3.电动汽车动力储能装置

1 第三章 电动汽车动力储能装置 3 1 车用动力电池概述 电动汽车动力储能装置定义 电动汽车中安装能够储存能量的装置 电动汽车的 发展关键技术是提高动力电池性能 既是当前普及应用电动汽车的瓶颈 也是电动汽 车能否与传统内燃机汽车竞争的重要因素之一 3 1 1 电池的种类 车用动力电池 生物电池 利用生物分解反应过程中表现出来的带电现象所进行的能量交换 物理电池 物理原理制成的电池 在一定条件下直接实现能量交换 化学电池 化学反应产生的能量直接转换成电能 3 1 2 化学电池的基本组成 化学电池一般由电极 正极和负极 电解质 隔膜与外壳构成 1 电极 电池的核心部分 活性物质 能够通过化学反应释放电能的物质 要求 在电解液中的化学稳定性好和电子导电性好 权重 决定化学电池基本特性的重要部分 导电骨架 传导电子和支撑活性物质的作用 2 电解质 电池内部阴 阳极之间担负传递电荷的作用 包括液体电解质与固 体电解质 要求 化学性质稳定 使得贮存期间电解质与活性物质界面间的电化学反应速率 小 自放电容量损失小 3 隔膜 为避免内部阴 阳极之间距离很近而产生内部短路造成严重的自放电 现象而添加的绝缘隔膜 形状一般为薄膜 板材或胶状物 要求 化学性能稳定 具备一定机械强度 对电解质离子运动阻力小 电的良好 绝缘体 4 外壳 盛放和保护电池其它成分的容器 要求 足够的机械强度 耐振动 耐冲击 耐腐蚀 化学性能稳定 3 1 3 电池的基本常识和术语 电池的组合 蓄电池作为动力源 一般要求具有较高的电压和电流 需要将若 干单体电池通过串联 并联 复联方式组合成电池组使用 电池的放电 蓄电池向外部负载输送电流 放电参数 放电深度 DOD 电池当前的放电状态 用实际放电容量与额定容量的百分 比表示 放电率 放电的速率 时率或倍率表示 时率 一定的放电电流 恒流 放完额定容量所需要的小时数 2 倍率 规定时间内放出其额定容量时所输出的电流的数值与额定值的倍数 放电时间 蓄电池满容量开始不间断放电至终止电压时所能持续的时间 放电方式 工况放电 模拟实际运行时的负载 用相应的负载进行放电的过程 倍率放电 蓄电池以额定电流倍数值进行放电 深度放电 蓄电池 50 或以上的容量被释放 程度 恒流放电 蓄电池以受控的恒定电流进行放电 恒功率放电 蓄电池以受控的恒定功率进行放电 电池的充电 输入蓄电池的电能转换为化学能贮存起来的过程 充电参数 充电特性 充电时蓄电池的电流 电压与时间之间的关系 完全充电 蓄电池内所有可利用活性物质都已转换成完全电荷状态 充电率 充电时的速率 时率和倍率表示 时率 在一定电流下 充到额定容量所需要的时间 倍率 规定时间内 充到额定容量所需电流数值与额定值的倍数 蓄电池荷电状态 SOC 蓄电池放电后剩余电池容量与额定容量的百分比 充电方式 恒压充电 保持充电器端电压始终不变的充电方法 恒流充电 充电电流保持不变的充电方法 涓流充电 为补充自放电 蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电 浮充电 随时对蓄电池采用恒压充电 确保其一定的荷电状态 电池的极化 电池由静止 i 0 转入工作状态 i 0 产生的电池电压 电极 电位的变化现象 极化现象反映的是电池由静止状态转入工作状态能量损失的大小 Q UIt 阳极极化 阴极极化 电池进入工作状态后阳极 阴极实际电位偏离静止状态 值的现象 欧姆极化 电阻极化 电池或电解液存在电阻 使电位发生偏离平衡值的现象 浓差极化 电化学反应过程中 作用物浓度变化造成的电极电位对平衡值的偏差 电池的记忆效应 镍 镉电池 记忆效应指电池在没有完全放电之前就再次 充电 电池会储存这一放电平台并在下次循环过程中作为放电的终点 尽管电池本身 的容量可以使电池放电到更低的平台上 但在之后的放电过程中 电池将只会记忆这 一低容量 在使用过程中 每一次不完全放电均会加深该效应 使电池容量逐渐变低 3 1 4 电池的性能指标 电池的容量 3 完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总能量 字母 C 表示 单位为安培时 A h 1 理论容量 活性物质完全利用 蓄电池可释放的最高容量 2 额定容量 保证容量 规定条件下测得的蓄电池最低容量 3 可用容量 实际容量 规定条件下完全充电的蓄电池释放的电量 4 剩余容量 蓄电池使用后 在指定放电率和温度状态下可以从电池中放出的 电量 电池的能量 标准规定的放电条件下 电池对外做功所输出的电能 单位为瓦时 W h 或千 瓦时 KW h 1 总能量 蓄电池在其寿命周期内 电能输出的总和 2 充电能量 通过充电器输入蓄电池的电能 3 放电能量 蓄电池放电时输出的电能 能量密度与功率密度 能量密度 能量比 从蓄电池单位质量所获取的电能 功率密度 功率比 从蓄电池单位体积所获取的输出功率 区别 蓄电池功率一定程度上决定了电动汽车的加速度 爬坡性能 最高车速 蓄电池 的能量决定了电动汽车充电一次后所具备的续航里程 一般而言 蓄电池的功率密度增加时能量密度要下降 蓄电池内的高电流化学反应限制了能量密度 为了得到大电流 需要大量集电器 占用了空间 使得储存电能的电极材料减 少 电池的开路电压 蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差 主要取决构成电池的材料特性 即便 同一材料 晶体结构稍存差异 均会造成开路电压的差异 开路电压是电池体系的一种特征数据 随着电池存放时间的延长 开路电压有所 降低 自放电引起 若短时间内开路电压有较大下降 说明电池内部存在慢性短路 电池性能趋近于报废 电池的内阻 电池放电时的内阻包括欧姆内阻和极化内阻 电池内阻越小 电池工作时内部压 降就越小 电池就能输出较高电压和较大电流 输出能量和容量就越大 电池的工作电压 放电终止电压 放电曲线 电池工作电压 电池放电时电池的端电压 放电终止电压 电池放电时端电压下降到不宜继续放电的最低工作电压 一般在 低温或大电流放电时 终止电压要求低 电极极化大 活性物质不能充分利用 电压 下降较快 小电流放电时 终止电压就较高 放电极化小 活性物质充分利用 电 压下降慢 4 放电曲线 一定放电情况下 连续放电时电池工作电压随时间变化的关系曲线 电池的寿命 耐用性 电池的使用时间或充电循环次数 蓄电池经历一次充电与放电的过程称为一个周期 循环 在一定的放电制度下 电池容量下降到某一规定值时 电池所能经受的循环次数为电池循环寿命 影响电池循环寿命因素 充放电过程中 电极活性表面积减小 电极活性物质脱落或转移 电池材料发生腐蚀 电池内部短路 隔膜损坏和活性物质晶型改变 活性降低 电池的温度特性 电池对环境温度及温度升高情况较敏感 大部分蓄电池要求工作在非常狭窄的温 度范围区间内才能保证较高的性能 否则就会损坏 3 3 二次锂电池 锂电池是采用金属锂作为负极活性物质的电池总称 包括锂原电池与二次锂电池 锂的标准电极电位最负可达 3 045V 采用锂作为负极组成的电池具有一系列优点 比能量大 电池电压高 电池电压平稳 工作温度范围宽 寿命长 锂电池是目前电 动汽车中最具发展潜力的蓄电池 锂电池分类 温度 高温锂二次电池 常温锂二次电池 电解质状态 液体锂二次电池 凝胶锂二次电池 全固态锂二次电池 电极材料 锂离子电池 锂聚合物电池 磷酸锂铁电池 发展迅速且具有动力电 池特性的电池 3 3 1 锂离子电池 锂离子电池由锂原电池发展而来 其本质是锂离子在正负极之间的往复嵌入或脱 嵌 形象的称之为 摇椅式电池 锂离子电池优缺点 1 能量密度高 目前能达到的实际比能量为 100 125W h kg 和 240 300W h cm3 通过技术的发展有望达到 150W h kg 和 400W h cm3 2 输出电压高 单体锂离子电池的端电压为 3 6V 3 循环寿命长 循环充电次数高达 1000 次 4 自放电小 室温下满容量锂离子电池储存一个月后的自放电大约在 10 左右 远低于其他类型电池自放电率 5 安全性能好 采用优良的负极材料 克服锂枝晶生长问题 锂离子电池安全 性能大幅度提高 6 环保性能好 无污染 绿色电池 5 7 充电效率高 基本可实现满容量充电 8 快速充电性能好 9 工作温度范围宽 目前在 25 45 期望 40 70 10 维护方便 无需维修 残留容量测试方便 不足之处 1 成本高 正极材料钴酸锂价格高 钴材料资源少 电解液体系提纯困难 2 配备特殊保护电路 电池的过充过放会破坏正极结构 影响性能及寿命 过 充会导致电解液分解 内部压力高产生漏液问题 过放会导致活性物质活性恢复困难 必须配备相应的电池防过充与防过放保护线路控制 锂离子电池负极材料 锂离子电池采用锂碳化合物作为负极材料 目前研究较多并较为成功的碳负极材 料主要有 石墨 乙炔黑 微珠碳 石油焦 碳纤维 裂解碳等 通常采用 C6Li 表 示负极 通过不断研究发现 改变碳材料的表面特性 结构调整 石墨无序化 形成纳米 级孔 洞 通道等 能改善锂在其中的嵌入或脱碳 提高比容量 提高比能量 锂离子电池要达到大规模利用 对于碳负极材料还要提高锂的可逆储量和减少不 可逆储量的损失 锂离子电池正极材料 锂离子电池的正极材料主要停留在锂金属氧化物研究中 商业化的锂离子正极材 料为 LiCoO2 氧化钴锂 属于 a FeO2 结构 具有可逆性好 放电容量高 充放电 效率高 电压稳定性好等性能 钴材料资源稀缺 成本高 开发过程中应研究钴的廉价替代品 如镍或锰 实现 电池价格下降 一般将正极材料为 LiCoO2 的电池称为锂离子电池 而将正极材料为 LiMnO2 LiMn2O4 和 LiNiO2 锂离子电池称为 锂锰电池 和 锂镍电池 锂离子电池电解质 锂离子电池电压高达 3 6V 电解质采用有机溶剂电解质 有机溶剂中溶有电解 质锂盐的离子型导体 用于锂离子电池的电解质要求 电导率高 化学剂电化学性 能稳定 使用温度范围宽 安全性好 廉价等 常用锂盐 LiClO4 氧化氯锂 LiPF6 六氟磷酸锂 LiBF4 四氟硼酸锂 常用有机溶剂 PC 碳酸丙烯酯 EC 碳酸乙炔酯 BC 碳酸丁炔酯 DMC 二甲基碳酸 DEC 二乙基碳酸 MEC 甲基乙炔碳酸 GBL 丁内 酯 DME 二甲氧基乙炔 EMC 碳酸甲乙酯 等 锂离子电池工作原理 6 图 3 5 锂离子电池充放电工作原理示意图 3 3 2 锂聚合物电池 高分子电池 锂聚合物电池与锂离子电池正负极材料相同 工作原理基本一致 区别在于电解 质不同 锂聚合物电池以固态聚合物电解质替代了液态的电解质 主要有 3 类 1 固体聚合物锂离子电池 电解质采用聚合物与盐的混合物 常温下离子导电 率低 适合高温使用 2 凝胶聚合物锂离子电池 固体聚合物电介质中添加增塑剂等添加剂 提高离 子导电率 常温下亦可使用 3 聚合物正极材料锂离子电池 采用导电聚合物作为正极材料 提高比能量 3 3 3 磷酸锂铁电池 动力电池 磷酸锂铁电池指采用磷酸锂铁 LiFePO4 作为正极材料的锂离子电池 磷酸锂铁材料特点 LiFePO4 晶体属于橄榄石型结构 具有 170mA h g 的理论容量和 3 2V 左右的锂 充放电电压平台 该材料本身导电性较差 需要掺杂导电碳材料或导电金属微粒 LiFePO4 用作正极材料时具备优良的电化学性能 充放电过程结构稳定 该材料 具有无毒 无污染 安全性能高 适应高温环境等特点 是动力锂离子电池的理想正 极材料 磷酸锂铁电池性能特点 磷酸锂铁电池标称电压 3 2V 终止充电电压 3 6V 终止放电电压 2 0V 受工艺 不同及电解质材料选择不同 即使同一型号电池性能存在个体差异 磷酸锂铁电池的主要优点 1 安全性好 即使电池外部或内部受损 电池均不会燃烧或爆炸 2 成本低 磷酸锂铁所对应的资源都较为丰富 随着制造工艺的进一步成熟 价格会有大幅度下降 3 循环寿命长 500 次循环后容量仍大于 95 最高循环寿命高达 2000