第2章電動汽車動力電池

1概述2蓄電池結(jié)構(gòu)與原理3蓄電池的管理系統(tǒng)第二章電動汽車動力電池蓄電池的分類

按蓄電池電解質(zhì)分類可分為酸性電池、

堿性電池、中性電池以及有機電解液電池等。

按蓄電池正極和負(fù)極材料的不同，可將蓄電池分為鋅系電池、鎳系電池、鉛系電池、鋰系電池及金屬空氣（氧氣）系列電池等。概述蓄電池的性能參數(shù)

電壓：蓄電池的電壓（端電壓）是指其正極與負(fù)極之間的電位差。

開路電壓：蓄電池未向外電路輸出電流時的端電壓。

放電電壓：蓄電池向外輸出電流時的端電壓。

充電電壓：在充電電源對蓄電池進(jìn)行充電時，蓄電池的端電壓。概述蓄電池的性能參數(shù)

容量：蓄電池的容量是指在允許放電范圍內(nèi)所能輸出的電量，包括理論容量、實際容量、i小時放電率容量以及額定容量等。

能量：蓄電池的能量是指在一定的放電條件下，蓄電池所輸出的電能，標(biāo)稱能量、實際能量、比能量、能量密度等。概述各種電池的比能量概述蓄電池的性能參數(shù)

功率：蓄電池的功率是指在規(guī)定的放電條件下，蓄電池單位時間所能輸出的電能，包括比功率、功率密度。

壽命：蓄電池的壽命通常用使用時間或循環(huán)壽命來表示。概述蓄電池常用術(shù)語

終止電壓：終止電壓是指充電或放電結(jié)束時的電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓。

充電終止電壓：蓄電池在充電結(jié)束（充足電）時，其充電電壓已上升至極限，繼續(xù)充電就將使蓄電池過充電，這個高限電壓就稱為充電終止電壓。

放電終止電壓：蓄電池在放完電時，其放電電壓已下降至極限，繼續(xù)放電將導(dǎo)致蓄電池過度放電，這個低限電壓就稱為放電終止電壓。概述蓄電池常用術(shù)語

i小時放電率：i小時放電率是指蓄電池以恒定的電流放電，以該恒定電流放電i小時，正好使蓄電池放電至終止電壓（放完電）。

過充電：蓄電池已充足電后的充電即為過充電。此外，充電電流大于蓄電池充電可接受電流時，繼續(xù)以該電流充電也屬于過充電。概述蓄電池常用術(shù)語

過放電：蓄電池已放電至終止電壓（已放完電）后，繼續(xù)放電即為過放電。

荷電狀態(tài)：蓄電池的荷電狀態(tài)SOC（StateofCharge）在數(shù)值上等于蓄電池剩余的容量與蓄電池額定容量的比值，用于描述蓄電池在充放電過程中的存電狀態(tài)。概述蓄電池常用術(shù)語

放電深度蓄電池的放電深度DOD（DepthofDischarge）在數(shù)值上等于蓄電池已

放出的電量與蓄電池額定容量的比值，用于描述蓄電池在放電過程中所達(dá)到的放電深度。

不一致性：是指蓄電池組中的各個蓄電池的電壓、容量、內(nèi)阻等存在差異。

均衡充電：是針對有不一致性的蓄電池組所進(jìn)行的特殊充電方法，旨在減小或消除

蓄電池組的不一致性。概述純電動汽車對蓄電池的性能要求1、蓄電池的容量要足夠大2、蓄電池可實現(xiàn)深度放電3、蓄電池的比能量和能量密度要盡可能大4、蓄電池的可接受充電電流要大概述混合動力電動汽車對蓄電池的性能要求1、蓄電池的峰值功率要大2、循環(huán)壽命要長3、蓄電池在工作時，其SOC應(yīng)盡可能保持在50%～85%的范圍之內(nèi)概述插電式混合動力電動汽車對蓄電池的性能要求1、在深度放電的情況下，仍然有較長的循環(huán)壽命。2、在低SOC狀態(tài)下，能實現(xiàn)大功率電能輸出。3、在高SOC狀態(tài)下，能接受大電流充電。4、在保持高SOC狀態(tài)的情況下，可延長其使用壽命。5、比能量及能量密度高，以減小蓄電池組的質(zhì)量和體積。6、安全性好。概述鉛酸蓄電池的種類

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。固定型鉛酸蓄電池按電池槽結(jié)構(gòu)分為半密封式及密封式，半密封式又有防酸式及消氫式。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，放電電壓平穩(wěn)，充電效率高，能夠在常溫下正常工作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，價格便宜，規(guī)格齊全。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鉛酸蓄電池的特點蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鉛酸蓄電池的工作原理

鉛酸蓄電池的放電和充電的反應(yīng)過程，是鉛酸蓄電池活性物質(zhì)可逆進(jìn)行的化學(xué)變化過程。它們可以用下列化學(xué)反應(yīng)方程式表示：蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鉛酸蓄電池的構(gòu)造

鉛酸蓄電池的基本單元是單體電池（Batterycell）。每個單體電池都是由正極板、負(fù)極板和裝在正極板和負(fù)極板之間的隔板組成。每個單體電池的基本電壓為2V，然后將不同容量的單體電池按使用要求進(jìn)行組合，裝置在不同的塑料外殼中，來獲得不同電壓和不同容量的鉛酸蓄電池。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鉛酸蓄電池的構(gòu)造蓄電池結(jié)構(gòu)與原理安裝了排氣閥的鉛酸蓄電池的構(gòu)造蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-鎘電池的工作原理

鎳-鎘電池是以羥基氫氧化鎳為正極，金屬鋼為負(fù)極，水溶性氧化鉀溶液為電解質(zhì)，在鎳-鎘電池充電和放電的化學(xué)反應(yīng)過程中，電解液基本上不會被消耗。為了提高壽命和改善高溫性能，通常在電解液中加入氧化鋰。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-鎘電池的構(gòu)造

鎳-鎘電池的每個單體電池都是由正極板、負(fù)極板和裝在正極板和負(fù)極板之間的隔板組成。將單體電池按不同的組合裝置在不同塑料外殼中，可得到所需要的不同電壓和不同容量的鎳-鎘電池總成，在市場上有多種不同型號規(guī)格的鎳-鎘電池總成可供選擇。在灌裝電解液，并經(jīng)過充電后，就可以從電池的接線柱上引出電流。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-鎘電池的構(gòu)造

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-鎘電池的特點

鎳-鎘電池的工作電壓較低，單體電池的標(biāo)稱電壓為1.2V。比能量為55W·h/kg，比功率可以超過225W/kg，循環(huán)使用壽命2000次以上。可以進(jìn)行快速充電，充電15min可恢復(fù)50%的容量，充電1h可恢復(fù)100%的容量，但一般情況下完全充電需要6h。深放電達(dá)100%，自放電率低于0.5%/天?？梢栽?40～80℃的環(huán)境溫度條件下正常工作?？焖俪潆娔芰姡潆?8min即可從40%達(dá)到80%容量。同時，鎳-鎘電池具有記憶效應(yīng)。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫（Ni-MH）電池

鎳-氫電池也是一種堿性電池，鎳-氫電池的標(biāo)稱電壓為1.2V，比能量可達(dá)到70～80W·h/kg，比功率可達(dá)到200W/kg。具有高倍率的放電特性，短時間可以以3C放電，瞬時脈沖放電率很大。鎳-氫電池的過充電和過放電性能好，能夠帶電充電，并可以快速充電。采用全封閉外殼，可以在真空環(huán)境中正常工作。低溫性能較好，能夠長時間存放。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，不會出現(xiàn)鎳-鎘在沒有放完電后即充電而產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-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鈷等金屬、塑料和黏合劑等制成的涂膏，涂在正極板上經(jīng)過干燥處理成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。鎳-氫電池的負(fù)極的關(guān)鍵技術(shù)是儲氫合金，要求儲氫合金能夠穩(wěn)定的經(jīng)受反復(fù)的儲氣和放氣的循環(huán)。電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫電池的構(gòu)造

鎳-氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳

，負(fù)極是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳-氫單格電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。鎳-氫電池的特性與鎳-鎘電池基本相同，但氫氣是沒有毒性的物質(zhì)，無污染，安全可靠。使用壽命長，而且不需要補充水分。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫電池的構(gòu)造

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫電池的充、放電特性

放電特性D型鎳-氫電池（由6個單電池組件）放電時，2C（C為按額定電流放電時的實際放電容量）的功率輸出時的質(zhì)量比功率可達(dá)到600W/kg以上，3C的功率輸出時的質(zhì)量比功率可達(dá)到500W/kg以上，深度范圍內(nèi)質(zhì)量比功率的變化比較平穩(wěn)，對電動汽車的動力性能的控制十分有利，電池的壽命可以達(dá)到100000km以上。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫電池的充、放電特性

充電特性D型鎳-氫電池的充電接受性很好，充電效率幾乎達(dá)到l00%，能夠有效地接受電動汽車在制動時反饋的電能。另外，由于能量損耗較小，鎳-氫電池的發(fā)熱量被抑制在最小的極限范圍內(nèi)，可以有效地控制荷電狀態(tài)，并用電流來顯示電池的荷電狀態(tài)。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫電池的充、放電特性

壽命

電動汽車動力電池組是經(jīng)常處于充電、放電狀態(tài)，而且充電、放電是不規(guī)則地進(jìn)行，這對電池的壽命帶來嚴(yán)重的影響，松下電氣公司，用模擬電動汽車行駛工況對鎳-氫電池進(jìn)行仿真試驗，證實鎳-氫電池的特性幾乎不發(fā)生變化，鎳-氫電池用于電動汽車是比較合適的。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鎳-氫電池的特點

鎳-氫電池的單體電池的電壓力l.2V，3h比能量75～80W·h/kg，能量密度達(dá)到200W·h/L，比功率160～230W/kg，功率密度400～600W/kg。充電18min可恢復(fù)40%～80%的容量，應(yīng)急補充充電性能好，一次充電后行駛里程長，而且起動加速性能較好?？梢栽诃h(huán)境溫度-28～80℃條件下正常工作。循環(huán)壽命可達(dá)到6000次或7年。但在高溫條件下使用時電荷量急劇下降，自放電損耗較大，價格較貴。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池

鋰離子電池是目前世界最新一代的充電電池。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(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點，它已成為未來電動汽車較為理想的動力電源。相比于鎳-氫電池，混合動力汽車采用鋰離子電池，可使電池組的質(zhì)量下降40%～50%，體積減小20%～30%，能源效率也有一定程度的提高。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的分類

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。

按照鋰離子電池正極材料的不同，汽車用鋰離子電池主要分為：錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池、鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔板、電解液和安全閥等組成。圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖所示。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的優(yōu)點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(dá)到150W·h/kg，是鎳-鎘電池的3倍，鎳-氫電池的1.5倍。3、循環(huán)壽命長。目前鋰離子電池循環(huán)壽命已達(dá)到1000次以上，在低放電深度下可達(dá)幾萬次，超過了其他幾種二次電池。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的優(yōu)點4、自放電率低。鋰離子電池月自放電率僅為6%～8%，遠(yuǎn)低于鎳-鎘電池（25%～30%）和鎳-氫電池（15%～20%）。5、無記憶性?？梢愿鶕?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(zhì)，是名副其實的“綠色電池”。7、能夠制造成任意形狀。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池正極材料采用鋰化合物L(fēng)iCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)ixC6，電解液為有機溶液。典型的電池體系為

（-）C|LiPF6——EC+DEC|LiCoO2（+）

電池充電，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的工作原理蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充放電特性

在電壓方面，鋰離子電池對充電終止電壓的精度要求很高，一般誤差不能超過額定值的1%。終止電壓過高，會影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過充電現(xiàn)象，對電池造成永久性的損壞；終止電壓過低，又會使充電不完全，電池的可使用時間變短。

充電電流方面，鋰電池的充電率（充電電流）應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可達(dá)2C，但常用的充電率為0.5～1C。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充放電特性

放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在2～3C左右。更大的放電電流會使電池發(fā)熱嚴(yán)重，對電池的組成物質(zhì)造成損壞，影響電池的使用壽命。同時，由于大電流放電時，電池的部分能量轉(zhuǎn)變成熱能，因此電池的放電容量將會降低。在造成過放電（低于3.0V）時，還會造成電池的失效。對于過放電的鋰離子電池，在充電前需要進(jìn)行預(yù)處理，即使用小電流充電，使電池內(nèi)部被過放電的單元被激活。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法

兼顧充電過程的安全性、快速性和電池使用的高效性，鋰離子電池通常都采用恒流恒壓充電方法，其充電過程可分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電三個階段。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法

預(yù)充電階段

在該狀態(tài)下，首先檢測單節(jié)鋰離子電池電壓是否較低（＜3.0V），如果是則采用涓流充電，即一個比較小的恒定電流對電池進(jìn)行充電直至電池電壓上升到一個安全值。否則可省略該階段，這也是最普遍的情況。因為預(yù)充電主要是完成對過放的鋰電池進(jìn)行修復(fù)。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法

恒流充電階段

涓流充電后，充電器轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)。充電電流保持不變的較大的值，電池的最大充電電流決定于電池的容量。

在恒流充電和預(yù)充電狀態(tài)下，可以采用以下兩種恒流充電終止法。1）電池最高電壓終止法。當(dāng)單節(jié)鋰電池電壓達(dá)到4.2V，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止；2）電池最高溫度終止法。在恒流充電過程中，當(dāng)電池的溫度達(dá)到60℃時，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法

恒壓充電階段

恒流充電結(jié)束后，則轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓保持恒定。因為鋰離子電池對充電電壓精度的要求比較高，單節(jié)電池恒壓充電電壓應(yīng)在規(guī)定值的±1%之間變化，因此要嚴(yán)格控制鋰離子電池的充電電壓。在恒壓充電過程中，充電器連續(xù)監(jiān)控電池的電壓、溫度、充電電流和充電時間。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法常用的恒壓充電終止方法有以下四種方法：1、電池最高電壓。當(dāng)單節(jié)鋰離子電池的電壓達(dá)到4.25V時，恒壓充電狀態(tài)自動終止；2、電池最高溫度。當(dāng)鋰離子電池的最高溫度達(dá)到60℃時，恒壓充電狀態(tài)自動終止；

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理鋰離子電池的充電方法3、最長充電時間。為了確保鋰離子電池安全充電，除了設(shè)定最高電壓和最高溫度外，還應(yīng)設(shè)置最長恒壓充電時間，在溫度和電壓檢測失敗的情況下，可以保證鋰電池安全充電；4、最小充電電流。在恒壓充電過程中，鋰離子電池的充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流下降到一定數(shù)值（通常為恒流充電電流的1/10）時，恒壓充電狀態(tài)自動終止。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理超級電容

超級電容器簡稱超級電容，又叫做雙電層電容器（ElectricalDoubleLayerCapacitor）。它具有超強的儲存電荷能力，是一種介于蓄電池和普通電容器之間的新型蓄能裝置。超級電容的工作原理

超級電容的主要組成部件是集電極（電容板）、電解質(zhì)和絕緣層。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理超級電容工作原理

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理超級電容的特點

1、充放電循環(huán)壽命很長。2、可以提供很大的放電電流。3、可以實現(xiàn)快速充電。4、工作溫度范圍很寬。5、安全無毒。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理飛輪電池

飛輪電池主要由飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器等組成。當(dāng)飛輪以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時，就具有了一定的動能。飛輪是整個蓄能裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的蓄能量。對飛輪電池充電時，通過電能而使電機旋轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動飛輪加速旋轉(zhuǎn)，飛輪儲存動能（機械能）。飛輪電池向外放電時，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動電機旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置將電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的頻率和電壓。

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理飛輪電池工作原理

蓄電池結(jié)構(gòu)與原理飛輪電池特點1、能量密度高。2、其能量轉(zhuǎn)換效率高、充電快。3、體積小、質(zhì)量輕。4、工作溫度范圍寬。5、使用壽命長。6、維護(hù)周期長。蓄電池結(jié)構(gòu)與原理電動汽車的電池組管理系統(tǒng)

電動汽車除動力電池組提供主要電源外，還有一個發(fā)動機-發(fā)電機組向動力電池組通過轉(zhuǎn)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電池組的組合方法，電池組管理系統(tǒng)主要包括：①熱（溫度）管理系統(tǒng)；②電池組管理系統(tǒng)；③電線線路管理系統(tǒng)。蓄電池的管理系統(tǒng)蓄電池的管理系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)

電動汽車上使用的動力電池組在工作時都會有發(fā)熱現(xiàn)象，不同的蓄電池的發(fā)熱程度各不相同，有的蓄電池可以采用自然通風(fēng)即可滿足電池組的散熱要求，但有的蓄電池則必須采取強制通風(fēng)來進(jìn)行冷卻，才能保證電池組正常地工作和延長蓄電池的壽命。蓄電池的管理系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)

根據(jù)動力電池組