《新能源汽車動力電池及充電管理》課件-任務1 新能源汽車動力電池認知

任務1.新能源汽車動力電池認知目錄CONTENTS新能源汽車動力電池認知

1鉛酸蓄電池的認知2鎳氫電池認知3鋰離子電池的認知45其他動力電池教學目標知識目標了解動力電池的發(fā)展；熟悉常用動力電池的類型、性能；掌握鋰離子動力電池的結構和工作原理。能力目標能說出常見動力蓄電池的性能特點；能甄別各類型動力蓄電池的性能差異，并能正確選用。素質目標增強民族自信心和自豪感，堅定文化自信，培養(yǎng)家國情懷；培養(yǎng)良好的生態(tài)環(huán)境保護意識，養(yǎng)成綠色生活方式和。情境導入

今天4S店接待了一輛事故車，動力蓄電池需維修更換，請你先了解清楚該車的動力蓄電池的類別、規(guī)格及性能。1.1新能源汽車動力電池認知01動力電池的作用動力電池系統(tǒng)是電動汽車的動力來源，它為整車驅動和其他用電器提供電能。動力電池的直接作用是為電動汽車提供動力的來源，必須具有高能量、高功率、高能量密度、高倍率部分荷電狀態(tài)下的循環(huán)使用。02中國動力電池行業(yè)的發(fā)展動力電池未來向高性能、低成本、長壽命發(fā)展；01產(chǎn)銷量持續(xù)快速增長，行業(yè)集中度在競爭中提升；02動力電池系統(tǒng)銷售價格有力下降，上游材料成為關鍵因素；03動力電池發(fā)展利好，但負面事件頻發(fā)仍引擔憂；0405回收路線漸趨清晰，商業(yè)體系仍待健全。02中國動力電池行業(yè)的發(fā)展動力電池是電動汽車的“心臟”，不僅整車成本占比很高，更是一個國家或地區(qū)發(fā)展新能源尤其是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的制勝關鍵。中國作為全球最大的新能源汽車產(chǎn)銷市場，2022年中國新能源汽車產(chǎn)量約為658.4萬輛，同比增長88.8%；中國市場動力電池裝機量約為302.3GWh，同比增長89.7%。從電池的材料類型來看，磷酸鐵鋰電池持續(xù)領跑，并且與三元電池裝機量的差距進一步拉大。全球最大的棟電池生產(chǎn)商--寧德時代，市場占有量為市場占有率為32.6%，居世界之首。打開超級鏈接學習02中國動力電池行業(yè)的發(fā)展中國新能源發(fā)展開足馬力原電池：放電后不能再充電使用的電池。蓄電池：放電后可以反復充電使用的電池。常用的有：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。燃料電池：是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。儲備電池：直到電池使用時才加入電解液，將化學能或物理能轉化為電能并儲備的裝置。1.按工作性質分類：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、錳鋅電池、燃料電池等。2.按材料分：物理電池、生物電池、化學電池。3.按工作原理分：常用動力電池的類型0304動力蓄電池的作用1也稱為動力電池，是純電動車或油電混合動力汽車的重要的儲能供能裝置。目前廣泛應用的動力蓄電池主要有：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。動力蓄電池2動力蓄電池的作用是接收和儲存由車載充電機、發(fā)電機、制動能量回收裝置或外置充電裝置提供的電能，并且為驅動電機和其他高壓用電設備提供電能，類似于燃油車的油箱。動力蓄電池的作用動力蓄電池04動力蓄電池是純電動汽車的核心部件，也是新能源汽車上價格最高的部件之一。動力蓄電池的性能好壞直接決定了這輛車的實際價值。動力蓄電池一旦失效，車輛就會處于癱瘓狀態(tài)。動力蓄電池屬于高壓安全部件，內部機構復雜，工作時需要很苛刻的條件，任何異常因素都將導致動力被切斷。動力蓄電池的作用04動力蓄電池組結構05

純電動汽車的動力電池系統(tǒng)總體結構一般由單體電池（電芯）、動力電池模組、串聯(lián)線、電池信息采集器（BIC）、電池采樣線、托盤、防火隔熱棉、密封蓋、高低接插件（維修開關）、配電箱（總正、總負接觸器）、冷卻管道等組成。動力蓄電池04動力蓄電池組結構05單體電池：單體電池是直接將化學能轉化為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質、外殼和端子，并設計成可充電。

“”動力蓄電池04動力蓄電池組結構05電池模組

電池模組是將一個以上單體電池按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合成的電源組合體。包括單體電芯、固定框架、電連接裝置，還有溫度傳感器、電壓檢測線路等。1.2鉛酸蓄電池的認知

01鉛酸蓄電池的種類1汽車的啟動鉛酸蓄電池最大的特點是允許短時大電流放電。啟動鉛酸蓄電池主要應用于發(fā)動機啟動機的起動供電。啟動鉛酸蓄電池特點2有高的比能量和比功率，高的循環(huán)次數(shù)和使用壽命，以及快速充電等性能，是電動汽車采用的蓄電池。動力鉛酸蓄電池特點鉛酸蓄電池在汽車上有兩種，一種是啟動鉛酸蓄電池，另一種是動力鉛酸蓄電池。混合動力汽車的牽引用動力鉛酸蓄電（簡稱動力鉛酸蓄電池）性能與啟動鉛酸蓄電池的要求是不同的。01鉛酸蓄電池的種類視頻“鉛酸蓄電池的類型及應用”（見智慧職教MOOC任務1.2）啟動鉛酸蓄電池原理02正極成流反應為負極成流反應為電池總反應鉛酸電池的工作原理鉛酸電池的放電時的電化學反應被稱為雙硫化反應啟動鉛酸蓄電池原理02視頻“鉛酸蓄電池工作原理”動力鉛酸蓄電池原理及結構03（2）動力鉛酸蓄電池通常采用密封、無銻材料網(wǎng)隔板等技術，并在普通鉛酸蓄電池的電解液中加入硅酸膠(Na2SiO3)之類的凝聚劑，如化學方程式(2)。使電解質成為膠狀物，形成一種“膠體”電解質，采用“膠體”電解質的鉛酸蓄電池，使用起來更加方便。鉛酸蓄電池的電極上帶有催化劑（AL2O3），催化劑可以使充電后期時產(chǎn)生的氫氣和氧氣反應生成水流回電池，防止充電時電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣逸散，從而控制水的消耗，防止液面下降。注意：動力鉛酸蓄電池的化學反應仍是化學方程式（1），化學方程式(2)只是稀硫酸的一種存在形式。

動力鉛酸蓄電池主要由正極板、負極板、電解液、隔板、外殼、頂蓋、正負極接線柱等組成。03視頻：鉛酸蓄電池的結構動力鉛酸蓄電池原理及結構04蓄電池電壓測量04電壓測量在蓄電池“極板材料正?！钡那闆r下，可用萬用表測量蓄電池電壓初步判斷蓄電池電量。正常滿電在12.6-12.8V低于11.8V無需測量，因為11.8V在大多數(shù)低溫情況下可能無法啟動大的用電器部件。請根據(jù)實際測量電壓估計容量有多少？蓄電池電壓測量04例如在20℃時12.0V為放電狀態(tài)(20％或更小)12.3V為半充電(50％)12.7V為完全充電(100％)其他較為準確的判別蓄電池電量方法：大燈和儀表照明燈亮度鼓風機最高檔轉速產(chǎn)生的聲音大小啟動時的起動是否順利什么是動力電池。123啟動鉛酸電池和動車鉛酸蓄電池的優(yōu)、缺點。鉛酸蓄電池的內部材料成分。任務小結4電池充電和放電的工作過程。課后作業(yè)：請同學們上網(wǎng)查找汽車上的鉛酸蓄電池在冬季是如何保養(yǎng)的。1.3鎳氫電池認知鎳氫電池的優(yōu)缺點01鎳氫電池(Ni-MH)是一種堿性電池，單體電池電壓1.2V，比能量75～80W·h／kg，比功率160～230W／kg，能量密度達到200W·h／L，功率密度400～600W／L。鎳氫電池的優(yōu)點0305010204充電18min可恢復40％～80％的容量，過充電和過放電性能好。應急補充充電性能好，1h內可以完全充滿，應急補充充電的時間短。在80％的放電深度下，循環(huán)壽命可達到1000次以上，是鉛酸電池的3倍。一次充電后行駛里程長，而且啟動加速性能較好?？梢栽诃h(huán)境溫度-28～80℃條件下正常工作。02鎳氫電池的優(yōu)點0810060709循環(huán)壽命可達到6000次或7年。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。鎳氫電池中沒有鉛（Pb）和鎘（Cd）等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染。鎳氫電池以隨充隨放，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”。02鎳氫電池的缺點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，鎳氫電池的成本很高，不同的儲氫合金具有不同的儲存氫的能力，價格也不相同。鎳氫電池的比功率和放電能力不及鎳鎘電池。鎳氫電池在使用時還應充分注意各個單體電池之間的一致性，特別是在高速率、深放電情況下，各個單體電池之間的容量和電壓差較明顯。注重對電池組在充、放電過程中的導熱管理和電池安全裝置的設計。目前，日本混合動力電動汽車多采用鎳-氫電池作為能源。03鎳氫電池的優(yōu)缺點視頻：鎳氫電池的主要特性04鎳氫電池的結構組成及結構原理鎳氫電池的正極，是球狀氫氧化鎳粉末與添加劑等金屬、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(OH)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。正極材料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)。儲氫合金是一種允許氫原子進入或分離的多金屬合金的晶格基塊，用鈦-釩-鋯-鎳-鉻(Ti-V-Co-Ni-Cr)五種基本元素，并與鈷、錳等金屬元素燒結的合金，經(jīng)過加氫、粉碎、成形和燒結成負極板。負極材料電解質是水溶性氫氧化鉀（KOH）和氫氧化鋰（LiOH）的混合物。電解質05鎳氫電池的結構組成及結構原理視頻“鎳氫電池的結構”05鎳氫電池也稱為鎳金屬氧化物電池。其一般由正負極、隔膜、電解液、安全閥、殼體等組成。鎳氫電池的結構組成及結構原理051充電時，鎳氫電池正負極的電化學反應為：正極：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-負極：M+H2O+e-→MH+OH-充電過程2在充電時，電解液中的水被分解為氫離子和氧化氫離子，負極吸收氫離子，負極的金屬變成為金屬氧化物。鎳氫電池的充電過程鎳氫電池的結構組成及結構原理051放電時，鎳氫電池正負極的電化學反應為：正極：NiOOH

+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-負極：MH+OH-→M+H2O+e-放電過程2放電時，正極析出氧化氫離子，負極析出氫離子，其在電解液中結合生產(chǎn)水，在正負極之間通過外部電路放出電能。

鎳氫電池的放電過程鎳氫電池的結構組成及結構原理05視頻“鎳氫電池的工作原理”什么是動力電池。123鎳氫電池的優(yōu)缺點。鎳氫電池的內部材料成分。任務小結4鎳氫電池充電和放電的工作過程課后作業(yè)：請同學們上網(wǎng)查找鎳氫電池在豐田、本田混合動力汽車上的應用情況。1.4鋰離子電池的認知1.4.1鋰離子電池結構組成及工作原理鋰離子電池的結構組成01鋰離子電池一般由正極、負極、隔膜、電解液（電解質）、殼體和安全閥等組成。鋰離子電池的結構組成010102鋰離子電池的負極活性物質主要采用碳素材料。目前常見的碳材料主要有石墨（分為人造石墨、天然石墨），碳素材料（軟碳、硬碳）等。鋰離子電池的正極活性物質采用鋰過渡金屬氧化物，

我們通常所說的鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等都是以鋰離子電池正極材料來命名的。正極負極鋰離子電池的結構組成01鋰離子電池的電解液一般采用非水電解液、聚合物電解質和固體電解質三大類。鋰電池的電解質應具有高的導電能力，較好的穩(wěn)定性及安全性，所以在電解質內通常會加入適量添加劑。（3）電解液（電解質）

隔膜位于正負極之間，要是防止正負極活性物質短路。保證鋰離子電池的正常充放電和安全性能。（4）隔膜鋰離子電池的殼體材質需要兼顧強度要求和散熱性能。安全閥安裝于電池蓋，目的在于防止電池內部壓力過高而產(chǎn)生的破裂或爆炸等危險。（5）殼體和安全閥鋰離子電池的工作原理02鋰離子從正極材料晶格中脫嵌經(jīng)過電解質嵌入到負極材料層中；充電時鋰離子從負極材料晶格中脫嵌，經(jīng)過電解質嵌入到正極材料中。放電時鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。鋰離子電池的工作原理02視頻“三元鋰離子電池工作原理”鋰離子是從是從正極移至負極，還是從負極移至正極？03鋰離子電池的類型123圓柱形鋰離子電池

特斯拉電動汽車ModelS動力電池包由7000多節(jié)18650電池組成。18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。方形鋰離子電池軟包鋰離子電池1、根據(jù)外形分類

18650鋰離子單體電池標稱電壓一般為：3.6V或3.7V；終止電壓一般為：2.5～2.75V。常見容量為1200～3300mAh。鋰離子的類型04結構類型優(yōu)點缺點圓柱形工藝成熟、組裝成本低、成品率高、一致性好、便于各種組合重量重、比能量低、熱量難釋放、安全性能不好方形高硬度、重量輕、散熱好，易于組成模組，含防爆閥，安全性能較好型號太多，尺寸變化需開模，成本較高軟包比能量高、尺寸變化靈活，成本低。循環(huán)性能好、安全性好機械強度差、封口工藝較難，模組結構復雜，散熱性差05鋰離子電池的類型根據(jù)正極材料的不同，鋰離子電池分為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鎳鈷鋰電池等。2、根據(jù)正極材料分類目前，電動汽車上廣泛應用的鋰離子電池主要有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。1.4.2三元鋰離子電池三元鋰電池又被為“三元聚合物鋰電池”，指的是鎳鈷錳酸鋰或者鎳鈷鋁酸鋰作為正極材料的鋰電池。由于三元鋰電池體積更小、能力密度更高、耐低溫，目前正廣泛應用于新能源汽車上。三元鋰離子電池的的結構特點01三元鋰離子電池特點0305010204普通單體電池工作電壓高達3.7V，電壓是鎳氫電池的3倍，是鉛酸電池的近2倍。重量輕，比能量大，高達250Wh/Kg，是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍，因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一。體積小，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結構和更美觀的外形的設計條件、設計空間和可能性。循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達到600次以上，使用年限可達3-5年，壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。02三元鋰離子動力電池特點0810060709自放電率低，每月不到5%。允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子電池可在-20℃～+55℃之間工作。無記憶效應，所以每次充電前不必象鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放。無污染，鋰電池中不存在有毒物質，因此被稱為“綠色電池”。鋰電池比能量高，材料穩(wěn)定性差，鋰電池容易出現(xiàn)安全問題，如果單體容量過大，一旦產(chǎn)生爆炸將十分危險。03三元鋰離子動力電池特點03“三元鋰離子電池的特點與應用”視頻三元鋰離子電池的優(yōu)缺點123三元鋰離子電池的內部材料成分。三元鋰離子電池充電和放電的工作過程任務小結課后作業(yè)：請同學們上網(wǎng)查找鎳鈷錳三元鋰離子電池在電動汽車上的應用情況。1.4.3磷酸鐵鋰離子電池磷酸鐵鋰電池單體能量密度一般在150Wh/kg左右，高品質的可達175-180Wh/kg；磷酸鐵鋰電池包體能量密度在140Wh/kg左右。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點01磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點01高效率輸出標準放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10s）可達20C。高溫時性能良好外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃電池的結構安全、完好。循環(huán)容量大經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%。安全性好即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸。優(yōu)點：缺點：能量密度低，電池的一致性較差，低溫性能較差。磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點01視頻：磷酸鐵鋰電池結構原理及優(yōu)缺點磷酸鐵鋰電池的結構組成及結構原理02

磷酸鐵鋰電池的全名叫磷酸鐵鋰鋰離子電池，它是以橄欖石結構的磷酸鐵鋰材料作為正極，碳系類（石墨）的材料作為負極，中間通過隔膜隔開，并通過有機電解液傳遞鋰離子。磷酸鐵鋰電池的結構組成及結構原理02充電時，內部的鋰離子會從正極材料中脫嵌，然后移動并嵌入到負極材料中。正極負極磷酸鐵鋰電池的結構組成及結構原理02放電時，鋰離子又從負極材料中脫嵌，然后移動并重新嵌回到正極材料中。正極負極磷酸鐵鋰電池的結構組成及結構原理02視頻：磷酸鐵鋰電池的工作原理什么是動力電池。123磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點。磷酸鐵鋰電池的內部材料成分。任務小結4磷酸鐵鋰電池充電和放電的工作過程課后作業(yè)：請同學們上網(wǎng)查找磷酸鐵鋰電池在電動汽車上的應用情況。1.4.4固態(tài)鋰離子電池固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)、缺點01安全性好，電解質溶液耐腐蝕，不易燃，也不具有液漏情況。有更高的能量密度。安全性好，能夠在60℃-120℃兩者之間運行。固體電解液的物理性能好，能有效夠抑制鋰單質生長形成的短路故障情況；能夠采用理論容量更強的金屬電極，例如鋰單質做負極;固態(tài)電解質的工作電壓窗口更寬，能夠運用電位更強的材料做正極。優(yōu)點固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)、缺點0305010204環(huán)境溫度較低時，內電阻相比較較大。材料電導率不高，高功率、高密度實現(xiàn)困難。加工制作大容量單體電池困難。大范圍加工制作中的正、負極成膜技術還在探討中。目前生產(chǎn)成本很高。缺點01固態(tài)鋰離子電池充、放電工作原理02固態(tài)鋰離子電池的充電過程固態(tài)鋰離子電池充、放電工作原理02固態(tài)鋰離子電池的放電過程固態(tài)鋰離子電池的結構組成及結構原理03視頻：固態(tài)鋰離子電池工作原理固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)缺點。123固態(tài)鋰離子電池的內部材料成分。固態(tài)鋰離子電池充電和放電的工作過程。任務小結課后作業(yè)：請同學們上網(wǎng)查找固態(tài)鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀。1.5其他動力電池01燃料電池

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。

氫燃料電池基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。電子達到陰極后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給陰極極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極極板供應氫，給陰極極板供空氣，并及時把水蒸氣帶走，就可以不斷地提供電能。01

燃料電池的類型燃料電池01燃料電池氫燃料電池的工作原理經(jīng)增濕后的H2和O2分別進入陽極室和陰極室，經(jīng)電極擴散層擴散到達催化層和質子交換膜的界面，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應：陽極反應生成的質子（H+）通過質子交換膜傳導到達陰極，陽極反應產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式由過剩的陰極反應氣體從陰極室排出。質子交換膜燃料電池發(fā)電過程中不產(chǎn)生任何污染，同時還具有工作溫度低、啟動快、結構簡單、操作方便、可靠性高等優(yōu)點，是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源，也是目前應用前景最為廣泛，技術發(fā)展最快的燃料電池。01燃料電池氫燃料電池工作原理視頻：氫燃料電池工作原理01燃料電池

氫燃料電池電堆主要由正負極板、膜電極組件、密封墊片、排熱板、集電極、絕緣板、端蓋板等零件組成。氫燃料電池的結構02鋅空氣電池

鋅空氣電池主要由空氣電極、電解液和鋅陽極構成；空氣中的氧為正極活性物質，金屬鋅作為負極活性物質，多孔活性炭作為正極，鉑或其他材料作為催化劑，使用堿性電解質。

氧氣經(jīng)多孔電極擴散層擴散到達催化層，在催化劑微團表面的三相界面處與水發(fā)生反應，吸收電子，生成OH-，陽極的鋅與電解液中的OH-發(fā)生電化學反應，生成ZnO和H2O，并釋放出電子，電子被集電層收集起來，在外電路中產(chǎn)生電流。石墨烯電池03

石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，是目前已知的最薄也最堅硬的納米材料。

具有超薄、超輕、超柔韌、超高強度、超強導電性、優(yōu)異的導熱和透光性等特性，在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等諸多領域有著廣闊而巨大的應用潛能，是主導未來高科技競爭的超級材料，被稱為“黑金”、“新材料之王”。石墨烯電池0301020304

石墨烯是一種由碳原子結合形成的蜂窩狀晶格結構，由于它所擁有的無數(shù)驚人的屬性，它被公認為是一種“神奇的材料”。它是電和熱能的有效導體，極輕的化學惰性，并且具有較大的表面積。

石墨烯可制造輕便、耐用、適用于高容量儲能的電池，并縮短充電時間，延長電池的壽命，這與涂