这些副反应或者消耗了活性物质，或者产生不溶物质堵塞电极孔隙，或者正极氧损失，这些都会导致电池容量衰减。,自放电

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