新能源汽车动力电池课件.ppt
模块三 新能源汽车动力电池,GB/T 195962017中动力蓄电池的定义为：为电动汽车动力系提供能量的蓄电池。动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1.化学电池化学电池是指将化学能直接转变为电能的装置。其主要部分是电解质溶液，浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。2.物理电池物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。如超级电容器飞轮电池、超级飞轮电池、太阳能电池等。3.生物电池生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴含的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。,动力电池概况,动力电池概况,原电池的工作原理,微生物电池工作原理图,（二）动力电池和电池组电池单体（Cell）是指直接将化学能转化为电能的基本装置和基本单元，是构成电池的基本元件，包括电极、隔膜、电解质和外壳等。电池（Battery）是指由一个以上的电池单体并联或串联而成，并封装在一个物理上独立的电池壳体内，具有独立的正极和负极输出。电池包（Battery Pack）是由多块电池通过串联或并联构成的一个存储电能或对外输出电能的部件。电池组（Battery Packs）是指由一个以上电池包通过串联或并联构成的一个存储电能或对外输出电能的部件。电池系统（Battery System）是指由一个以上电池组通过串联或并联构成的具备完善电池管理系统的电能供给系统，亦称为动力电池或电池板。,动力电池概况,（二）动力电池和电池组,动力电池概况,动力电池的工作特点具有高的能量密度。具有高的功率密度。较长的循环寿命。较好的充放电特性。电池的一致性好。较低的价格。使用维护方便。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数1.电压（1）电动势电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一。如果其他条件相同，那么电动势越高，理论上能输出的能量就越大。电池的电动势是热力学的两极平衡电极电位之差。在表征上电池的开路电压在数值上接近电池的电动势，所以在工程应用上，常常认为电池在开路条件下，正负极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。（2）开路电压开路电压是指在开路状态下（几乎没有电流通过时），电池两极之间的电势差。电池的开路电压取决于电池正负极材料的活性、电解质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸大小无关。一般情况下，电池的开路电压均小于它的电动势。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数1.电压（3）额定电压额定电压也称公称电压或标称电压，是指在规定条件下电池工作的标准电压。采用额定电压可以区分电池的化学体系。（4）工作电压工作电压是指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称负荷（载）电压或放电电压。在电池放电初始时刻的（开始有工作电流）电压称为初始电压。电池在接通负载后，由于欧姆内阻和极化内阻的存在，电池的工作电压低于开路电压和电动势。（5）放电终止电压对于所有二次电池，放电终止电压都是必须严格规定的重要指标。放电终止电压也称放电截止电压，是指电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数2.容量电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池容量，以C表示，其单位常用Ah或 mAh表示。（1）理论容量C0理论容量是指假定活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量，按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量求出。（2）额定容量Cg额定容量是指按国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件（如温度、放电率、终止电压等）下，应该放出的最低限度的容量。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数2.容量（3）实际容量C实际容量指在实际工作情况下放电，电池实际放出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积。（4）剩余容量剩余容量是指在一定放电倍率下放电后，电池剩余的可用容量。剩余容量的估计和计算受到电池前期应用的放电率、放电时间等因素以及电池老化程度、应用环境等多种因素影响，所以，在准确估算上存在一定的困难。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数3.内阻电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。由于电池内阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压，充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。电池内阻是化学电源的一个极为重要的参数，直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等。对于一个实用的化学电源，其内阻越小越好。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数4.能量与能量密度电池的能量是指电池在一定放电制度下，电池所能释放出的能量，通常用Wh或KWh表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。理论能量：假设电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放电电压保持电动势的数值，而且活性物质的利用率为100%，即放电容量为理论容量。则在此条件下电池所输出的能量为理论能量。实际能量：是指电池放电时实际输出的能量。在实际工程应用中，作为实际能量的估算，也常采用电池组额定容量与电池放电平均电压的乘积进行电池实际能量的计算。由于活性物质不可能完全被利用，电池的工作电压总是小于电动势，所以电池的实际能量总是小于理论能量。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数4.能量与能量密度电池的能量密度：是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，相应地称为质量能量密度（Wh/kg）或体积能量密度（Wh/L），也称质量比能量或体积比能量。在电动汽车应用方面，动力电池质量能量密度影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积能量密度影响到动力电池的布置空间，因此能量密度是评价动力电池能否满足电动汽车应用需要的重要指标。同时，能量密度也是比较不同种类和类型电池性能的一项重要指标，能量密度也分为理论能量密度和实际能量密度。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数5.功率与功率密度电池的功率是指电池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）。单位质量或单位体积电池输出的功率称为功率密度又称比功率单位为kW/kg或W/g。功率密度的大小可直接表征电池所能承受的工作电流的大小，电池功率密度大，表示它可以承受大电流放电。功率密度是评价电池及电池组是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。对电化学动力电池，功率和功率密度与动力电池的放电深度密切相关，因此，在表示动力电池功率和功率密度时还应该指出动力电池的放电深度。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数6.荷电状态电池荷电状态描述了电池的剩余电量，是电池使用过程中的重要参数，此参数与电池的充放电历史和充放电电流大小有关。荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示。SOC的取值为：0SOC100%。美国先进电池联合会在其电动汽车电池实验手册中定义SOC为：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。7.放电深度放电深度（DOD）是放电容量与额定容量之比的百分数。与SOC之间存在如下数学计算关系：DOD=1-SOC,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数8.循环使用寿命动力电池的循环使用寿命是评价蓄电池使用技术经济性的重要参数。蓄电池经历一次充电和放电称为一次循环，或者一个周期。在一定放电制度下，二次电池的容量降至某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数，称为蓄电池的循环寿命或使用周期。各类电池的循环寿命都有差异，即使同一系列、同一规格的产品，循环寿命也可能有很大差异。9.自放电率自放电率是电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池的容量损失的速度。自放电率采用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。自放电率通常与时间和环境温度有关。环境温度越高自放电现象越明显，所以电池久置时要定期补电，并在适宜的温度和湿度下储存。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数10.不一致性电池不一致性是指同一规格、同一型号的单体电池组成电池组后，在电压、内阻及其变化率、荷电量、容量、充电接受能力、循环寿命、温度影响、自放电率等参数方面存在的差别。在现有的电池技术水平下，电动汽车必须使用多块单体电池构成的电池组来满足使用要求。由于不一致性的影响，动力电池组在电动汽车上使用的性能指标往往达不到单体电池原有水平，使用寿命可能缩短数倍甚至十几倍，严重影响电动汽车的性能和应用。11.成本电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关。,动力电池概况,（四）动力电池的特征参数12.放电制度放电制度就是电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电速率（电流）、终止电压和温度等。,动力电池概况,1.铅酸电池的结构铅酸蓄电池主要由极板、隔板、壳体、电解液、铅连接条、极柱等部分组成,铅酸电池,2.铅酸电池的工作原理电动势的建立负极板：Pb（少量溶解） Pb2+2e正极板：PbO2(少量)+2H2OPb(OH)4 Pb(OH)4Pb4+4OH-E02.0-(-0.1)2.1V,铅酸电池,2.铅酸电池的工作原理放电过程,铅酸电池,在正极板处，Pb 4 +和电子结合，变成二价铅离子Pb2 +，Pb2 +与电解液中的SO42结合生成的PbSO4沉附于正极板上。 Pb4+2ePb2+Pb2+SO42-PbSO4,在负极板处，Pb2+与电解液中SO42-的结合也生成PbSO4沉附在负极板上，而极板上的金属铅继续溶解，生成Pb2+和电子。Pb2+SO42-PbSO4整个放电过程化学反应方程式为：PbO2Pb2H2SO42PbSO42H2O,2.铅酸电池的工作原理充电过程,铅酸电池,在正极板处，反应方程式如下：PbSO4Pb2+SO42-Pb2+2ePb4+Pb4+4OH-Pb(OH)4Pb(OH)4PbO22H2OSO42-2H+H2SO4,在负极板处，反应方程式如下：PbSO4Pb2+SO42-Pb2+2ePbSO42-2H+H2SO4则，整个充电过程的反应方程式为：2PbSO42H2O PbO2Pb2H2SO4,2.铅酸电池的工作特性（1）静止电动势和内电阻蓄电池在静止状态下（充电或放电后静止23h），正负极板间的电位差称为静止电动势，一般用E0表示。静止电动势可以用直流电压表或万用表（直流电压档）直接测量，也可以测出电解液密度，然后根据经验公式换算得到。铅蓄电池的内电阻包括电解液电阻、极板电阻、隔板电阻和连条电阻。蓄电池的内电阻大小反映了蓄电池带负载的能力。在相同的条件下，内电阻越小，输出电压越大，带负载能力越强。,铅酸电池,2.铅酸电池的工作特性（2）蓄电池的放电特性蓄电池的放电特性是指完全充足电的蓄电池在恒流放电过程中，蓄电池的端电压Uf和电解液密度25等参数随时间而变化的规律。如图所示为完全充足电的蓄电池以20h放电率恒流放电的特性曲线。,铅酸电池,2.铅酸电池的工作特性（3）蓄电池的充电特性蓄电池的充电特性是指在恒流充电过程中，蓄电池的充电电压Uc、电动势E和电解液密度25等参数随时间而变化的规律。蓄电池以20h充电率恒流充电的特性曲线,铅酸电池,碱性电池是以氢氧化钾（KOH）等碱性水溶液为电解液的二次电池的总称。碱性电池根据极板活性物质的材料不同，可分为锌银蓄电池、铁镍蓄电池、镍镉蓄电池等。一般情况下，电解液中的氢氧化钾不直接参与电极反应，这是碱性蓄电池有别于铅酸蓄电池的一大特点。相对于铅酸蓄电池，碱性蓄电池具有能量密度高、机械强度高、工作电压平稳、功率密度大的特点。,碱性电池,（一）镍镉电池镍镉电池因其碱性氢氧化物中含有金属镍和镉而得名。镍镉电池主要由正极、负极、分离层、外壳、电解液等组成。电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正、负极之间有分离层，分离层是隔膜纸，共同组成金属氢化物镍单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。,碱性电池,镍镉蓄电池的工作原理（1）放电过程中的电化学反应负极反应：负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子，然后与溶液中的两个氢氧根离子结合生成氢氧化镉，沉积到负极板上。负极反应如下：Cd+2OH-=Cd(OH)2+2e-正极反应：正极板上的活性物质是氢氧化镍晶体，镍为正三价离子，晶格中每两个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子，生成两个二价离子。与此同时，溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶格上的两个氧负离子结合，生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起，与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体。正极反应如下：2e-+NiO2+2H2O=Ni(OH)2+2OH-将两式相加，即得镍镉蓄电池放电时的总反应。总反应如下：Cd+NiO2+2H2O= Cd(OH)2+ Ni(OH)2,碱性电池,镍镉蓄电池的工作原理（2）充电过程中的化学反应充电时，将蓄电池的正、负极分别与充电机的正极和负极相连，电池内部发生与放电时完全相反的电化学反应。即负极发生还原反应，正极发生氧化反应。负极反应：充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成镉离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电路获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应。负极反应如下：Cd(OH)2+2e-= Cd+2OH-正极反应：在外电源的作用下，正极板上的氢氧化亚镍晶格中，两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子，同时，晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子，将氧负离子留在晶格上，释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合，生成水分子，然后，两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的两个氢氧根离子结合，生成两个氢氧化镍晶体。正极反应如下：Ni(OH)2+2OH-=2e-+ NiO2+2H2O镍镉蓄电池充电时的总反应如下：Cd(OH)2+ Ni(OH)2= Cd+ NiO2+2H2O,碱性电池,镍镉电池的特性（1）端电压充满电后，立即断开充电电路，镍镉蓄电池的电动势可达1.5V左右，但很快就下降到1.311.36V。当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时，平均工作电压为1.2V。采用8小时率放电时，蓄电池的端电压下降到1.1V后，电池即放完电。（2）内阻镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率、极板结构及其面积有关，而电解液的导电率又与密度和温度有关。电池的内阻主要由电解液的电阻决定。氢氧化钾和氢氧化钠溶液的电阻系数随密度而变化。18时氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系数最小。,碱性电池,镍镉电池的特性（3）效率与寿命在正常使用的条件下，镍镉电池的容量效率为67%75%，电能效率为55%65%，循环寿命约为2000次。（4）记忆效应镍镉电池在使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量，这种现象称为记忆效应。电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。（5）环境污染,碱性电池,镍氢电池镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍（称氧化镍电极），负极活性物质为金属氢化物，也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液为氢氧化钾。,碱性电池,镍氢电池的工作原理镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍（称氧化镍电极），负极活性物质为金属氧化物也称储氢合金（电极称储氢电极），电解液为氢氧化钾。,碱性电池,在电池充放电过程中的电池反应如下：氧化电极：NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-储氢电极：MH+OH-=M+H2O总反应：MH+NiOOH=M+Ni(OH)2其中：M表示储氢合金材料。镍氢电池在碱性电解液中进行反应的模型如图。,镍氢电池性能与技术要求：同镍镉电池相比，镍氢电池具有以下显著优点：能量密度高。同尺寸电池容量是镍镉电池的1.52.0倍。环境相容性好，无镉污染。可大电流快速充放电，充放电倍率高。无明显的记忆效应。低温性能好，耐过充放能力强。工作电压与镍镉电池相同为1.2V。,碱性电池,4.镍氢电池特性（1）充电特性,碱性电池,4.镍氢电池特性（2）放电特性,碱性电池,锂离子电池的结构锂离子蓄电池主要由正极、负极、隔膜板、电解液和安全阀等组成。圆形锂离子蓄电池的基本结构如图。,锂离子电池,锂离子电池的工作原理锂离子电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池。充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时，电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。放电过程相反。,锂离子电池,锂离子电池,锂离子电池充电和放电过程示意图,锂离子动力电池的工作特性（1）充电特性,锂离子电池,锂离子动力电池的工作特性（2）放电特性,锂离子电池,燃料电池的结构燃料电池同普通电池概念完全不同，被称为燃料电池只是由于在结构形式上与电池有某种类似，外观、特性像电池，随负荷的增加，输出电压下降。,燃料电池,燃料电池的基本工作原理燃料电池的基本原理相当于电解反应的可逆反应，如图为燃料电池电化学反应原理。 燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用电离成离子，由于离子能通过在两电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。在电极同外部负载构成回路时就可向外供电（发电）。,燃料电池,1.飞轮电池飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。 飞轮电池系统由飞轮、电动机、发电机和输入/输出电子装置共同组成。,新能源汽车其他动力源,2.超级电容超级电容器是一种电化学元件，但在其储能的过程中并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的。,新能源汽车其他动力源,谢谢观看！,
