第3章電動汽車能量源1

第3章電動汽車能量源3.1動力電池概述3.2鉛酸蓄電池3.3二次鋰電池3.4鎳氫蓄電池3.5鈉硫蓄電池3.6燃料電池3.7其它儲能裝置3.8電池性能的檢測方法3.9電池組的選擇與設(shè)計3.10電池的技術(shù)水平和發(fā)展方向電動汽車技術(shù)與原理第1頁充電式混合動力電動汽車電動汽車結(jié)構(gòu)電動汽車技術(shù)與原理第2頁“增程式”電動汽車

電動汽車結(jié)構(gòu)電動汽車技術(shù)與原理第3頁長/寬/高（mm）3524/1560/1494整備質(zhì)量（Kg）950額定/峰值功率（Kw）18/35最大扭矩(Nm)120電池鋰電池340V50Ah最高車速（km/h）120續(xù)駛里程

(km)150百公里能耗(Kwh)10奔奔純電動轎車電動汽車技術(shù)與原理第4頁高壓電源動力電池組是供電機(jī)工作的唯一動力電源，提供約150~380V高壓直流電?？照{(diào)系統(tǒng)的空壓機(jī)，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的油泵和制動系統(tǒng)的真空泵等，也需要動力電池組提供動力電能。低壓電源動力電池組通過DC/DC轉(zhuǎn)換器，供應(yīng)12V或24V低壓電，并儲存到低壓電池組中。低壓電池組是儀表、照明和信號裝置等工作的電源。車載電源配置電動汽車技術(shù)與原理第5頁奔奔純電動轎車結(jié)構(gòu)CAN線高壓線低壓線電動汽車技術(shù)與原理第6頁車載電源的發(fā)展第一代EV電池：鉛酸電池

優(yōu)點：技術(shù)成熟，成本低。

缺點：比能量和比功率低20小時率容量(C20(Ah))：36

額定電壓(v)：12V

長*寬*高(mm)：197*130*202

參考重量(kg)：10.6

市場價：￥500.00(約)電動汽車技術(shù)與原理第7頁

第二代高能電池：

鎳—鎘電池鎳—氫電池鋰離子電池鋅—空氣電池

優(yōu)點：比能量和比功率都比鉛酸電池高

缺點：復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，成本高車載電源的發(fā)展鎳氫電池鋰離子電池電動汽車技術(shù)與原理第8頁卡宴SHybrid鎳氫電池組位于后備箱下方

240個獨立單元288伏電壓1.7千瓦時能量在純電動模式下行駛大約2km最高車速60km/h

電動汽車技術(shù)與原理第9頁第三代電池：飛輪電池、超級電容器

優(yōu)點:效率高，充電和放電方便迅速不足：處于研制階段車載電源的發(fā)展電動汽車技術(shù)與原理第10頁3.1動力電池概述3.1.1化學(xué)電池的基本組成3.1.2電池的基本常識3.1.3電池的種類3.1.4電池的性能指標(biāo)3.1.5各種車用電池的性能比較電動汽車技術(shù)與原理第11頁3.1.1化學(xué)電池的基本組成電極（正極和負(fù)極）一般由活性物質(zhì)和導(dǎo)電骨架組成電解質(zhì)在電池內(nèi)部陰、陽極之間擔(dān)負(fù)傳遞電荷（帶電離子）的作用隔膜陰、陽極之間起到絕緣作用的薄膜、板材或膠狀物等

外殼盛放和保護(hù)電池電極、電解質(zhì)、隔膜的容器電動汽車技術(shù)與原理第12頁3.1.2電池的基本常識

1.電池的組合

蓄電池作為動力源，一般要求有較高的電壓和電流，所以需要將若干個單體電池通過串聯(lián)、并聯(lián)與復(fù)聯(lián)的方式組合成電池組使用。電池組合中對單體電池性能有嚴(yán)格的要求，在同一組電池中必須選擇同一系列、同一規(guī)格、性能盡可能一致的單體電池。電動汽車技術(shù)與原理第13頁3.1.2電池的基本常識2.電池的放電

電池放電是將電池內(nèi)儲存的化學(xué)能以電能方式釋放出來的過程，即電池向外電路輸送電流。

放電深度（DepthofdischargeDOD）

電池使用過程中，實際放電容量與額定容量的百分比來。

放電率指放電時的速率，常用時率或倍率表示。時率是指一定的放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)倍率是指規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量時所輸出電流的數(shù)值與額定值的倍數(shù)。電動汽車技術(shù)與原理第14頁20Ah容量的電池，20安培放電一小時放完，為1小時率（1H），1C倍率放電10H率，就是放電電流減少到1C的1/10,就是0.1C放電，對應(yīng)的電流為2安培20H率，就是放電電流減少到1C的1/20,就是0.05C放電，對應(yīng)的電流為1安培放電時率倍率電動汽車技術(shù)與原理第15頁練習(xí)問題：若電池額定容量為12Ah，充滿電后以2C倍率放電10分鐘，估算放電量。電流強度：12Ah×2/h=24A放電量：24A×（10/60）h=4Ah分析：電動汽車技術(shù)與原理第16頁3.1.2電池的基本常識

3.電池的充電

電池充電是將外部電源輸入蓄電池的直流電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來的過程。充電特性充電時蓄電池的電流、電壓與時間之間的關(guān)系。完全充電蓄電池內(nèi)所有可利用的活性物質(zhì)都已轉(zhuǎn)變成完全荷電狀態(tài)。充電率指充電時的速率，也用時率和倍率來表示。充電方式：恒壓充電，恒流充電，涓流充電，浮充電電動汽車技術(shù)與原理第17頁蓄電池的荷電狀態(tài)（state

of

charge

）

蓄電池充放電后剩余的容量與全荷電容量的百分比。3.1.2電池的基本常識

SOC=0表示電池放電完全；SOC=1表示電池完全充滿。電動汽車技術(shù)與原理第18頁假設(shè)在△t時間內(nèi)，電池以恒定電流放電，在時刻n其電池時間容量為：

△C為△t時間內(nèi)電池的放電量。

轉(zhuǎn)化為積分形式：

由上式可估算出t時刻電池SOCt：

安時法確定SOC電動汽車技術(shù)與原理第19頁3.1.2電池的基本常識

4.電池的極化

極化是電池由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)產(chǎn)生的電池電壓、電極電位的變化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象反映了由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)能量損失的大小，極化損失越小越好。極化現(xiàn)象也可理解為對平衡現(xiàn)象的偏離。熱力學(xué)平衡過程與可逆現(xiàn)象緊密相連?？赡孢^程或平衡過程的變化率是很小的，但實際過程必須有一定的速率，有時還要求有很高的速率。常見的極化現(xiàn)象有陽極極化、陰極極化、歐姆極化（電阻極化）、濃差和電化學(xué)極化等。電動汽車技術(shù)與原理第20頁3.1.2電池的基本常識5.記憶效應(yīng)

記憶效應(yīng)是指電池在沒有完全放電之前就重新充電，電池會儲存這一放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點，盡管電池本身的容量可以使電池放電到更低的平臺上，但在以后的放電過程中，電池將只記得這一低容量。同樣在每一次使用中，任何一次不完全的放電都將加深這一效應(yīng)，使電池容量逐漸變低。主要表現(xiàn)在鎳鎘電池中。電動汽車技術(shù)與原理第21頁

電池是電力汽車的動力源，是能量的存貯裝置。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關(guān)鍵是開發(fā)住比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低的電池。電動汽車動力電池化學(xué)電池物理電池生物電池3.1.3電池的種類電動汽車技術(shù)與原理第22頁3.1.3電池的種類生物電池利用生物（如生物酶、微生物或葉綠素等）分解反應(yīng)過程中表現(xiàn)出來的帶電現(xiàn)象所進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換

酶電池、微生物電池、生物太陽電池物理電池利用物理原理制成，能在一定條件下實現(xiàn)直接能量轉(zhuǎn)換

太陽能電池、飛輪電池、核能電池、溫差電池、超級電容化學(xué)電池將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置

原電池、蓄電池、燃料電池、（超級電容）電動汽車技術(shù)與原理第23頁3.1.3電池的種類化學(xué)電池分類方式：1.按電池的電解液種類

堿性電池、酸性電池、中性電池、有機(jī)電解液電池

2.按電池的正負(fù)極材料

鋅系列電池、鎳系列電池、鉛系列電池、鋰系列電池、二氧化錳系列電池、空氣系列電池3.按電池功能

一次電池、二次電池、燃料電池、貯備電池

電動汽車技術(shù)與原理第24頁鋅錳干電池鉛酸蓄電池化學(xué)電池電動汽車技術(shù)與原理第25頁車用化學(xué)電池結(jié)構(gòu)比較

結(jié)構(gòu)類型正極負(fù)極電解液隔板鉛酸電池PbO2純鉛硫酸溶液玻璃棉材料鎳氫電池NiOOH吸氫合金KOHNiOH

溶液維尼綸無紡布鋰離子電池LiCoO2鋰碳化合物有機(jī)溶劑聚烯烴薄膜電動汽車技術(shù)與原理第26頁物理電池3.6V太陽能電池草坪燈美國BOOSTCAP超級電容器(125V)電動汽車技術(shù)與原理第27頁電動機(jī)發(fā)電機(jī)飛輪輸入電能輸出電能機(jī)械能飛輪儲能原理威廉姆斯的電驅(qū)飛輪

物理電池電動汽車技術(shù)與原理第28頁飛輪電池軸承電機(jī)軸承真空容器飛輪電力電子裝置超級電容器物理電池電動汽車技術(shù)與原理第29頁生物電池陽極反應(yīng)：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-

陰極反應(yīng)：H2O2+2H++2e-→2H2O

電動汽車技術(shù)與原理第30頁3.1.4電池的性能指標(biāo)1.電池的容量

電池的容量是指完全充電的蓄電池在規(guī)定條件下所釋放的總電量，常用字母C來表示，其單位為安培時（A·h）。電池容量通常有以下幾種：理論容量，額定容量，可用容量，剩余容量。2.電池的能量

電池的能量是指在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池對外做功所能輸出的電能，其單位為瓦時（W·h）或千瓦時（kW·h）。電池的能量通常有如下幾種：總能量，充電能量，放電能量。電動汽車技術(shù)與原理第31頁3.1.4電池的性能指標(biāo)3.能量密度與功率密度分別指從蓄電池的單位質(zhì)量（或體積）所獲取的電能與輸出功率，也分別被稱為比能量與比功率。

（1）質(zhì)量能量密度，也稱質(zhì)量比能量，單位為W·h/kg。（2）體積能量密度，也稱體積比能量，單位為W·h/L。（3）質(zhì)量功率密度，也稱質(zhì)量比功率，單位為W/kg。（4）體積功率密度，也稱體積比功率，單位為W/L。

功率密度決定汽車的加速性、爬坡性和最高車速。能量密度決定汽車一次充電后的續(xù)駛里程。電動汽車技術(shù)與原理第32頁比亞迪e6鐵電池，重達(dá)600公斤能量密度100瓦時/千克一次充電60度

比亞迪e6鐵電池電動汽車技術(shù)與原理第33頁眾泰朗悅電動車的電池電池重量60*4=240kg續(xù)駛里程200公里電動汽車技術(shù)與原理第34頁日產(chǎn)的LEAF

能量24千瓦時，336KG，能量密度140瓦時/KG通用雪佛蘭Volt

能量為16千瓦時，181.4KG，能量密度88瓦時/KG比亞迪E6

能量為60千瓦時，600KG，能量密度100瓦時/KG2015年能量密度150，電池組125200公斤電池組25度電，續(xù)航里程100-250公里2020年能量密度200，電池組180200公斤電池組36度電，續(xù)航里程250-400公里電池能量密度發(fā)展預(yù)測電動汽車技術(shù)與原理第35頁3.1.4電池的性能指標(biāo)

4.電池的開路電壓

蓄電池處于開路狀態(tài)下電極兩端的電位差稱為開路電壓，一般用高內(nèi)阻的電壓表或萬用表測量。5.電池的內(nèi)阻

電池放電時的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化電阻。歐姆內(nèi)阻是電池中各組成部分的電子導(dǎo)電阻力、離子導(dǎo)電阻力及接觸電阻之和，與電極結(jié)構(gòu)和裝配工藝有關(guān)。極化電阻是電極反應(yīng)形成的，與電極反應(yīng)本質(zhì)及材料有關(guān)。電動汽車技術(shù)與原理第36頁3.1.4電池的性能指標(biāo)

6.電池的工作電壓、放電終止電壓和放電曲線

電池工作電壓是指電池放電時，電池兩極之間的電位差，也叫放電電壓或端電壓。工作電壓應(yīng)等于其開路電壓減去電池內(nèi)阻的壓降。與放電制度有關(guān)。放電制度是指電池放電時所規(guī)定的各種條件，主要包括放電方式（指連續(xù)或間斷）、放電電阻、放電電流、放電時間、放電終止電壓及放電環(huán)境溫度等。放電曲線表示在一定放電條件下，連續(xù)放電時電池的工作電壓隨時間變化的關(guān)系曲線。電動汽車技術(shù)與原理第37頁實際電壓源與外電路的聯(lián)接。電壓源US、電流I及其端電壓U的關(guān)系為這是表征直流電壓源端電壓U和電流I的外特性方程。US、R0是常數(shù)，從外特性方程可知，電源開路時，I=0，U=US；電源短路時，U=0，I=IS＝US/R0。端電壓開路電壓電動勢開路時，U=US，I=0，短路時，U=0，I=IS＝US/R0U=US-IR0I=US/(R+R0)電動汽車技術(shù)與原理第38頁常用化學(xué)電池電壓指標(biāo)

指標(biāo)類型額定電壓(v)放電終止電壓(v)充電終止電壓(v)鉛酸電池２1.752.7鎳氫電池１.211.5

鋰離子電池3.634.25電動汽車技術(shù)與原理第39頁電池放電曲線電動汽車技術(shù)與原理第40頁3.1.4電池的性能指標(biāo)

7.電池的壽命

電池的壽命是指電池使用時間或充電循環(huán)次數(shù)所表示的電池耐用性。循環(huán)充電電池經(jīng)歷一次充電和放電的過程，稱為一個循環(huán)或一個周期。在一定的充放電制度下，電池容量下降到某一規(guī)定值時，電池所能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)，稱為蓄電池的循環(huán)壽命。8.電池的溫度特性環(huán)境溫度是影響電池性能的重要因素。電池對環(huán)境溫度及溫度升高的情況都比較敏感。大部分都要求在較狹窄的溫度范圍內(nèi)工作，才能保持較高的性能，否則就會損壞。電動汽車技術(shù)與原理第41頁3.1.5各種車用電池的性能比較

電動汽車動力電源的主要要求有比功率高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全可靠、成本低、對使用環(huán)境溫度要求低、能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境污染小等。電動汽車的未來發(fā)展很大程度決定于動力電池的各項性能。為便于選取，有必要對各類車用動力電池的性能優(yōu)缺點做集中比較。電動汽車技術(shù)與原理第42頁各類車用動力電池的性能比較表電動汽車技術(shù)與原理第43頁各類車用動力電池的性能比較表（續(xù)）返回電動汽車技術(shù)與原理第44頁3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性3.2.3鉛酸蓄電池的種類及現(xiàn)狀3.2.4鉛酸蓄電池的應(yīng)用3.2鉛酸蓄電池電動汽車技術(shù)與原理第45頁3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第46頁3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第47頁3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理基本結(jié)構(gòu)

正極板、隔板、負(fù)極板正極板表面上附著一層褐色的二氧化鉛負(fù)極板是海綿狀的鉛板，顏色為深灰色電解液是濃度為（27～37）%的稀硫酸水溶液電動汽車技術(shù)與原理第48頁極板—由柵架和活性物質(zhì)組成分為正極板和負(fù)極板；以鉛—銻合金澆鑄成的柵架為骨架；柵架上填充活性物質(zhì)制成極板。

活性物質(zhì)正極板深棕色的二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板海綿狀、青灰色的純鉛(Pb)。3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第49頁普通型放射型柵架

分為普通型和放射型。其中放射型柵架具有輸出電流大、內(nèi)阻小的特點，在新型蓄電池中采用。3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第50頁極板組單格蓄電池極板組12V蓄電池極板組為了增大蓄電池的容量，每個單格蓄電池都由多個正、負(fù)極板組成極板組。極板組3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理每個正極板都處于兩片負(fù)極板之間，使正極板兩側(cè)充、放電均勻。負(fù)極板比正極板多一塊電動汽車技術(shù)與原理第51頁

極板組3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第52頁隔板3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理正、負(fù)極板之間裝有絕緣隔板，以防止極板之間短路。隔板有許多微孔，讓電解液暢通無阻。隔板一面平整，一面有溝槽。溝槽面對著正極板。使充放電時，電解液能通過溝槽及時供給正極板，當(dāng)正極板上的活性物質(zhì)PbO2脫落時能迅速通過溝槽沉入容器底部。隔板材料有木質(zhì)隔板、微孔橡膠、微孔塑料、玻璃纖維和紙板等。電動汽車技術(shù)與原理第53頁64%蒸餾水H2O+36%硫酸H2SO4=電解液密度：1.000密度：1.835密度：1.265電解液密度對蓄電池的容量和壽命影響大。密度大可以提高蓄電池的容量，減少結(jié)冰的危險。但粘度增加，流動性變差，使蓄電池的容量下降，而且腐蝕作用增強，降低極板和隔板的壽命。電解液3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理化學(xué)純的硫酸（H2SO4）和蒸餾水（H2O）按一定比例配制而成的硫酸水溶液。密度為1.24～1.31克/立方厘米。電動汽車技術(shù)與原理第54頁殼體采用耐酸、耐熱和耐震的硬橡膠或聚丙稀塑料制成整體式結(jié)構(gòu)。殼體內(nèi)分成６個互不相通的單格，每個單格內(nèi)裝有極板組和電解液組成一個單格的蓄電池。殼體底部有凸起的筋，用來支撐極板組，并使極板上脫落的活性物質(zhì)落入凹槽，防止極板短路。殼體3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第55頁聯(lián)條：串聯(lián)各單格電池，材料為鉛。加液孔蓋：蓄電池的每一個單格都有一個加液孔，加注電解液和檢測電解液密度；孔蓋上有通氣孔，應(yīng)經(jīng)常保持暢通，隨時排除蓄電池化學(xué)反應(yīng)放出的氫氣和氧氣，防止外殼脹裂和發(fā)生事故。附件3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理聯(lián)條加液孔蓋電動汽車技術(shù)與原理第56頁3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理基本原理電池兩端加上負(fù)荷時，在電池外部，電路電子流動形成電流，而在電池內(nèi)部，化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，電以離子的形式從一個電極到另一個電極。正電極在放電時，外界電路接收電子，形成還原反應(yīng)；負(fù)電極釋放電子到外界電路，形成氧化反應(yīng)；電解液的作用是給正負(fù)電極之間流動的離子創(chuàng)造一個液體環(huán)境，或者說充當(dāng)離子流動的介質(zhì)作用。

化學(xué)反應(yīng)方程式：電動汽車技術(shù)與原理第57頁1.電動勢的建立正極板：

PbO2→Pb4+Pb4++2e→Pb2+

＋2.0V負(fù)極板：Pb-2e→Pb2+

-0.1V兩極板之間的電動勢為2.1V

3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第58頁負(fù)極：Pb-2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO4

附在陰極板上2.放電時化學(xué)反應(yīng)正極：

Pb2++SO42-→PbSO4

附在陽極板上

電解液中：H++OH-→H2OSO42+→減少電解液濃度降低3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第59頁3.充電時化學(xué)反應(yīng)陽極的氧化反應(yīng)為陰極的還原反應(yīng)為充電時的總反應(yīng)為

隨著電流的通過，在陰極上變成蓬松的金屬鉛，在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有生成。3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第60頁4.水的電解充電時，隨著電池端電壓升高，水開始被電解；陽極給出電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流；端電壓越高，電解水也越激烈，此時充入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少；當(dāng)電壓達(dá)到約2.39V/單體時，水的電解不可忽視。

3.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和原理電動汽車技術(shù)與原理第61頁3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性多變量

影響電池充放電的因素很多，諸如電池中電解液的濃度、正負(fù)極板的活性物質(zhì)狀態(tài)及活躍程度、環(huán)境溫度、電池內(nèi)部的壓力，以及帶孔隔板的質(zhì)量等。非線性

鉛酸蓄電池的充電過程最大可接受充電電流隨時間成指數(shù)規(guī)律下降。離散性

隨著放電狀態(tài)、使用時間和放置時間長短的不同，相同類型的不同電池所表現(xiàn)出來的充電曲線也不盡相同，所以不能按照同一種方式充電。電動汽車技術(shù)與原理第62頁指蓄電池在靜止?fàn)顟B(tài)(不充電也不放電)下正負(fù)極板之間的電位差(即開路電壓)。它的大小與電解液的相對密度和溫度有關(guān)，當(dāng)相對密度在1.050～1.300的范圍內(nèi)時，可由下述經(jīng)驗公式計算其近似值：E0=0.85十25攝氏度的電解液相對密度25℃密度＝測量密度×（1-0.007×（25℃－實際溫度））汽車用蓄電池的電解液相對密度在充電時增高，放電時下降，一般在1.12～1.30之間波動，因此，蓄電池的靜止電動勢也相應(yīng)地變化在1.97～2.15V之間。靜止電動勢3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性電動汽車技術(shù)與原理第63頁內(nèi)電阻

蓄電池的內(nèi)電阻大小反映了蓄電池帶負(fù)載的能力。內(nèi)電阻越小，輸出電流越大，帶負(fù)載能力越強。由極板電阻、電解液電阻、隔板電阻及聯(lián)條電阻等組成。3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性電動汽車技術(shù)與原理第64頁1．鉛酸蓄電池的放電特性放電特性是將充足電的蓄電池，在以20h放電率的電流連續(xù)放電過程中，端電壓U、電動勢E和電解液密度ρ隨放電時間的變化規(guī)律。放電過程中，由于蓄電池內(nèi)阻有壓降IfR0，所以，蓄電池的端電壓總是小于其電動勢E，即：

Uf=E-IfR03.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性電動汽車技術(shù)與原理第65頁鉛酸蓄電池的放電曲線密度ρ隨著放電的進(jìn)行而直線下降，因此，在使用中可以根據(jù)電解液的密度來判斷蓄電池的放電程度。靜止電動勢E０與電解液的密度變化相似，單格蓄電池的放電終止電壓1.75V（10.5V）。電動汽車技術(shù)與原理第66頁蓄電池放電終了特征：（1）單格電池電壓降到終止電壓（2）電解液密度下降到最小許可值蓄電池在恒流放電過程中，端電壓的變化規(guī)律:(1)開始放電階段(2)相對穩(wěn)定階段(3)迅速下降階段電動汽車技術(shù)與原理第67頁2．鉛酸蓄電池的充電特性充電特性是指在恒電流充電過程中，蓄電池的端電壓U、電動勢E和電解液密度ρ隨時間變化的規(guī)律。充電時電源電壓必須克服蓄電池的電動勢和蓄電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓降ICR0，因此，充電過程中蓄電池的端電壓總是大于蓄電池的電動勢，即:UC=E+ICR03.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性電動汽車技術(shù)與原理第68頁鉛酸蓄電池的充電特性隨著充電的進(jìn)行，電動勢逐漸升高，電解液密度增大，充滿電后，單格蓄電池的電壓為2.1V（12.6V）。電動汽車技術(shù)與原理第69頁蓄電池充電終了特征：（1）電解液中有大量氣泡冒出，呈沸騰狀態(tài)（2）電解液密度和端電壓上升到規(guī)定值（2.7v)，且2～3小時保持不變蓄電池在恒流充電過程中，端電壓的變化規(guī)律:(1)開始充電階段(2)相對穩(wěn)定階段(3)迅速上升階段電動汽車技術(shù)與原理第70頁可以根據(jù)蓄電池的開路端電壓的大小，判斷充電情況：3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性電動汽車技術(shù)與原理第71頁3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性高效階段

兩極的硫酸鉛分別轉(zhuǎn)換成了鉛和二氧化鉛，充電接受率高，接近100%。這個階段在溫度和充電率都保證的情況下單體端電壓達(dá)到2.39V時結(jié)束?；旌想A段

水解副反應(yīng)和充電主反應(yīng)同時進(jìn)行，此時的充電接受率逐步下降。當(dāng)兩個反應(yīng)達(dá)到平衡時，即電池兩端電壓與稀硫酸溶液濃度不再上升，這表示電池已經(jīng)充滿電。析氣階段

蓄電池已經(jīng)被充滿電，電池中所進(jìn)行的反應(yīng)只有水解副反應(yīng)，再加上緩慢進(jìn)行的自放電反應(yīng)。此時會產(chǎn)生大量的氣體，主要是氫氣和氧氣。電動汽車技術(shù)與原理第72頁常用的充電方法有1.定流充電2.定壓充電3.快速充電3.2.2鉛酸蓄電池的充放電特性電動汽車技術(shù)與原理第73頁1、定流充電在充電過程中，充電電流保持為恒定值的充電方法稱為“定流充電”?？梢詫⒉煌妷褐?、容量相近的蓄電池串聯(lián)起來充電。如果容量不同，應(yīng)按容量小的蓄電池來決定充電電流。電動汽車技術(shù)與原理第74頁定流充電的方法：定流充電時，隨著蓄電池電動勢的提高，要保持充電電流恒定，必須提高充電電壓；當(dāng)單格電壓上升到2.4V時，應(yīng)將電流減半后再充電，直到單格電壓上升到2.7V，端電壓和電解液密度在2-3小時內(nèi)保持不變?yōu)橹?。定流充電的特點：定流充電有較大的適應(yīng)性，可以根據(jù)需要選擇充電電流，但充電時間長，而且需要經(jīng)常調(diào)節(jié)充電電流。一般適用于新蓄電池和故障修復(fù)蓄電池的初充電。1、定流充電電動汽車技術(shù)與原理第75頁2、定壓充電在充電過程中，始終保持充電電壓不變的充電方法稱為“定壓充電”。定壓充電時，可以將相同電壓值的蓄電池并聯(lián)起來一起充電。電動汽車技術(shù)與原理第76頁定壓充電在充電初期，由于蓄電池的電動勢較低，因而充電電流大；隨著電動勢的升高，充電電流逐漸減小，在接近充電終了時，充電電流已降低到很小值。

定壓充電的特點：充電過程中電解液無沸騰現(xiàn)象，可以減少水分的損失；在充電4～5小時后，容量可達(dá)90%～95%，縮短了充電的時間。定壓充電方法適用于蓄電池的補充充電，不適用于新蓄電池和故障蓄電池的初充電。2、定壓充電定壓充電電流電動汽車技術(shù)與原理第77頁蓄電池快速充電的原理快速充電要想方設(shè)法加快電池的化學(xué)反應(yīng)速度(提高充電電壓或電流等)，使充電速度得到最大提高；快速充電又要保證負(fù)極吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時要盡可能的消除電池的極化現(xiàn)象。3、快速充電電動汽車技術(shù)與原理第78頁1）脈沖式充電法脈沖充電法首先是用脈沖電流對電池充電，然后停充一段時間，如此循環(huán)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率。

電動汽車技術(shù)與原理第79頁變電流間歇充電法將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過充電量，將電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。2）變電流間歇充電法定流定壓電動汽車技術(shù)與原理第80頁3）變電壓間歇充電法與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。在每個恒電壓充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流可接受率隨著充電的進(jìn)行逐漸下降的特點。定壓電動汽車技術(shù)與原理第81頁4）正反向快速充電定流和定壓充電時間長，消耗電能多，給使用帶來不方便。利用快速充電，完成一次初充電，只需5小時左右；完成一次補充充電約1小時左右?？焖俪潆娋哂谐潆姇r間短、空氣污染小、節(jié)省能量和去硫化效果明顯等特點，已被廣泛應(yīng)用。電動汽車技術(shù)與原理第82頁3.2.3鉛酸蓄電池的種類及現(xiàn)狀1.開口式鉛酸蓄電池

這種電池大多是在啟動型蓄電池的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改進(jìn)而成的。國內(nèi)研制的電動汽車用的12V/150A·h電池，其C/5放電比能達(dá)40W·h/kg。開口式鉛酸蓄電池多用于短距離的電瓶車、巡邏車、游覽車和居民小區(qū)內(nèi)的小交通車等。2.閥控式密封鉛酸蓄電池

原用于UPS系統(tǒng)中，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種電動助力車，我國電動自行車約95%使用該類電池。循環(huán)壽命達(dá)到700次以上，100%DOD放電循環(huán)壽命達(dá)到300次以上。電動汽車技術(shù)與原理第83頁3.2.3鉛酸蓄電池的種類及現(xiàn)狀3.雙極性密封鉛酸蓄電池全部正極板并聯(lián)焊在一起組成電池的正極；全部負(fù)極板并聯(lián)焊在一起組成電池的負(fù)極。比能量很高，循環(huán)壽命也很高。雙極性密封鉛酸蓄電池目前正在研發(fā)中，還沒有達(dá)到商品化階段。4.水平式密封鉛酸蓄電池

正負(fù)極和隔板是采用臥式組合起來的；導(dǎo)電板柵是由將鉛擠壓在細(xì)的玻璃纖維四周形成的鉛絲編織而成的；正極和負(fù)極鉛膏分別涂在一片鉛網(wǎng)的兩端，中間留有一段未涂膏的板柵將兩種鉛膏分開，再用封包機(jī)將該雙極板用超細(xì)纖維包起來。內(nèi)阻很小，即可大電流放電又適合快速充電，這一特點正滿足了電動車對蓄電池的要求。電動汽車技術(shù)與原理第84頁3.2.3鉛酸蓄電池的種類及現(xiàn)狀5.卷式圓柱形電池

將正負(fù)極板做成軟性條狀，中間和兩側(cè)均夾有纖維隔板，然后緊卷起來裝入圓柱形電池殼內(nèi)，焊接好極柱，加蓋密封，組成電池。主要優(yōu)點有：（1）內(nèi)阻低，輸出電壓比較平穩(wěn)；（2）比功率高，適合高功率密度放電；（3）循環(huán)壽命長；（4）低溫性能好；（5）快速充電性能好；（6）放電速度小。電動汽車技術(shù)與原理第85頁ⅠⅡⅢ額定容量（安·時/A·h）類型和特征Q—起動型A—干荷電式W—免維護(hù)式單格蓄電池個數(shù)例如：鉛酸蓄電池的規(guī)格型號AUDIA6車用電池6-QW-70BORAA4車用電池6-QW-60電動汽車技術(shù)與原理第86頁3.2.4鉛酸蓄電池的應(yīng)用優(yōu)點：

技術(shù)可靠，生產(chǎn)工藝成熟，成本低，單體電池電壓高，大電流輸出特性，良好的高溫和低溫性能，較高的能量效率（75～80）%以及多種多樣的型號和尺寸。缺點：

比能量和能量密度比較低（35W·h/kg和70W·h/L），自放電率較高（25℃環(huán)境每天降低1%），循環(huán)壽命相對較低（<1000次），硫酸腐蝕電極不便于長期儲存。目前，性能得到改進(jìn)的多種類型的鉛酸蓄電池正不斷地被應(yīng)用到電動汽車上，鉛酸蓄電池仍是電動汽車最具吸引力的能量源選擇方案之一。返回電動汽車技術(shù)與原理第87頁復(fù)習(xí)討論題理解電池放電倍率及荷電狀態(tài)的意義.電池的正負(fù)極和陰陽極如何區(qū)分?

10H、0.2C、C20、I20、0.1C20表示什么意思?3.理解電流速度與電流強度的關(guān)系.電子由電池負(fù)極流向正極的速度是否等于電流速度?4.化學(xué)電池充電后是否電荷流入電池，正極貯存正電荷，負(fù)極貯存負(fù)電荷?電動汽車技術(shù)與原理第88頁蓄電池充電放電電解池原電池蓄電池電解池原電池電極

充電分陰陽；放電分正負(fù)電動汽車技術(shù)與原理第89頁正負(fù)極正極：電勢較高的電極

負(fù)極：電勢較低的電極

陰陽極

陽極：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極，失電子

陰極：發(fā)生還原反應(yīng)的電極，得電子

電池外部原電池電子從負(fù)極流出,流入正極電解池電子從陽極流出,流入陰極電池內(nèi)部原電池陰離子移向負(fù)極,陽離子移向正極

電解池陰離子移向陽極,陽離子移向陰極

電池的正負(fù)極和陰陽極電動汽車技術(shù)與原理第90頁電池電極的對應(yīng)關(guān)系陽陰(負(fù))(正)e－電流電流電子流原電池電解池e－e－e－陽陰(正)(負(fù))原電池中,正極=陰極,負(fù)極=陽極;

電解池中,正極=陽極,負(fù)極=陰極電動汽車技術(shù)與原理第91頁蓄電池充放電簡化示意圖e-RR0+-+-+-作為電解池作為原電池e-電源負(fù)載蓄電池充電蓄電池放電e-e-+-電動汽車技術(shù)與原理第92頁C2020小時率額定容量(Ah)I2020小時率放電電流(A),電流值為C20/20(A)（或?qū)憺镃20

I20）C=60Ah10H率放電I=C/10=6(A)0.2C放電I=C*0.2=12(A)C20=12Ah0.1C20I=0.1*12=1.2(A)0.1I20I=0.1*12/20=0.06(A)放電速率時率倍率電動汽車技術(shù)與原理第93頁練習(xí)：電池額定容量C=60Ah，t0時刻荷電狀態(tài)80%，10小時率放電30分鐘，0.2C放電10分鐘至t時刻，t時刻荷電狀態(tài)？C=60Ah10H率放電I1=C/10=6(A)0.2C放電I2=C*0.2=12(A)放電量ΔC=I1T1+I2T2=6A*(1/2)h+12A*(1/6)h=5Ah電池荷電狀態(tài)分析：電動汽車技術(shù)與原理第94頁鉛酸電池的容量隨放電率變化的而變化的這種關(guān)系，可用1898年P(guān)eukert提出的一個經(jīng)驗公式表達(dá)：C=InTT=C/In式中：I－電流AT－時間HC－電池容量AHn稱為“Peukert常數(shù)Peukert常數(shù)電動汽車技術(shù)與原理第95頁容量與放電率關(guān)系放電電流越大，蓄電池的容量越小電動汽車技術(shù)與原理第96頁同一個電池其理論容量只有一個.分別測得不同的放電率I1，I2下的放電持續(xù)時間T1，T2則T1*I1n=T2*I2n=ClogT1+n*logI1=logT2+n*logI2n=(logT2-logT1)/(logI2-logI1)Peukert常數(shù)n的計算電動汽車技術(shù)與原理第97頁電流的速度電場的傳播速度，等于光速導(dǎo)線單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n，電子定向移動速度為v，每個電子帶電量為e導(dǎo)線橫截面積為S則時間t內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面自由電子數(shù)N=nvtS總電量Q=Ne=nvtSe電流強度I=Q/t=nvSe

電子移動速度v=I/(neS)，電子移動速度電場強度電動汽車技術(shù)與原理第98頁3.3二次鋰電池3.3.1鋰離子電池3.3.2磷酸鐵鋰電池3.3.3聚合物鋰離子電池電動汽車技術(shù)與原理第99頁3.3.1鋰離子電池80年代，由Armand提出了“搖椅式”鋰離子二次電池的新概念。電池的正、負(fù)極材料采用可以儲存和交換鋰離子的材料，利用充放電時，鋰離子的來回移動進(jìn)行能量交換。1991年由日本SONY公司生產(chǎn)出以LiCoO2為正極材料，碳黑為負(fù)極材料的商業(yè)化鋰離子電池。電動汽車技術(shù)與原理第100頁鋰離子電池的分類按照形狀，分為（1）方形鋰離子電池；（2）圓柱形鋰離子電池。電動汽車技術(shù)與原理第101頁我國自主開發(fā)的電動汽車用鋰離子電池鋰離子電池的分類電動汽車技術(shù)與原理第102頁按照正極材料，分為

（1）錳酸鋰離子電池；（2）磷酸鐵鋰離子電池；（3）鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。鋰離子電池的分類電動汽車技術(shù)與原理第103頁

鋰離子電池的構(gòu)造電動汽車技術(shù)與原理第104頁鋰離子電池的構(gòu)造電動汽車技術(shù)與原理第105頁電池正極負(fù)極電解質(zhì)LiCoO2

、

LiNiO2

、

LiMn

2O

4

等人造石墨系列、天然石墨系列、焦炭系列等有機(jī)溶劑電解質(zhì)（液態(tài)）（碳酸酯類溶劑）

聚合物電解質(zhì)（固態(tài)、凝膠）鋰離子電池的組成隔膜讓離子通過，電子的絕緣體電動汽車技術(shù)與原理第106頁鋰電池的幾種典型正極材料的特性比較

電動汽車技術(shù)與原理第107頁1鋰離子電池的工作原理電池在充電時，鋰離子從正極材料晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時，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。在整個充放電過程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。3.3.1鋰離子電池電動汽車技術(shù)與原理第108頁1鋰離子電池的工作原理正極負(fù)極電解質(zhì)充電放電鋰離子鋰離子3.3.1鋰離子電池電動汽車技術(shù)與原理第109頁

鋰離子電池工作原理圖電動汽車技術(shù)與原理第110頁電池反應(yīng):6C+LiCoO2正極反應(yīng):LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-負(fù)極反應(yīng):6C+xLi++xe-充電放電LixC6Li1-xCoO2+LixC6充電放電充電放電1鋰離子電池的工作原理嵌鋰碳鋰碳層間化合物3.3.1鋰離子電池電動汽車技術(shù)與原理第111頁2.鋰離子電池的特點

(1）能量密度高。100～125W·h/kg、240～300W·h/cm3（2）輸出電壓高。單體電壓為3.6V（3）循環(huán)壽命長。循環(huán)壽命可達(dá)1000次以上（4）安全性能好。不存在“記憶效應(yīng)”（5）自放電小。自放電率為10%左右（6）環(huán)保性能好。生產(chǎn)和使用過程中均無污染（7）充電效率高。充電效率可接近100%。（8）可實現(xiàn)快速充電。（9）工作溫度范圍寬。（-25～45）℃3.3.1鋰離子電池優(yōu)點電動汽車技術(shù)與原理第112頁2.鋰離子電池的特點（1）成本高。因鈷Co材料的資源少，導(dǎo)致正極材料鈷酸鋰LiCoO2的價格高，電解質(zhì)體系的提純較難。（2）須有特殊的保護(hù)電路。需設(shè)置對電池過充電和過放電的保護(hù)線路控制。必須在（4.1～4.2）V的電壓下充電；電池過放電會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，也需要有保護(hù)線路控制。3.3.1鋰離子電池不足電動汽車技術(shù)與原理第113頁

鋰離子電池與鎳鎘、鎳氫電池性能的對比

技術(shù)參數(shù)

鎳鎘電池

鎳氫電池

鋰離子電池

工作電壓（V）

1.2

1.2

3.6

比容量(Wh/Kg)

50

65

100-125

充放電壽命(次)

500

500

1000

自放電率（%/月）

25-30

30-35

6-9

有無記憶效應(yīng)

有

有

無

有無污染

有

無

無

鋰離子電池的特點電動汽車技術(shù)與原理第114頁3.3.2磷酸鐵鋰電池1.磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)電動汽車技術(shù)與原理第115頁3.3.2磷酸鐵鋰電池1.磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)與工作原理原理橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極；充電時，正極中的鋰離子通過聚合物隔膜向負(fù)極遷移；放電時，負(fù)極中的鋰離子通過隔膜向正極遷移。電動汽車技術(shù)與原理第116頁磷酸鐵鋰電池工作原理LiFePO4FePO4充電放電鋰離子移入負(fù)極鋰離子移入正極電動汽車技術(shù)與原理第117頁3.3.2磷酸鐵鋰電池2.磷酸鐵鋰電池的性能特點優(yōu)點：

（1）成本低；（2）壽命長；（3）安全性好；（4）環(huán)保性好；（5）溫度特性好；（6）充放電特性好。缺點：

振實密度低（1.3～1.5）g/cm3電動汽車技術(shù)與原理第118頁3.3.3聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池也稱高分子鋰電池，它屬于第二代可充電鋰離子電池。鋰離子蓄電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以固態(tài)聚合物電解質(zhì)來代替。聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。電動汽車技術(shù)與原理第119頁聚合鋰離子電池的結(jié)構(gòu)電動汽車技術(shù)與原理第120頁3.3.3聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池可分三類：（1）固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池；（2）凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池；（3）聚合物正極材料的鋰離子電池。電動汽車技術(shù)與原理第121頁3.3.3聚合物鋰離子電池1.聚合物鋰離子電池的工作原理負(fù)極可采用高分子導(dǎo)電材料、聚乙炔、聚苯胺或聚對苯酚等，正極為LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2和LiMn2O4等。如電解質(zhì)為LiPF6有機(jī)碳酸酯混合物的聚合物鋰離子電池，正極用LiMn2O4，負(fù)極為人造石墨。

化學(xué)反應(yīng)方程式為：充電放電電動汽車技術(shù)與原理第122頁3.3.3聚合物鋰離子電池2.聚合物鋰離子電池的性能特點工作電壓3.8V，質(zhì)量比能量為150W·h/kg，體積比能量為246W·h/L，比功率為315W/kg，循環(huán)壽命大于300次，自放電小于0.1%/月，工作溫度為（-25～60）℃，充電速度1h達(dá)到80%容量，3h達(dá)到100%容量。性能指標(biāo)電動汽車技術(shù)與原理第123頁3.3.3聚合物鋰離子電池2.聚合物鋰離子電池的性能特點安全性能好小型化程度高超薄化輕量化適用溫度范圍寬自放電小能量密度高成本低優(yōu)點電動汽車技術(shù)與原理第124頁3.3.3聚合物鋰離子電池2.聚合物鋰離子電池的性能特點當(dāng)多個聚合物鋰離子電池串聯(lián)成電池組使用時，要防止過充電和過放電。另外聚合物鋰離子電池的快速充電性能還有待于進(jìn)一步提高。不足返回電動汽車技術(shù)與原理第125頁3.4鎳氫蓄電池3.4.1鎳氫電池的分類與特點3.4.2鎳氫電池的工作原理3.4.3鎳氫電池的結(jié)構(gòu)3.4.4鎳氫電池的性能特征電動汽車技術(shù)與原理第126頁鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種電池；

比鎳鎘電池更輕，使用壽命更長，對環(huán)境無污染。

正極活性物質(zhì)主要由鎳制成；負(fù)極活性物質(zhì)主要由儲氫合金制成；電解質(zhì)主要是KOH作電解液；鎳氫電池是一種堿性蓄電池。鎳氫電池可分為高壓鎳氫電池、低壓鎳氫電池。3.4.1鎳氫電池的分類與特點Ni-H2Ni-MH電動汽車技術(shù)與原理第127頁1．鎳氫電池的分類按照外形，鎳氫電池可以分為（1）方形鎳氫電池；（2）圓形鎳氫電池；（3）圓柱形鎳氫電池。3.4.1鎳氫電池的分類與特點電動汽車技術(shù)與原理第128頁鎳氫電池類型方形圓形圓柱形電動汽車技術(shù)與原理第129頁2鎳氫電池的特點

（1）比功率高150W/KG（2）循環(huán)次數(shù)多100%DOD50080%DOD1000（3）無污染（4）耐過充過放（5）無記憶效應(yīng)（6）使用溫度范圍寬-30～55℃(工作