第4章新能源汽车的储能装置ppt课件.pptx

新能源汽车技术,第4章 新能源汽车的储能装置,May,2014,Page 2,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,类型：动力蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮储能器等储能装置，及其相互组合而形成的混合储能装置。动力电池性能的提高是电动汽车发展的关键技术之一。它既是目前普及电动汽车的瓶颈，也是电动汽车能否与传统内燃机汽车竞争的重要因素之一。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,化学电池的组成：电极（正极和负极）电解质隔膜外壳（容器）,Page 3,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,图4.1 化学电池的基本构造图,Page 4,4.1.1 化学电池的基本构成电极（核心部分）一般由活性物质和导电骨架组成。活性物质：通过化学反应释放出电能的物质。导电构架：传导电子和支撑活性物质。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 5,电解质（核心部分）液体、固体液体：一般是酸、碱、盐的水溶液。固体：一般为盐类。【干电池】tip：电解质化学性质必须稳定，使蓄电池在静止状态（不充电也不放电的状态下）电解质与活性物质界面间的电化学反应速率小，这样在电池自放电时，电池的容量损失就小。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 6,隔膜通常为薄膜、板材或胶状物等。避免电池内阴、阳极之间的距离较近而发生内部短路产生严重的自放电现象。要求：化学性质稳定，有一定的机械强度，对电解质离子运动的阻力小，是电的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落的活性物质微粒和枝晶的生长。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 7,外壳盛放和保护电池电极、电解质、隔膜的容器。要求：足够的机械强度和化学稳定性、耐振动、耐冲击、耐腐蚀。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 8,4.1.2 电池的基本知识1、电池的放电将电池内储存的化学能以电能方式释放出来的过程，即电池向外电路输送电流。放电特性的衡量参数：放电深度、放电率、连续放电时间。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 9,蓄电池放电终了的特征：单格电池电压降到放电终止电压；电解液相对密度降到最小许可值。tip：放电终止电压与放电电流的大小有关，放电电流越大，允许的放电时间就越短，放电终止压力也越低。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 10,2、电池的充电将外部电源的电能输入蓄电池，在蓄电池内将电能转换为化学能储存起来的过程。充电参数：充电特性、完全充电和充电率。充电方式：恒压充电、恒流充电、涓流充电和浮充电等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 11,蓄电池充电终了的特征：电解液中由大量气泡冒出，呈沸腾状态；电解液的相对密度和蓄电池的端电压上升到规定值，且在23h内保持不变。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 12,3、电池的极化电池在静止状态（对外电路的电流I=0）时，出现的电池电压、电极电位变化的现象。极化现象反映了在静止状态能量损失的大小，极化损失越小越好。常见的极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、浓差和电化学极化等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 13,4、记忆效应电池在没有完全放电之前就重新充电，电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点。在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池容量逐渐变低。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 14,原因：电池内部枝晶的生长解决办法：深度充放电（损坏电池），脉冲充电法（适宜使用）。主要表现在镍镉电池中。对于其他蓄电池该效应较小或不存在。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 15,5、电池的组合将若干单体电池通过串联、并联与复联的方式组合成电池组。为了获取较高的电压和电流。电池组合中的单体电池：同一系列、同一规格、性能尽可能一致。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 16,4.1.3 电池的种类1、按照工作原理分类主要可分为生物电池、物理电池和化学电池。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,生物电池：利用生物（如生物酶、微生物或叶绿素等）分解反应过程中表现出来的带电现象所进行的能量转换。【酶电池、微生物电池和生物太阳电池】,Page 17,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,物理电池：利用物理原理制成的电池。【太阳能电池、飞轮电池、核能电池和温差电池】,Page 18,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,化学电池：将化学反应产生的能量直接转换为电能的装置。,Page 19,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,超级电容器：介于传统电解质电容器和电化学电池之间的新型储能元件。,Page 20,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 21,2、按照电解液种类分类（化学电池的分类）碱性电池：氢氧化钾水溶液【碱性锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池】酸性电池：硫酸溶液【铅酸电池】中性电池：盐溶液【锌锰干电池】有机电解液电池：有机溶液【锂电池、锂离子电池】,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 22,3、按照电池的正负极材料分类（化学电池的分类）锌系列电池：锌锰电池、锌银电池等；镍系列电池：镍镉电池、镍氢电池等；铅系列电池：铅酸电池等；锂系列电池：锂离子电池、锂锰电池、聚合物锂电池、磷酸 铁锂电池；二氧化锰系列电池：锌锰电池、碱锰电池等；空气电池系列：锌空气电池、铝空气电池等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 23,4、按照电池功能分类（化学电池的分类）一次电池：原电池，不能再充电的电池。若电解质不流动则称为干电池，如锌锰干电池、锌汞干电池、锌银干电池等。二次电池：蓄电池，可充电电池。应用广泛。主要有铅酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池及磷酸铁锂电池等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 24,燃料电池：连续电池，将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。储备电池：激活电池，正负极活性物质在储存期不直接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活，如锌银电池、镁银电池等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 25,4.1.4 电池的性能指标1、电池的工作电压、放电终止电压和放电曲线工作电压：电池放电时，电池两极之间的电位差，又称为放电电压或端电压。放电终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,放电曲线：在一定放电条件下，连续放电时电池的工作电压随时间变化的关系曲线。放电小时率，电压下降速度，终止电压大小，放电时间。,Page 26,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,图4.2 蓄电池的放电曲线,Page 27,电池的放电深度（Depth of Discharge，DOD）电池已经放出的电量占其额定容量的百分比。式中，SOC0为电池的初始荷电状态；Ibat为t时刻电池的工作电流，充电时为正，放电 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。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 28,2、电池的容量（C）完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总电量，其单位为安培时（Ah）。理论容量、i小时率放电容量、额定容量、实际容量、剩余容量。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 29,3、电池的能量在一定标准所规定的放电条件下，电池对外做功所能输出的电能，其单位为瓦时（Wh）或千瓦时（kWh）。总能量、充电能量、放电能量。容量与能量的区别：前者表示电池输出的电量，而后者表示其做功能力。能量可以用容量乘以放电平均电压获得。当用电设备用电流控制时，则用容量衡量；当电压显得重要时，则多用能量。分析比较电动汽车能量利用效率时即用电池的能量来考虑。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 30,4、能量密度与功率密度比能量：蓄电池的单位质量（或体积）所获取的电能。质量能量密度：质量比能量，单位为Wh/kg。体积能量密度：体积比能量，单位为Wh/L。比功率：蓄电池的单位质量（或体积）所获取的输出功率。质量功率密度：质量比功率，单位为W/kg。体积功率密度：体积比功率，单位为W/L。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 31,性能评价能量密度 续驶里程功率密度 加速性、爬坡性和最高车速等一般来说，蓄电池的功率密度增加时，能量密度要下降。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 32,5、电池的开路电压蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差。一般用高内阻的电压表或万用表测量。影响因素：正、负极材料，电解液的性质等。随着电池存放时间的延长，其开路电压会有所下降。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 33,6、电池的内阻包括欧姆内阻和极化电阻。欧姆内阻：电池中各组成部分的电子导电阻力、离子导电阻力及接触电阻之和，与电极结构和装配工艺有关。极化电阻：电极反应形成的，与电极反应的本质及材料有关。电池内阻越小，电池工作输出电流时电池内部的压降就越小，电池就能输出较高的工作电压和较大的电流，输出能量和容量也就越大。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 34,7、电池的寿命用电池使用时间或充电循环次数所表示的电池耐用性。循环充电电池经历一次充电和放电的过程，称为一个循环或一个周期。循环寿命：在一定的充放电制度下，电池容量下降到某一规定值时，电池所能经受的循环次数。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 35,影响循环寿命的因素：在充放电过程中，电极活性表面积减小；电极上活性物质脱落或转移；电极材料发生腐蚀；电池内部短路；隔膜损坏和活性物质晶型改变，活性降低；充电和放电的形式、使用环境温度和放电深度；使用环境，电池组中各个电池的均衡性以及安装方式等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 36,8、电池的温度特性电池性能随环境温度变化而变化的关系。大部分电池在较狭窄的温度范围内工作时，才能保持较高的性能。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 37,9、电池的抗滥用能力电池对短路、过充电、过放电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温、火烧等非正常使用情况的容忍度。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 38,10、电池的荷电状态（SOC）电池剩余容量占其额定容量的百分比。（Stage of Charge）蓄电池在工作中，其荷电状态由以下公式表示。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。可见，SOC和DOD之和等于100%。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 39,4.1.5 各种车用电池的性能比较新能源汽车对动力电源的要求：比功率大（在大电流工况下可平稳放电，提高加速、爬坡性能）；比能量大（延长续驶里程）；循环寿命长；安全可靠；,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,Page 40,成本低；对使用环境温度要求低；能量转换效率高；对环境污染小等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.1 动力电池概述,4.2.1 铅酸蓄电池的结构和原理基本单元：单体电池单体电池：正极板、负极板、隔板组,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 41,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,图4.3 铅酸蓄电池的结构,Page 42,原理电子的流动形成电流。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 43,放电时，电池内部：电子由正极流向负极外电路：电子由负极流向正极化学反应方程式为负极：Pb+HSO4-PbSO4+H+2e-正极：PbO2+3H+HSO4-+2e-2PbSO4+2H2O,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 44,充电时，电池内部：电子由负极流向正极外电路：电子由正极流向负极化学反应方程式为负极：PbSO4+H+2e-Pb+HSO4-正极：2PbSO4+2H2OPbO2+3H+HSO4-+2e-,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 45,铅酸蓄电池单体两端的额定电压为2V。实际应用中，一般将多个电池单体串联或并联，来满足高电压、大容量等要求。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 46,4.2.2 铅酸蓄电池的充放电特性充电过程：高效阶段、混合阶段、析气阶段,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 47,高效阶段：两极的硫酸铅分别转换成了铅和二氧化铅。在温度和充电率都能保证的情况下，这个阶段在单体电池端电压达到2.39V时结束。充电接受率高，接近100%。充电接受率：转化为化学能储备的电能与来自充电设备的电能的比值。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 48,混合阶段：水解（电解水）副反应和充电主反应同时进行。当两个反应达到平衡时，即电池两端电压与稀硫酸溶液浓度不再上升时，表示电池已经充满电。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 49,析气阶段：蓄电池已经被充满电，电池中所进行的反应只有水解副反应（电解水），再加上缓慢进行的自放电反应。此时会产生大量的气体，主要是氢气和氧气。在密封式铅酸蓄电池中，这两种气体在密闭环境中压力会变高，还可以进一步反应生成水，这也是阀控式密封铅酸蓄电池不需要加水的原因。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 50,4.2.3 铅酸蓄电池的种类及发展现状1、开口式铅酸蓄电池,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 51,2、阀控式密封铅酸蓄电池VRLA（Valve Regulated Lead Acid Battery）全密封的，有一个可以控制电池内部气体压力的阀。难点：充电时，水的电解。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 52,解决办法：采用多元优质板栅合金，提高气体释放的过电位；让负极有多余的容量，充电后期正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水；采用新型超细玻璃纤维隔板，让正极释放的氧气尽快流通到负极；采用密封式阀控滤酸结构，使酸雾不能逸出。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 53,3、双极性密封铅酸蓄电池组成：双极性板、正负单极性板和隔板及电解液双极性是指一块基板的两面分别涂上正极膏和负极膏形成的两个极性。双极性电池最小单体由一个双极性板加两个单极性板构成4V电池。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 54,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,图4.4 双极性密封铅酸蓄电池的内部结构示意图,Page 55,优势：铅耗量减少40%左右、重量轻减少40%、体积减小40%、质量比能量提高约50%、循环寿命延长1倍以上。电流路径短，内阻小，充放电效率高。较好地满足了大电流放电、短时间充能、深循环寿命长。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 56,4、卷绕式密封铅酸蓄电池将正负极板做成软性条状，中间和两侧均夹有纤维隔板，然后紧卷起来装入圆柱形电池壳内，焊接好极柱，加盖密封，组成电池，就形成了卷绕式密封铅酸蓄电池。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 57,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,图4.5 卷绕式密封铅酸蓄电池的外形结构示意图,Page 58,优势：内阻低，输出电压比较平稳；比功率高，适合高功率密度放电；循环寿命长；低温性能好；快速充电性能好；放电速度小。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 59,4.2.4 铅酸蓄电池的应用优势：技术可靠，生产工艺成熟，成本低；单体电池电压高（高于其他液体电解液电池）；具有适合电动汽车使用的良好的大电流输出特性，良好的高温和低温性能，较高的能量效率（75%80%）以及多种多样的型号和尺寸。铅酸蓄电池仍是电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 60,劣势：（质量）比能量和（体积比）能量都比较低（分别为35Wh/kg和70Wh/L）；自放电率较高（25环境每天降低1%）；循环寿命相对较低（1000次）；硫酸腐蚀电极不便于长期储存。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.2 铅酸蓄电池,Page 61,4.3.1 镍氢电池的分类与特点正极材料：镍负极材料：储氢合金是一种碱性蓄电池。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,Page 62,按照工作电压可分为高压和低压两类。1、高压镍氢电池正极：镍（Ni），压制或烧结的Ni(OH)2电极负极：氢（H2），活性炭作载体的聚四氯乙烯（PTFE）黏结式多孔气体扩散电极电解液：氢氧化钾（KOH）溶液优点：比能量高、寿命长、耐过充放电、可以通过氢压来指示电池荷电状态。缺点：容器需要耐高氢压，电池的体积比能量及质量比能量较低；自放电较大；不能漏气；成本高。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,Page 63,2、低压镍氢电池分为两种：一种是在镍氢电池中放入具有可逆吸放氢的储氢合金，以降低氢压；另一种低压镍氢电池以储氢合金（MH）为负极，氢氧化镍Ni(OH)2为正极，氢氧化钾（KOH）溶液为电解质。优点：能量密度高；可快速充电；低温性能好；可密封，耐过放电能力强；无毒无环境污染，不使用贵金属；无记忆效应。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,Page 64,4.3.2 镍氢电池的工作原理充电时正极：Ni(OH)2+OH-e-NiOOH+H2O负极：2MH+2e-2M+H2放电时正极：NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-负极：2M+H22MH+2e-当镍氢电池以标准电流放电时，平均工作电压为1.2V。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,Page 65,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,图4.6 镍氢电池的工作原理示意图,Page 66,4.3.3 镍氢电池的结构镍氢电池主要由正极、负极、电解液、极板、隔膜等组成。正极材料：氢氧化镍负极材料：储氢合金极板结构：发泡体、烧结体电解质：氢氧化钾在正负极之间有隔膜催化剂：铂,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,Page 67,4.3.4 镍氢电池的性能特征优点：比能量高、质量轻、体积小、比功率高、循环寿命长、无污染、使用温度范围宽、安全可靠。缺点：成本高、自放电损耗大、电压低、电池组热管理要求比较高。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.3 镍氢蓄电池,Page 68,4.4.1 钠硫蓄电池的结构原理正极：熔融状的硫（也可添加石墨）负极：金属钠电解质：三氧化二铝和氧化钠，陶瓷固态电解质,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,Page 69,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,图4.7 钠硫蓄电池的结构,Page 70,工作温度：350380化学反应方程式：2Na+xS=Na2Sx若电池的温度降低而使得硫凝固时，电池的电化学反应将立即停止。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,Page 71,4.4.2 钠硫蓄电池的性能特点1、钠硫蓄电池的性能指标以美国Ford公司电动汽车使用的MK4型和MK5型钠硫蓄电池为例，表4.2 钠硫蓄电池的各项性能指标。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,Page 72,2、钠硫蓄电池的高温工作特点钠硫蓄电池在工作时，硫必须处在熔融状态，才能确保钠硫电池发生化学反应。工作时：熔融状态（300350）低于300：电加热。高于350（沸腾温度：440）：温度控制系统控制通风装置降温。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,Page 73,4.4.3 钠硫蓄电池的优缺点优点：比能量高（理论上可达640Wh/kg）、转换效率高（接近100%）、循环寿命长、无污染、原材料资源丰富。缺点：由于使用温度高，存在高温腐蚀、性能不稳定、安全性差等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,Page 74,难度：需要一套稳定可靠的温度调节控制管理系统；制造具有足够强度、可靠性好、成本低、能传导离子 的高性能陶瓷电解质；解决陶瓷隔膜的老化、与硫接触材料的稳定性；蓄电池的密封与金属壳体的耐腐蚀等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.4 钠硫蓄电池,Page 75,锂电池是用金属锂作负极活性物质的电池的总称，它包括锂原电池和可充电的二次锂电池。由于锂的标准电极电位可达到-3.045V，因此以锂为负极组成的电池具有比能量大、电压高、放电电压平稳、工作温度范围宽以及寿命长等特点。锂电池是目前车用动力电池中最具有发展潜力的蓄电池。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 76,按工作时的电池温度分：可分为高温二次锂电池和常温二次锂电池；按照电解质物理形态分：液体二次锂电池、凝胶二次锂电池和固态二次锂电池；按电极材料可分：磷酸铁锂电池、锂离子电池、聚合物锂电池等。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 77,4.5.1 锂离子电池正极：相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物。【LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4等】负极：电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物。【各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物】,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 78,1、锂离子电池的工作原理（以正极为钴酸锂LiCoO2、负极为碳化锂LixC的锂离子电池为例）在充放电过程中，锂离子可逆地在化合物晶格嵌入和脱出反应。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 79,充电过程 正极：LiCoO2CoO2+Li+e-负极：6C+Li+e-C6Li 放电过程 正极：CoO2+Li+e-LiCoO2 负极：C6Li6C+Li+e-,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 80,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,图4.8 锂离子反应示意图,Page 81,2、锂离子电池的特点优点：能量密度高、输出电压高、循环寿命长、安全性能好、自放电小、环保性能好、充放效率高、可实现快速充电、工作温度范围宽缺点：成本高、须有特殊的保护电路。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 82,4.5.2 磷酸铁锂电池用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料的锂离子电池。具有良好的电化学性能，充放电平稳，充放电过程中材料结构稳定，并且该材料还具有无毒、无污染、安全性能好、可在高温环境下使用等优点。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 83,表4.3 锂电池的几种典型正极材料的特性比较,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 84,1、磷酸铁锂电池的结构与工作原理正极：LiFePO4，具有橄榄石结构。负极：层状石墨。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 85,充电过程正极：LiFePO4FePO4+Li+e-负极：6C+Li+e-C6Li放电过程正极：FePO4+Li+e-LiFePO4负极：C6Li6C+Li+e-,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 86,2、磷酸铁锂电池的性能特点磷酸铁锂电池的标称电压为3.2V，终止充电电压为3.6V，终止放电电压为2.0V。优点：成本低、寿命长、安全性好、环保性好、温度特性好、充放电特性好。缺点：振实密度较低，一般只能达到（1.31.5）g/cm3。【振实密度】在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积质量。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 87,4.5.3 聚合物锂离子电池高分子锂电池，属于第二代可充电锂离子电池。聚合物锂离子电池与其他锂离子电池的主要区别在于电解质的不同，锂离子蓄电池使用的是液体电解质，聚合物锂离子电池则用固态聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 88,类别：固体聚合物电解质锂离子电池；凝胶聚合物电解质锂离子电池；聚合物正极材料的锂离子电池（较有发展潜力）。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 89,1、聚合物锂离子电池的工作原理正极：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2和LiMn2O4等负极：高分子导电材料、聚乙炔、聚苯胺或聚对苯酚等,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 90,2、聚合物锂离子电池的性能特点聚合物锂离子单体电池的工作性能指标：工作电压为3.8V，质量比能量为150Wh/kg，体积比能量为246Wh/L，比功率为315W/kg，循环寿命大于300次，自放电小于0.1%/月，工作温度为-2560，充电速度1h达到80%容量，3h达到100%容量。,新能源汽车技术，Faculty of New Energy Vehicles，May,2014,第4章 新能源汽车的储能装置4.5 动力锂电池,Page 91,优点:安全性能好、小型化程度高、超薄化、轻量化、使用范围宽、自放电小、能量密度高及成本低等。【安全性能好】：在结构上采用了铝塑软包装，不存在漏液问题；保护线路的设计也相应简化，节约成本；适宜在较高温度下工作。,新能源汽车技术，Faculty of New E