2-3 混合動力汽車的電能儲存裝置

1、 第二章 混合動力汽車構造與工作原理 2-3 混合動力汽車的電能儲存裝置教學回顧：1、 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的基本結構和控制模式。2、 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的基本結構和控制模式。3、 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的基本結構和控制模式。4、 豐田普銳斯混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)低油耗的原理。學習目標：1、熟悉混合動力汽車電能儲存裝置的種類。2、熟悉蓄電池的主要性能指標。 3、熟悉鉛酸電池的分類與特點。 4、熟悉鎳氫（Ni-MH）電池、鋰離子電池的結構組成、工作原理與性能特點。 5、熟悉蓄電池管理系統(tǒng)的功能與組成。 6、熟悉電動汽車的著電池充電器的基本功能與組成。引言： 在混合動力汽車上，動力蓄電池是一個非常重要的部分

2、，它必須具有強大的能量，以保證車輛正常行駛需求；同時還還必須具有非常高的安全性。所以本章節(jié)我們來一起學習認識下混合動力汽車的電能儲存裝置。主要內容： 1、 混合動力汽車電能儲存裝置的種類 混合動力汽車的電能儲存裝置可以分為二次電池、超級電容和飛輪電池三類。1.二次電池二次電池也稱為可充電電池?，F(xiàn)代混合動力汽車上的最常見的二次電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鎳一金屬氫電池等。2.超級電容超級電容又稱為電化學含器，是一種新型的、雙層面電容器，與常見的物理電容器不同。其特點是電密量大，比物理電含蓋的限碳容量高34個數(shù)量級，達到10F/A以上。3.飛輪電池又稱為飛輪儲能器、高速或超高速飛輪儲能

3、器等，是利用飛輪高速旋轉儲能和釋放電能的一種裝置。這種電能儲存裝置目前應用較少。 二、蓄電池主要性能指標在混合動力汽車上，動力蓄電池必須是具有強大能量的動力電源，除了作為驅動動度源外，還要向空調系統(tǒng)、動力轉向系統(tǒng)等提供電力能源。另外有的還要為點火系統(tǒng)、黑明信號系統(tǒng)、刮水器和噴淋器以及車載娛樂和通信設備等裝備提供低壓電源。各種蓄電池一般是供給直流電，然后經(jīng)過變頻器或誕變器轉換成頻率和電壓幅值可調的交流電，供給驅動電動機來驅動車輛行駛。在混合動力汽車上蓄電池是輔助電力能源，用作為發(fā)動機的輔助動力源，提高整車的動力性能或作為電動機驅動車輛時的電力能源。1、電壓（V)1)開路電壓電池在開路時的端電壓，

4、一般開路電壓與電池的電動勢近似相等。2）額定電壓電池在標準規(guī)定條件下工作時應達到的電壓。3）終止電壓電池在一定標準所規(guī)定的放電條件下放電，電池的電壓將逐漸降低，當電池不宜再繼續(xù)放電時，電池最低的工作電壓稱之為終止電壓。2、電池容量（AH）1）根據(jù)著電池活性物質的特性，按法拉算定律計算出的最高理論值，一般用質量容量（Ah/kg）或體積容量（Ah/L）來表示。2）實際容量在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時間的系積。3）荷電狀態(tài)（SOC）荷電狀態(tài)是指參加反應電池容量的變化。SOC=1即表示電池為充滿狀態(tài)。隨著蓄電池放電，蓄電池的電荷逐漸減少，此時，可以用SOC的百分數(shù)的相對量來表示蓄電

5、池中電荷的變化狀態(tài)。一般蓄電池放電高效率區(qū)為50%80%SOC。對SOC精確的實時辨識，是電池管理系統(tǒng)的一個關鍵技術。3、能量（Wh、kWh)電池的能量決定電動汽車的行駛距離。1)標稱能量按一定標準所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量，電池的標稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。2）實際能量在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實際能量是電池的實際容量與平均工作電壓的乘積。電池的質量包括電池本身結構件質量和電解質質量的總和。3）比能量（Wh/kg）指動力蓄電池組單位質量中所能輸出的能量。一般混合動力汽車所采用的動力蓄電池，要求有較大的比能量。比能量是保證混合動力汽車達到基本合理的行駛里程的

6、重要性能，連續(xù)2h放電率的比能量至少不低于44Wh/kg。4）能量密度（Wh/L）動力著電池組的能量密度是指動力蓄電池組單位體積中所能輸出的能量。4、功率（W，KW）在一定的放電條件下，電池在單位時間內所輸出的能量，電池的功率決定混合動力汽車的加速性能。一般有：1）比功率（W/kg）2）功率密度（W/L）5、內阻電流通過電地內部時受到的阻力，使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內阻。由于電池的內阻作用，使得電池在放電時端電壓低于電動勢和開路電壓；在充電時的端電壓高于電動勢和開路電壓。6、循環(huán)次數(shù)（次）蓄電池的工作是一個不斷充電一放電一充電一放電的循環(huán)過程，按一定標準的規(guī)定放電，當電池的容量降到某

7、個規(guī)定值前，就要停止繼續(xù)放電，然后就需要充電才能繼續(xù)使用。在每一個循環(huán)中，電池由的化學活性物質要發(fā)生一次可逆性的化學反應。隨著充電和放電次數(shù)的增加，電池中的化學活性物質會發(fā)生老化變質，逐浙削弱其化學功能，使得電池的充電和放電的效率逐漸降低，最后電池損失全部功能而報廢。對于混合動力汽車，蓄電池的循環(huán)壽命要求不低于1000次。7、放電倍率（放電率）一般用電池在放電時間或放電電流與額定電流的比值來表示。1）放電時率電池以某種電流輕度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時，所經(jīng)過的時間。2）倍率電池以某種電流強度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。8、自放電率自放電率指電池在存放時間內，在沒有負荷的條件下自身

8、放電，使得電池容量損失的速度，自放電率用單位時間（月/年）內電池容量下降的百分數(shù)來表示。9、記憶效應蓄電池經(jīng)過長期淺充放電循環(huán)后，進行深放電時，表現(xiàn)出明顯的容量損失和放電電壓下降，經(jīng)數(shù)次全充/放電循環(huán)后，電池特性即可恢復的現(xiàn)象。三、鉛酸蓄電池以酸性水溶液為電解質的蓄電池稱為酸蓄電池。由于電池電極是以鉛及其氧化物為材料，故又稱為鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池廣泛用于燃油汽車的啟動。鉛酸蓄電池按其工作環(huán)境又可分為移動式和固定式兩大類。固定式鉛酸蓄電池按電池槽結構分為半密封式與密封式，半密封式又有防酸式與消氫式。依據(jù)排氣方式，密封式鉛酸蓄電池可分為排氣式和非排氣式兩種。鉛酸蓄電池的特點是開路電壓高，放電電壓

9、平穩(wěn)，充電效率高，能夠在常溫下正常工作，生產(chǎn)技術成熟，價格便宜。四、鎳氫（Ni-MH）電池鎳氫電池是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，它也是一種堿性電池。有高倍率的放電特性，短時間可以以3C（C為按額定電流放電時的實際放電容量）放電。1.鎳氫（Ni-MH）電池的工作原理鎳氫電池的正極，是球狀氫氧化鎳粉末與添加劑鉆等金屬、塑料和黏合劑等制成的涂膏，用自動涂膏機涂在正極板上，然后經(jīng)過干燥處理成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。在正極材料Ni中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，對穩(wěn)定電極的性能有明顯的改進。采用高分子材料作為黏合劑或用擠壓和軋制成的泡沫鎳電極，并采用鎳粉、石墨等作為導電劑，可以提高大電流

10、時的放電性能。鎳氫電池的負極的關鍵技術是儲氫合金，要求儲氫合金能夠穩(wěn)定地經(jīng)受反復的儲氣和放氣的循環(huán)。電解質是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物。在電池充電過程中，水在電解質溶液中分解為氫離子和氫氧離子，氫離子被負極吸收，負極由金屬轉化為金屬氫化物。在放電過程中，氫離子離開了負極，氫氧離子離開了正極，氫離子和氫氧離子在電解質氫氧化鉀中結合成水并釋放電能。正極：Ni=NOOH+H+e負極：M+O+e=MH+OH電池總反應：Ni+M=NiOOH+MH2、鎳氫電池的結構鎳氫電池由氫氧化鎳Ni（OH）2正極、儲氫合金負極、隔膜紙、氫氧化鉀電解質、外殼、頂蓋、密封圈等組成。在正負極之間有隔膜，共同組成鎳氫單

11、體電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應。3、鎳氫電池的特點保氫電池的單體電池的電壓為1.2V，比能量7580Wh/kg，能量密度達200Wh/L，比功率160230W/Ag，功率密度400600W/L，充電18min可恢復40%80%的容量；鎳氫電池中沒有Pb和Cd等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染，鎳氫電池可以隨充隨放，且無“記憶效應”。五、鋰離子電池鋰離子電池出現(xiàn)在20世紀90年代初期，在短短十幾年的時間里，得到快速發(fā)展，被認為是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛣恿π铍姵?。與其他蓄電池比較，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度

12、范圍寬和安全可靠等優(yōu)點。1、鋰離子電池的分類按照鋰離子電池的外形形狀可分為方形鋰離子電池和圓柱形鋰離子電池。鋰離子電池的發(fā)展呈現(xiàn)出多方向并舉的局面。發(fā)展方向的不同主要在于所采用的正極材料的不同，因為正極材料的性能將很大程度地影響電池的性能，同時正極材料也直接決定電池成本的高低。鋰離子電池的正極材料的發(fā)展引領了鋰離子電池的發(fā)展。目前已批量應用于鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。但鈷金屬儲量少，價格昂貴。目前應用最廣泛的是磷酸鐵鋰電池和三元聚合物鋰電池。2、鋰離子電池的結構鋰離子電池主要由正極（含鋰化合物），負極（碳素材料），電解液，隔膜和安全閥等組成。鋰離子電池結構如圖所

13、示。3、鋰離子電池的工作原理鋰離子電池使用錘碳化合物（LiC）作負極，鋰化過渡金屬氧化物（Lih-MQ.）作正極，液體有機溶液或固體聚合物作電解液。在充放電過程中，鋰離子在電池正極和負極間往返流動。電化學反應式為：負極：Li-e- Li+ 正極：MnO2+e- MnO2-總反應式：Li+MnO2+ LiMnO2電池充電時，正極上鋰原子電離成鋰離子和電子（脫嵌），鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極，得到電子，被還原成鋰原子嵌入到碳層的微孔中（插入）。電池放電時，嵌在負極碳層中的鋰原子，失去電子（脫插）成為鋰離子，通過電解液，又運動回正極（嵌入）。工作原理如何所示。鋰電池的充放電過程，也就是鋰離子在正負極

14、間不斷嵌入和脫嵌的過程，同時伴隨著等當量電子的嵌入和脫嵌。鋰離子數(shù)量越多，充放電容量就越高。4、鋰離子電池特點鋰離子電池有許多顯著特點，它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面。1）工作電壓高鋰離子電池工作電壓為3.6V，是鎳氫和鎳鎘電池工作電壓的3倍。2）比能量高鋰離子電池比能量已達到300Wh/kg，鎳氫電池的3倍。3）循環(huán)壽命長目前鋰離子電池循環(huán)壽命已達到1000次以上，在低放電深度下可達幾萬次。4）自放電率低鋰離子電池月自放電率僅為6%8%，遠低于鎳鎘電池（25%30%）和鎳氫5%20%）。5）無記憶性可以根據(jù)要求隨時充電，而不會降低電池性能。6）對環(huán)境無污染鋰離子電池中不存在有害物質，是名副其

15、實的“綠色”電池。7）能夠制造成任意形狀鋰離子電池也有一些不足1）成本高主要是正極材料LiCo02的價格高，按單位能量（Wh)的價格來計算，已經(jīng)低于氫電池，與鎳銅電池持平，但高于鉛酸蓄電池。2）必須有特殊的保護電路，以防止過充和過放。六、蓄電池管理系統(tǒng)1.混合動力汽車的電池組管理系統(tǒng)簡介混合動力汽車除動力蓄電池組提供主要電源外，還有發(fā)動機、發(fā)電機組向動力蓄電池組通過轉換器不斷地補充電能。根據(jù)電動車輛所采用的電池的類型和動力蓄電池組的組合方法，電池組管理系統(tǒng)主要包括熱（溫度）管理子系統(tǒng)、電池組管理子系統(tǒng)和線路管理子系統(tǒng)等。如圖。1）熱（溫度）管理子系統(tǒng)混合動力汽車的動力蓄電池在工作時都會有發(fā)熱現(xiàn)

16、象，不同電池發(fā)熱程度不一樣。為了保證電池的安全和良好的散熱，必須對電池的工作溫度實時監(jiān)控，對熱量進行管理。2）電池組管理子系統(tǒng)電池組管理子系統(tǒng)的作用是對電池的組合、安裝、充電、放電、電壓、電流、電池中各個電池的不均衡性、電池的熱管理和電池的維護等進行監(jiān)控和管理，提高電池組的工作效率，保證正常工作。3）線路管理子系統(tǒng)線路管理子系統(tǒng)管理電池與電池、電池組與電池組之間的線路。在各個電池組之間還需要安裝連接導線將各個電池組串聯(lián)起來，一般在電池組與電池組之間，裝有手動和自動斷電器，以便在安裝、拆卸和檢修時切斷電流。2、動力蓄電池組管理系統(tǒng)功能與組成動力蓄電池組管理系統(tǒng)要承擔動力蓄電池組的全面管理，一方面

17、保證動力蓄電池組的正常運作，顯示動力蓄電池組的動態(tài)響應并及時報警，使駕駛員隨時都能掌握電池的情況；另一方面要對人身和車輛進行安全保護，避免因電池引起的各種事故?；竟δ埽?） 電池管理。監(jiān)視動力蓄電池組的雙向總電壓和電流、電池的溫度變化，并通過顯示屏動態(tài)顯示總電壓、電流、溫升的變化，避免電池過充、過放和過熱。2） 單節(jié)電池管理。監(jiān)測單節(jié)電池的電狀態(tài)，對單節(jié)電池的動態(tài)電壓和溫度進行實時測量，以便及時發(fā)現(xiàn)單節(jié)電池存在的問題，并采取有效的預防措施。3） 荷電狀態(tài)的估計和故障診斷。電池管理系統(tǒng)具有荷電狀態(tài)的估計和故障診斷功能，能有效的反映和顯示荷電狀態(tài)動力蓄電池管理系統(tǒng)的組成：綜合動力蓄電池組管理系統(tǒng)

18、的各種功能，動力蓄電池管理系統(tǒng)的基本組成如下圖所示。帶有溫度測量裝置的動力蓄電池組管理系統(tǒng)的基本組成如下圖所示。它是利用損壞的電池在充電過程中電池溫度高于正常電池溫度的原理，用溫度傳感器來測定和監(jiān)控每一個電池在充電過程中溫度是否在允許的范圍內。如果發(fā)現(xiàn)溫度異常，SOC顯示也不正常時，即向管理系統(tǒng)反饋電池在線的響應信息，并由故障診斷系統(tǒng)預報故障。八、電動汽車蓄電池充電器1、蓄電池充電器的基本功能基本功能由3個，即對市電（世界各國常用交流電頻率由50HZ和60HZ兩種，民用電壓有100V至380V不等）進行電力變換并提供直流電；供給與蓄電池額定條件對應的電力；當蓄電池充滿后自動停止充電。2、動力蓄電池充電器的分類1)根據(jù)充電器所在位置?？煞譃檐囕d充電器和非車載充電器兩種。車載充電器裝在車內，一般為小充電率，