第2章_1_电动汽车用动力电池.ppt

新能源汽车技术第1页 第2章电动汽车用动力电池 一 2 1概述2 2铅酸蓄电池2 3镍氢电池2 4锂离子电池 新能源汽车技术第2页 2 1概述 电池是电力汽车的动力源 是能量的存贮装置 要使电动汽车能与燃油汽车相竞争 关键是开发住比能量高 比功率大 使用寿命长 成本低的电池 电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池 物理电池和生物电池三大类 新能源汽车技术第3页 2 1 1电动汽车动力电池分类 1 化学电池利用物质的化学反应发电 化学电池按工作性质分为原电池 蓄电池 燃料电池和储备电池 2 物理电池物理电池是利用光 热 物理吸附等物理能量发电的电池 如太阳能电池 超级电容器 飞轮电池等 3 生物电池生物电池是利用生物化学反应发电的电池 如微生物电池 酶电池 生物太阳电池等 新能源汽车技术第4页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 1 电压 1 端电压 2 开路电压 3 电动势 4 额定电压 5 放电电压 6 终止电压 新能源汽车技术第5页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 2 容量 1 理论容量 2 实际容量 3 标称容量 4 额定容量 5 荷电状态 新能源汽车技术第6页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 3 内阻电流流过电池内部受到的阻力 使电池电压降低 此阻力称为电池内阻 由于电池内阻作用 电池放电时端电压低于电动势和开路电压 充电时端电压高于电动势和开路电压 4 能量电池的能量是指在一定放电制度下 电池所能输出的电能 单位是W h或kW h 它影响电动汽车的行驶距离 新能源汽车技术第7页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 1 理论能量 2 实际能量 3 比能量 4 能量密度 新能源汽车技术第8页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 5 功率电池的功率是指电池在一定放电制度下 单位时间内所输出能量的大小 单位为瓦 W 或千瓦 kW 1 比功率 2 功率密度 新能源汽车技术第9页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 6 输出效率 1 容量效率式中 为电池的容量效率 为电池放电时输出的容量 为电池充电时输入的容量 新能源汽车技术第10页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 2 能量效率能量效率也称电能效率 是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比 即式中 为电池的能量效率 为电池放电时输出的能量 为电池充电时输入的能量 新能源汽车技术第11页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 7 自放电率自放电率是指电池在存放期间容量的下降率 即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度 自放电率式中 为电池存储前的容量 Ah 为电池存储后的容量 Ah 为电池存储的时间 常用天 月计算 新能源汽车技术第12页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 8 放电速率 放电率 放电速率一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示 1 时率 时间率 电池以某种电流强度放电 放完额定容量所经过的放电时间 汽车用电池一般用20h率容量表示 2 倍率 电流率 电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数 新能源汽车技术第13页 2 1 2电动汽车用动力电池的性能指标 9 使用寿命使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限 电池发生内部短路或损坏而不能使用 以及容量达不到规范要求时电池使用失效 这时电池的使用寿命终止 电池的使用寿命包括使用期限和使用周期 使用期限是指电池可供使用的时间 包括电池的存放时间 使用周期是指电池可供重复使用的次数 新能源汽车技术第14页 2 1 3电动汽车对动力电池的要求 电动汽车对动力电池的要求主要有 1 比能量高 2 比功率大 3 充放电效率高 4 相对稳定性好 5 使用成本低 6 安全性好 新能源汽车技术第15页 2 2铅酸蓄电池 铅酸蓄电池自1859年发明以来 其使用和发展已有100多年的历史 广泛用作内燃机汽车的起动动力源 电动汽车用铅酸蓄电池要用于给电动汽车提供动力 它的主要发展方向是提高比能量 增大循环使用寿命 新能源汽车技术第16页 2 2 1铅酸蓄电池的发展动态 日本GS公司生产的SER60电池比能量为34Wh kg 能量密度为91Wh L 比功率为300W kg 50 DOD 日本松下公司生产的动力型铅酸蓄电池循环寿命已突破1000次 80 DOD 美国BPC公司和Trojon公司开发的双极性密封铅蓄电池 正负极位于同一片导体的两侧面 用吸液式纤维隔板贮存电解液组成密封电池 其额定电压为180V 容量为60Ah 比能量 50Wh kg 峰值比功率 700W kg 循环寿命 1000次 预计使用寿命10年 新能源汽车技术第17页 2 2 1铅酸蓄电池的发展动态 国内研制开发的电动汽车用水平极板铅酸蓄电池已经达到了以下性能指标 3h率比能量45Wh kg 10min持续比功率80W kg 快速充电性能4 5h100 充电 15 20min70 充电 80 DOD寿命600次 铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力电源在比能量 深放电循环寿命 快速充电等方面均比镍氢电池 锂离子电池差 不适合于电动轿车 但由于其价格低廉 国内外将它的应用定位在速度不高 路线固定 充电站设立容易规划的车辆 新能源汽车技术第18页 2 2 2铅酸蓄电池的分类与结构 1 铅酸蓄电池的分类 1 免维护铅酸蓄电池免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势 电解液的消耗量非常小 在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水 它具有耐震 耐高温 体积小 自放电小的特点 使用寿命一般为普通铅酸蓄电池的两倍 新能源汽车技术第19页 2 2 2铅酸蓄电池的分类与结构 市场上的免维护铅酸蓄电池也有两种 1 在购买时一次性加电解液以后使用中不需要添加补充液 2 电池本身出厂时就已经加好电解液并封死 用户根本就不能加补充液 新能源汽车技术第20页 2 2 2铅酸蓄电池的分类与结构 2 阀控密封式铅酸蓄电池阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护 电池为密封结构 不会漏酸 也不会排酸雾 电池盖子上设有溢气阀 也叫安全阀 该阀的作用是当电池内部气体量超过一定值 即当电池内部气压升高到一定值时 溢气阀自动打开 排出气体 然后自动关闭 防止空气进入电池内部 新能源汽车技术第21页 2 2 2铅酸蓄电池的分类与结构 阀控密封式铅酸蓄电池分为AGM和GEL 胶体 电池两种 1 AGM采用吸附式玻璃纤维棉 AbsorbedGlassMat 作隔膜 电解液吸附在极板和隔膜中 电池内无流动的电解液 电池可以立放工作 也可以卧放工作 2 胶体 GEL SiO2作凝固剂 电解液吸附在极板和胶体内 一般立放工作 无特殊说明 皆指AGM电池 新能源汽车技术第22页 2 铅酸蓄电池的结构 2 2 2铅酸蓄电池的分类与结构 新能源汽车技术第23页 2 2 3铅酸蓄电池的特点 1 铅酸蓄电池的优点 1 除锂离子电池 铅酸蓄电池电压最高 为2 0V 2 价格低廉 3 可制成小至lAh大至几千Ah各种结构蓄电池 4 高倍率放电性能良好 可用于引擎启动 5 高低温性能良好 可在 40 60 条件下工作 6 电能效率高达60 7 易于浮充使用 没有 记忆 效应 8 易于识别荷电状态 新能源汽车技术第24页 2 2 3铅酸蓄电池的特点 2 铅酸蓄电池的缺点 1 比能量低 在电动汽车中所占的质量和体积较大 一次充电行驶里程短 2 使用寿命短 使用成本高 3 充电时间长 4 铅是重金属 存在污染 新能源汽车技术第25页 2 2 4铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池是酸性蓄电池 其化学反应式为充电时 把铅板分别和直流电源的正 负极相连 进行充电电解 阴极的还原反应为 新能源汽车技术第26页 2 2 4铅酸蓄电池的工作原理 阳极的氧化反应为充电时的总反应为随着电流的通过 在阴极上变成蓬松的金属铅 在阳极上变成黑褐色的二氧化铅 溶液中有生成 新能源汽车技术第27页 2 2 4铅酸蓄电池的工作原理 放电时蓄电池阴极的氧化反应为由于硫酸的存在 立即生成难溶解的 阳极的还原反应为同样 由于硫酸的存在 也立即生成 放电时总的反应为 新能源汽车技术第28页 2 2 4铅酸蓄电池的工作原理 蓄电池充电的时候 随着电池端电压的升高 水开始被电解 当电池电压达到约2 39V 单体时 水的电解不可忽视 水电解时阳极和阴极的化学反应式为阳极给出电子 阴极得到电子 从而形成了回路电流 端电压越高 电解水也越激烈 此时充入的大部分电荷参加水电解 形成活性物质很少 新能源汽车技术第29页 2 2 5铅酸蓄电池的充放电特性 铅酸蓄电池的放电曲线 1 铅酸蓄电池的放电特性 新能源汽车技术第30页 2 铅酸蓄电池的充电特性 铅酸蓄电池的充电曲线 2 2 5铅酸蓄电池的充放电特性 新能源汽车技术第31页 1 蓄电池常规充电方法 1 恒流充电法 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 恒流充电曲线 新能源汽车技术第32页 2 分段电流充电法 二阶段法充电曲线 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 新能源汽车技术第33页 3 恒压充电法 恒压充电法曲线 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 新能源汽车技术第34页 4 恒压限流充电法在充电第一阶段 用恒定的电流充电 在电池电压达到一定电压后 维持此电压恒定不变 转为第二阶段的恒压充电过程 当充电电流下降到一定值后 继续维持恒压充电大约一小时即可停止充电 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 新能源汽车技术第35页 1 蓄电池快速充电的原理快速充电要想方设法加快电池的化学反应速度 提高充电电压或电流等 使之充电速度得到最大的提高 快速充电又要保证负极的吸收能力 使负极能够跟得上正极氧气产生的速度 同时要尽可能的消除电池的极化现象 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 2 蓄电池快速充电法 新能源汽车技术第36页 2 几种蓄电池快速充电方法 1 脉冲式充电法 脉冲式充电曲线 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 新能源汽车技术第37页 2 变电流间歇充电法 变电流间歇充电曲线 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 新能源汽车技术第38页 3 变电压间歇充电法 2 2 6铅酸蓄电池的充电方法 变电压间歇充电曲线 新能源汽车技术第39页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 电池剩余容量的多少一般用电池荷电状态 SOC 来描述 电池荷电状态是无量纲量 既可以反映电池剩余电量 也可以反映电池消耗的电量 目前国内外蓄电池常用的荷电状态估计的方法主要有放电实验法 安时计量法 开路电压法 负载电压法 电化学阻抗频谱法 内阻法 线性模型法 神经网络法和卡尔曼滤波法等 新能源汽车技术第40页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 1 放电实验法放电实验法是最可靠的电池SOC估计方法 采用恒定电流进行连续放电 放电电流与时间的乘积即为剩余电量 放电实验法在实验室中经常使用 适用于所有电池 但它也存在缺点 一花费时间长 二要必须中断蓄电池正在进行的工作 新能源汽车技术第41页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 2 安时计量法安时 A h 计量法是目前最常用的电池SOC估计方法 SOC表示为式中 为额定容量 为电池电流 为充放电效率 新能源汽车技术第42页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 3 开路电压法电池的开路电压在数值上接近电池电动势 铅酸蓄电池电动势是电解液浓度的函数 电解液密度随电池放电成比例降低 用开路电压可估计蓄电池SOC 该方法只适用于电动汽车驻车状态 在充电初期和末期用开路电压法估计电池SOC效果好 一般常与安时计量法结合使用 新能源汽车技术第43页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 4 负载电压法电池放电开始瞬间 电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态 在电池负载电流保持不变时 负载电压随电池SOC变化的规律与开路电压随电池SOC的变化规律相似 负载电压法很少应用到实车上 但常用来作为电池充放电截止的判据 新能源汽车技术第44页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 5 电化学阻抗频谱法电化学阻抗表示电池电压与电流之间的传递函数 通常是一个复数变量 测量电池阻抗有恒流和恒压两种模式 电池阻抗定义为 新能源汽车技术第45页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 6 内阻法电池内阻有交流内阻 常称为交流阻抗 和直流内阻之分 它们都与SOC有密切关系 电池交流阻抗为电池电压与电流之间的传递函数 是一个复数变量 表示电池对交流电的反抗能力 用交流阻抗仪来测量 新能源汽车技术第46页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 7 线性模型法线性模型法是基于电流 电压 SOC变化量和上一个时间点的SOC值间的关系建立的线性方程 方程具体表达式为式中 为当前时刻的SOC值 为SOC的变化量 分别为当前时刻的电压与电流 为利用参考数据 可通过最小二乘法得到其值 无物理意义 新能源汽车技术第47页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 8 神经网络法估计电池SOC常采用三层典型神经网络 即输入层 中间层和输出层 输入 输出层神经元个数根据实际问题的需要来确定 一般为线性函数 常用电压 电流 累积放出电量 温度 内阻及环境温度等作为输入变量 中间层神经元个数取决于问题的复杂程度及分析精度 新能源汽车技术第48页 2 2 7铅酸蓄电池SOC估计 9 卡尔曼滤波法利用卡尔曼滤波方法估算电池SOC的研究是在近几年才开始的 卡尔曼滤波的一个显著特点是用状态空间的概念来描述其数学公式 卡尔曼滤波另一个新颖特点是它的解是递归计算的 而且可不加修改地应用于平稳和非平稳环境 新能源汽车技术第49页 2 3镍氢电池 镍氢电池是90年代发展起来的一种新型电池 它的正极活性物质主要由镍制成 负极活性物质主要由贮氢合金制成 是一种碱性蓄电池 镍氢电池具有高比能量 高功率 适合大电流放电 可循环充放电 无污染 被誉为 绿色电源 新能源汽车技术第50页 2 3 1镍氢电池的发展动态 三洋电机株式会社生产的圆柱型5 5Ah的镍氢电池组 质量比功率1000W kg 2001年为Escape配备 后来为本田Accord采用 美国的Cobasys公司开发了容量为12 60Ah的一系列高功率镍氢电池 质量比功率达到550 600W kg 体积比功率达到1200 1400W l 峰值比功率可达1000W kg 比能量在50 70Wh kg 使用温度在60 时能量效率仍保持在80 90 充电功率也超过500W kg 新能源汽车技术第51页 2 3 1镍氢电池的发展动态 德国Varta公司开发的超高功率镍氢电池 HEV 10UHPcells 功率密度已达到1000W kg 但其比能量仅为40Wh kg 法国Saft公司的4 5SF型 41mm 93mm 高功率镍氢电池容量为14Ah 比能量为47Wh kg 80 充电态对应的比功率为900W kg 体积比功率达2500W l 新能源汽车技术第52页 2 3 1镍氢电池的发展动态 我国也有很多单位一直从事混合动力汽车用镍氢电池的研究 中科院上海微系统与信息技术研究所长期从事镍氢电池及相关材料的研究和开发 北京有色总院 中山电池公司 湖南神舟科技 春兰集团 鞍山三普等单位均从不同角度做过大量积极有益的工作 取得了很大的进展 新能源汽车技术第53页 2 3 2镍氢电池的分类与结构 1 镍氢电池的分类 1 方形镍氢电池 2 圆形镍氢电池 2 镍氢电池的结构正极 负极 极板 隔板 电解液 新能源汽车技术第54页 2 3 3镍氢电池的特点 1 比功率高 2 循环次数多 3 无污染 4 耐过充过放 5 无记忆效应 6 使用温度范围宽 7 安全可靠 新能源汽车技术第55页 2 3 4镍氢电池的工作原理 充电时正 负极的电化学反应为放电时正 负极的电化学反应为 新能源汽车技术第56页 2 3 5镍氢电池的充放电特性 通常电池在一定电流下进行充电和放电时都是使用曲线来表示电池的端电压和温度随时间的变化 把这些曲线称为电池的特性曲线 一般充放电电流的大小常用充放电倍率来表示 即充放电倍率 充放电电流 额定容量 例如 额定容量为100Ah的电池用20A放电池时 其放电倍率为0 2C 新能源汽车技术第57页 1 镍氢电池的充电特性 电池常温5C充电曲线曲线1 5C充电8 4Ah 曲线2 常温0 5C放电至1 0V 2 3 5镍氢电池的充放电特性 电压 V 充放电容量 Ah 新能源汽车技术第58页 电池高温 45 充电曲线曲线1 高温 45 1C充电9 24Ah 曲线2 常温0 5C放电至1 0V 电压 V 充放电容量 Ah 2 3 5镍氢电池的充放电特性 新能源汽车技术第59页 2 镍氢电池的放电特性 电池常温下不同倍率放电曲线 电压 V 放电率 2 3 5镍氢电池的充放电特性 新能源汽车技术第60页 电池低温 18 放电曲线曲线1 常温0 5C充电9 24Ah 曲线2 低温 18 1C放电至0 9V 电压 V 2 3 5镍氢电池的充放电特性 充放电容量 Ah 新能源汽车技术第61页 2 3 6镍氢电池SOC估计 电池SOC的估计模型 新能源汽车技术第62页 1 电池SOC估计的神经网络结构 采用三层径向神经网络 输入层只是传递输入信号到隐层 隐层采用高斯核函数 输出层采用的是纯线性函数 确定电池端电压V 电池温度 电池放电或充电的安培秒为三个输入变量 输出变量为电池的SOC值 2 3 6镍氢电池SOC估计 新能源汽车技术第63页 2 卡尔曼滤波器的信号模型与输出方程的确定 由SOC的定义可知 联立上述三个方程得 2 3 6镍氢电池SOC估计 新能源汽车技术第64页 令在等式两边对时间求导得令并考虑系统噪声 即由于模型的不确定性而产生的模型噪声 得系统方程为输出方程为式中 为系统噪声 为测量噪声 2 3 6镍氢电池SOC估计 新能源汽车技术第65页 对以上两个方程进行采用零阶保持采样离散化得式中 假定与是均值为零 互不相关的高斯白噪声 2 3 6镍氢电池SOC估计 新能源汽车技术第66页 其中和可以在实验中获得 这样就可以根据控制信号和测量输出估计状态变量 即电池的SOC值 2 3 6镍氢电池SOC估计 新能源汽车技术第67页 2 4锂离子电池 锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池 是目前世界最新一代的充电电池 锂离子电池具有电压高 比能量高 充放电寿命长 无记忆效应 无污染 快速充电 自放电率低 工作温度范围宽和安全可靠等优点 新能源汽车技术第68页 2 4 1锂离子电池的发展动态 2006年1月 江森控制在全球开始研发和制造用于混合动力和电动汽车的锂离子电池 三洋电机2008年5月28日宣布 向德国大众集团供应混合动力汽车用锂离子充电电池系统 我国在锂离子电池方面的研究水平 有多项指标超过了USABC提出的长期目标所规定的指标 目前已经把锂离子电池作为电动汽车用动力电池的重要发展目标 新能源汽车技术第69页 2 4 2锂离子电池的分类与构造 1 锂离子电池的分类按照锂离子电池外形形状 1 方形锂离子电池 2 圆柱形锂离子电池 按照锂离子电池正极的材料不同 1 锰酸锂离子电池 2 磷酸铁锂离子电池 3 镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池 新能源汽车技术第70页 2 锂离子电池的结构 1 绝缘体 2 垫圈 3 PTC元件 4 正极端子 5 排气孔 6 防爆阀 7 正极 8 隔板 9 负极 10 负极引线 11 正极 12 外壳 圆柱形锂离子电池结构示意图 2 4 2锂离子电池的分类与构造 新能源汽车技术第71页 我国自主开发的电动汽车用锂离子电池 2 4 2锂离子电池的分类与构造 新能源汽车技术第72页 2 4 3锂离子电池的特点 锂离子电池有许多显著特点 它的优点主要表现为 1 工作电压高 2 比能量高 3 循环寿命长 4 自放电率低 5 无记忆性 6 对环境无污染 7 能够制造成任意形状 新能源汽车技术第73页 2 4 3锂离子电池的特点 锂离子电池也有一些不足 主要表现在 1 成本高 主要是正极材料LiCoO2的价格高 但按单位瓦时的价格来计算 已经低于镍氢电池 与镍镉电池持平 但高于铅酸蓄电池 2 必须有特殊的保护电路 以防止过充 新能源汽车技术第74页 2 4 4锂离子电池的工作原理 电池在充电时 锂离子从正极材料的晶格中脱出 通过电解质溶液和隔膜 嵌入到负极中 放电时 锂离子从负极脱出 通过电解质溶液和隔膜 嵌入到正极材料晶格中