第3章-電動汽車動力蓄電池

3.

1 動力蓄電池的分類動力蓄電池是電動汽車的核心組成之一,

同時也是電動汽車發(fā)展的瓶頸,

電動汽車的續(xù)駛里程、

充電速度、

使用安全等多個方面都受動力蓄電池影響。

本單元主要介紹動力蓄電池的分類、

工作原理及相關(guān)評價、

測評和維修要求,

以便后期開展相關(guān)維修保養(yǎng)等工作。

蓄電池是一種將化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的裝置,

是能量的存儲裝置。

動力蓄電池是電動汽車的核心,

是純電動汽車驅(qū)動能量的唯一來源,

直接影響電動汽車的動力性能、

續(xù)駛能力,也與電動汽車的安全性直接相關(guān)。

從新能源汽車的成本構(gòu)成看,

蓄電池驅(qū)動系統(tǒng)占據(jù)了新能源汽車成本的

30%

~

50%。

自電動汽車誕生以來,

動力蓄電池技術(shù)一直是電動汽車技術(shù)研發(fā)的重點,

也制約著電動汽車的實用化進程。

提高功率密度、

能量密度、

使用壽命以及降低成本一直是電動汽車動力蓄電池技術(shù)研發(fā)的核心,

也是目前制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。動力蓄電池主要經(jīng)歷了以下發(fā)展階段:

第一階段為鉛酸蓄電池階段,

鉛酸蓄電池的發(fā)明距今已有百余年歷史,

其技術(shù)成熟、

成本低廉,

但比能量、

比功率及循環(huán)壽命都較短,

因此,

鉛酸蓄電池雖仍保有著巨大的市場份額,

但主要分布在對于能量和使用壽命要求都并不嚴(yán)格的一些使用對象上,如電動自行車及簡易電動工具等;

第二階段為堿性蓄電池階段,

堿性蓄電池有鎳鎘蓄電池、

鎳氫蓄電池等,

鎳氫蓄電池在一些領(lǐng)域取代了鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池,

近年來成為商品化混合動力電動汽車和純電動汽車的首選;

第三階段為鋰離子蓄電池階段,

鋰離子蓄電池單體的電壓、

比能量和比功率較高,

使用壽命長,

在電動汽車上有著極好的應(yīng)用前景。鉛酸蓄電池、

鎳鎘蓄電池、

鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池的性能區(qū)別見表

3

-1

。

鋰離子蓄電池相比其他動力蓄電池具有比能量高、

循環(huán)壽命長、

充電功率范圍寬、

倍率放電性能好、

污染小等優(yōu)良特性,

現(xiàn)今被電動汽車廣泛采用。

鋰離子蓄電池根據(jù)其正極材料的不同分為鈷酸鋰離子蓄電池、

錳酸鋰離子蓄電池、

磷酸鐵鋰離子蓄電池和三元鋰離子蓄電池等。正極材料鉛酸蓄電池鎳鎘蓄電池鎳氫蓄電池鋰離子蓄電池比能量/

(

W·

h

/

kg)405070150

~

300體積能量密度/

(

W·

h

/

L)100150240

~

300300體積功率密度/

(

W

/

L)200300240200

~

300循環(huán)壽命(

次)300500

~

1000500

~

10001000

~

2500開路電壓/

V2.

11.

31.

3>4.

0平均輸出電壓/

V1.

91.

21.

23.

7工作溫度/

℃-10

~

50-20

~

60-20

~

50-20

~

60自放電/

(

%

/

月)3

~

515

~

2020

~

306

~

10成分毒性高高中低表

3-1

鉛酸蓄電池、

鎳鎘蓄電池、

鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池的性能區(qū)別1.

鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池采用金屬鉛作為負極,

二氧化鉛作為正極,

用硫酸作為電解液。

放電時,

鉛和二氧化鉛都與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛。

充電時,反應(yīng)過程正好相反。

現(xiàn)在比較廣泛采用免維護的閥控式鉛酸蓄電池

(

VRLA)。

總體上說,

鉛酸蓄電池具有可靠性好、

原材料易得、

價格便宜等優(yōu)點,

比功率基本上能滿足電動汽車的動力性要求。

但它有兩大缺點;

一是比能量低,

所占的質(zhì)量和體積太大,

且一次充電續(xù)駛里程較短;

另一個是使用壽命短,

使用成本過高。

圖3-1

所示為鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)。20鉛酸蓄電池是利用稀硫酸、

鉛、

二氧化鉛這

3

種活性物質(zhì)進行化學(xué)反應(yīng)完成充電和放電的,

其基本工作原理如下列化學(xué)方程式所示:PbO2

+

2H2

SO4

+Pb?2PbSO4

+

2H2

O放電時,

化學(xué)反應(yīng)是從左向右進行的,

由于消耗了硫酸并生成水,

因此電解液密度會不斷下降。

充電時,

在外部電壓的作用下,

重新生成活性物質(zhì)。212.

鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池屬于堿性電池,

其使用壽命較長,能量密度高,

但價格較高,

存在記憶效應(yīng)。

圖

3-2

所示為典型鎳氫蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖。

鎳氫蓄電池正極活性物質(zhì)采用的是氫氧化鎳,

負極活性物質(zhì)為貯氫合金,

電解液為氫氧化鉀溶液。

當(dāng)鎳氫蓄電池充電時,

正極的氫進入負極貯氫合金中;

放電時,

過程則正好相反。

在充、

放電過程中,

蓄電池的正、

負極材料活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、

成分、

體積都發(fā)生變化,而電解液同時發(fā)生相應(yīng)改變。相對于鉛酸蓄電池,鎳氫蓄電池具有高比能量、

高比功率和長使用壽命等特點,但其制造成本較大,

且在使用過程中有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題。圖

3-2

典型鎳氫蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3.

鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池具有質(zhì)量小、

儲能大

(

能量密度高)、

無污染、

無記憶效應(yīng)、

使用壽命長的特點。

在同體積、

質(zhì)量情況下,

鋰離子蓄電池的蓄電能力是鎳氫蓄電池的

1.

6

倍,

是鎳鎘蓄電池的

4

倍。

同時,

鋰離子蓄電池對環(huán)境造成的污染小。

我國從

20

世紀(jì)

90

年代開始研究和使用鋰離子蓄電池,

至今已研制出了完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋰離子蓄電池。

按照正極材料的不同,鋰離子蓄電池可以分為錳酸鋰離子蓄電池、

磷酸鐵鋰離子蓄電池、

鎳鈷鋰離子蓄電池等。圖

3-3

所示為磷酸鐵鋰離子蓄電池的工作原理圖。圖

3-3

磷酸鐵鋰離子蓄電池的工作原理圖蓄電池充電時,

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極中。放電時,

鋰離子從負極中脫出,

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、

負極之間。2

動力蓄電池的常用性能參數(shù)端電壓 端電壓分為靜態(tài)電壓、

放電電壓和充電電壓。內(nèi)阻 隨著放電程度的增加,

蓄電池的內(nèi)阻會相應(yīng)地增大(3)

容量

容量指在允許的放電范圍內(nèi)所能輸出的電量,

其單位是

A·

h。

容量

C

=

放電電流

(

恒流)

I×放電時間

(

小時)

T。

容量用來表示蓄電池的放電能力,

不同條件下蓄電池能輸出的電量

(

容量)

是不同的。

容量分為額定容量、

理論容量和實際容量。額定容量指充足電的蓄電池在規(guī)定的條件下所能輸出的電量。

在我國的國家標(biāo)準(zhǔn)中,

用

3h

放電率容量

(

C3

)

來定義電動汽車動力蓄電池的額定容量,

用

20h

放電率容量

(

C20

)來定義汽車用起動型蓄電池額定容量。理論容量指假設(shè)蓄電池極板上的活性物質(zhì)全部參加化學(xué)反應(yīng)而輸出電流時,

依據(jù)法拉第定律計算出的電量;

通常用質(zhì)量容量

(

A·h

/

kg)

或體積容量

(

L·h

/

kg)

來表示。223)實際容量指充足電的蓄電池在一定條件下所能輸出的電量。

實際容量是在允許放電范圍內(nèi),放電電流與放電時間的乘積。

蓄電池實際容量小于理論容量。

當(dāng)放電電流和溫度不同時,

實際容量也不同。(4)能量

蓄電池的能量指在一定的放電條件下,

蓄電池所輸出的電能,

單位為W

·

h或

kW·h。

蓄電池的能量表示其供電能力,

是反映蓄電池綜合性能的重要參數(shù)。

能量分為標(biāo)稱能量、

實際能量、

比能量和能量密度,其中比能量和能量密度能夠反映動力蓄電池的性能好壞,

也是電動汽車設(shè)計過程中選擇動力蓄電池的重要依據(jù)。（5）比能量指蓄電池單位質(zhì)量所能輸出的電能,

單位為

W·

h

/

kg

或

kW·

h

/

kg。蓄電池比能量越高,

充足電后的能量越高,

續(xù)駛里程越長。

（6）能量密度

能量密度指蓄電池單位體積所能輸出的電能,

單位為

W·h

/

L

或

kW·h

/L。

蓄電池能量密度越高,

蓄電池所占的空間越小。

（7）功率

蓄電池的功率指在規(guī)定的放電條件下,

蓄電池在單位時間所能輸出的電能,單位為

W

或

kW。

蓄電池的功率直接影響電動汽車的加速度和最高車速。

與能量相同,

功率的衡量使用質(zhì)量比功率

(

蓄電池單位質(zhì)量能輸出的功率)

和功率密度

(

蓄電池單位體積所能輸出的功率)

來表示。

（8）循環(huán)壽命

蓄電池的使用壽命通常用使用時間或循環(huán)壽命來表示。

蓄電池經(jīng)歷

一次充電和放電過程稱為一個循環(huán)或一個周期。

在一定的放電條件下,

當(dāng)蓄電池的容量下降到某規(guī)定的限值時,蓄電池所能承受的充放電循環(huán)次數(shù)稱為蓄電池的循環(huán)壽命。

不同類型的蓄電池,其循環(huán)壽命不同。

對于某種類型的蓄電池,

其循環(huán)壽命與充放電的電流大小、

蓄電池工作溫度、

放電深度等均有密切關(guān)系。233.

3 鋰離子蓄電池的工作原理和使用特性目前世界范圍內(nèi)主流的電動汽車主要采用的動力蓄電池均為鋰離子蓄電池,

這主要是由于鋰離子蓄電池的比容量和使用壽命優(yōu)于鉛酸蓄電池和鎳氫蓄電池。

選用鋰離子蓄電池可以減小蓄電池包的質(zhì)量,

減小車輛自重,

還能夠延長動力蓄電池的使用壽命,

避免用戶頻繁更換動力蓄電池。

此外,

由于鋰離子蓄電池的單體電壓高于鉛酸蓄電池和鎳氫蓄電池,

因此減少了單體蓄電池的串聯(lián)數(shù)量,

降低了蓄電池組裝配難度,

提高了蓄電池模組及蓄電池包的整體可靠性。鋰離子蓄電池用碳素材料作負極,

用含鋰的化合物作正極。

鋰離子蓄電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料的蓄電池的總稱。

鋰離子蓄電池充、

放電的過程就是鋰離子嵌入和脫嵌的過程。

在鋰離子嵌入和脫嵌過程中,

同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。

在充、

放電過程中,

鋰離子在正、

負極之間往返嵌入/

脫嵌和插入/

脫插。

當(dāng)對蓄電池進行充電時,

蓄電池的正極上有鋰離子生成,

生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。

作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)有很多微孔,

達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,

嵌入的鋰離子越多,

充電容量越高。

同樣,當(dāng)對蓄電池進行放電時,

嵌在負極碳層中的鋰離子脫出運動回正極,

回正極的鋰離子越多,

放電容量越高。理論上,

動力蓄電池應(yīng)該是能量密度高、

體積密度高、

安全性好、

耐高溫低溫、

循環(huán)壽命長、

無毒無害、

可大功率充放電,

聚所有優(yōu)點為一體而且低成本的蓄電池。

但目前受到各種條件的制約,并不存在這樣的蓄電池,

因此需要針對不同的需求進行細分,選取合適的蓄電池進行應(yīng)用。

鋰離子蓄電池的分類及優(yōu)缺點見表

3-2。分類鈷酸鋰離子蓄電池錳酸鋰離子蓄電池三元鋰離子蓄電池磷酸鐵鋰離子蓄電池優(yōu)點電化學(xué)性能優(yōu)越;

循環(huán)性好,

放電比容量高;

一致性好低溫性能好,

成本低;高倍率充放電能力好成本低;

穩(wěn)定;

能量密度較高安全;

高溫穩(wěn)定性好;

成本非常低;循環(huán)性能好缺點晶體結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性差,有較大安全隱患;

鈷資源有限,成本較高高溫循環(huán)性能較差熱穩(wěn)定性和熱循環(huán)性能較差產(chǎn)品一致性差;

低溫性能差;導(dǎo)電性差表

3-2

鋰離子蓄電池的分類及優(yōu)缺點1.

磷酸鐵鋰離子蓄電池磷酸鐵鋰離子蓄電池正極由橄欖石結(jié)構(gòu)的

LiFePO4

組成,

負極由石墨組成,

中間是聚烯烴隔膜,

用于隔離正極和負極、

阻止電子而允許鋰離子通過。

在充放電的過程中,

磷酸鐵鋰離子蓄電池正極的離子、

電子得失如下:充電時

LiFePO4

-xLi+

-xe-

充電→xFePO4

+(

1

-x)

LiFePO4放電時 FePO4

+xLi+

+xe-

放電→xLiFePO4

+(

1

-x)

FePO4充電時,

Li+

從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)進入負極,

同時電子從外電路由正極向負極移動,

以保證正、

負極的電荷平衡;

放電時,

Li+

從負極脫嵌,

經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。

磷酸鐵鋰離子蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理如圖

3-4

所示。圖

3-4

磷酸鐵鋰離子蓄電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理2.

錳酸鋰離子蓄電池錳酸鋰離子蓄電池是一種以錳酸鋰為正極、

石墨為負極,

電解液為含有

LiPF6

有機溶液的鋰離子蓄電池。

其正極結(jié)構(gòu)為錳酸鋰、

導(dǎo)電劑、

粘結(jié)劑、

集流體

(

鋁箔),

負極結(jié)構(gòu)為石墨、導(dǎo)電劑、

粘結(jié)劑、

集流體

(

銅箔)。錳酸鋰作為蓄電池的正極,

由鋁箔與蓄電池正極相連,

中間是聚合物的隔膜,

將正、

負極隔開,

鋰離子可以通過但是電子不能通過;

由石墨作為蓄電池的負極,

由銅箔與石墨相連,

而電解液則分布在蓄電池的正、

負極周圍,

蓄電池由金屬外殼封裝。

錳酸鋰離子蓄電池在充電時,正極中的鋰離子通過聚合物隔膜向負極移動;

在放電過程中,負極的鋰離子通過隔膜向正極移動。與磷酸鐵鋰離子蓄電池的工作原理類似,

當(dāng)對蓄電池進行充電時,

蓄電池的正極上有鋰離24子生成,生成的鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解液運動到負極。

作為負極的碳是層狀結(jié)構(gòu),

具有很多微孔,

到達負極的離子就嵌入到碳層的微孔中,

嵌入的鋰離子越多,

充電容量越高,

此時,

正極為貧鋰態(tài)。

同理,

當(dāng)對蓄電池進行放電時,

嵌入在負極碳層中的鋰離子脫出,

經(jīng)過電解液回到正極,

回到正極的鋰離子越多,

放電容量越大,

此時正極為富鋰態(tài)。

鋰離子蓄電池在充、放電過程中,

鋰離子在正、

負極之間遷移,

而數(shù)量相同的電子經(jīng)外電路一起遷移,

正、

負極各自發(fā)生氧化還原反應(yīng),

使得電位可以保持在一定數(shù)值。

錳酸鋰離子蓄電池的反應(yīng)如下:負極:

充電時

xLi+

+xe-

+

6C

→Lix

C6放電時

Lix

C6

→xLi+

+xe-

+

6C正極:

充電時

LiMn2

O4

→Li1

-x

Mn2

O4

+xLi+

+xe-放電時

Li1

-x

Mn2

O4

+xLi+

+xe-

→LiMn2

O4項目鈷酸鋰錳酸鋰三元材料磷酸鐵鋰電壓/

V3.

6

~

3.

73.

6

~

3.

73.

6

~

3.

73.

2

~

3.

3比能量/

(

W·

h

/

kg)>150>100>150>100循環(huán)壽命(

100%

DOD)>1000>1000>1000>1000安全性低較高較高高熱穩(wěn)定性不穩(wěn)定較穩(wěn)定較穩(wěn)定穩(wěn)定過渡金屬資源貧乏較豐富較豐富豐富原料成本昂貴較低較低低隨著蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展進步,

針對鋰離子蓄電池正極材料的研究也不斷取得新的突破。

21

世紀(jì)初有關(guān)于鎳鈷錳三元過渡金屬復(fù)合氧化物

[

LiNi1-x-y

Cox

Mny

O2

(

0

<

x

<

0.

5,

0

<

y

<0.

5)]

的報道,

即所謂的三元正極材料。

三元復(fù)合材料綜合了

LiNiO2

的高比容量、

LiCo2

優(yōu)越的循環(huán)性能和

LiMnO2

的高安全性能及低成本等優(yōu)點,

因此可以大規(guī)模的應(yīng)用在儲能電池和動力蓄電池上。

不同鋰離子蓄電池的性能比較見表

3-3。表

3-3

不同鋰離子蓄電池的性能比較4 鋰離子蓄電池的使用與維護動力蓄電池是純電動汽車的唯一動力源,

掌握鋰離子蓄電池的使用和維護技術(shù),

進行合理的使用和保養(yǎng)可以延長鋰離子蓄電池的使用壽命和保持蓄電池的優(yōu)越性能,

從而提高車輛的使用時間和車輛的續(xù)駛里程。鋰離子蓄電池充電當(dāng)鋰離子蓄電池放置一段時間后會進入休眠狀態(tài),

此時容量低于正常值,

使用時間亦隨之縮短。

但鋰離子蓄電池只要經(jīng)過

3

~

5

次正常的充、

放電循環(huán)就可激活,

恢復(fù)正常容量。

由于鋰離子蓄電池本身的特性,

決定了其基本沒有記憶效應(yīng)。對鋰離子蓄電池充電時,

應(yīng)使用專用的鋰離子蓄電池充電器。

鋰離子蓄電池充電采用“

恒流/

恒壓”

方式,

先恒流充電,

到接近終止電壓時改為恒壓充電。

例如一種

800mA·h

容量的蓄電池,

其充電終止電壓為

4.

2V。

蓄電池以

800mA

(

充電率為

1C)

恒流充電,

開始時蓄電池電壓以較大的斜率上升,

當(dāng)蓄電池電壓接近

4.

2V

時,

改成

4.

2V

恒壓充電,

蓄電池電流漸減小,

電壓變化不大,

到充電電流減小到

1

/

10C

(

約

80mA)

時,

認(rèn)為接近充滿,

可以終止充電。25①

充電電壓:

充滿電時的充電終止電壓與蓄電池負極材料有關(guān),

在充電時應(yīng)注意電壓變化,否則會有過充危險。

鋰離子蓄電池對充電的要求較高,

充電終止電壓精度允差為額定值的±

1%

(

例如,

充電終止電壓為

4.

2V

的鋰離子蓄電池,

其允差為±

0.

042V),

過壓充電會造成鋰離子蓄電池永久性損壞。②

充電電流:

鋰離子蓄電池充電電流應(yīng)根據(jù)蓄電池生產(chǎn)廠的建議,

并要求有限流電路以免發(fā)生過流

(

過熱)。

一般常用的充電率為

0.

25

~

1C,

推薦的充電電流為

0.

5C

(

C