第2章1电动汽用动力电池ppt课件

1、harbin institute of technology新能源汽车技术 第 1 页 (一)2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 铅酸蓄电池铅酸蓄电池2.3 2.3 镍氢电池镍氢电池2.4 2.4 锂离子电池锂离子电池harbin institute of technology新能源汽车技术 第 2 页 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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 3 页1化

2、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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 4 页 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harbin institute of technology新能源汽车技术 第 5 页2容量 （1）理论容量 （2）实际容量（3）标称容量（4

3、）额定容量 （5）荷电状态 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 6 页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wh或kwh。它影响电动汽车的行驶距离。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 7 页（1）理论能量（2）实际能量（3）比能量（4）能量密度 harbin institute of technology新能源汽车技术

4、 第 8 页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 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 9 页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。%100充放ccc%100充放ccc%100充放ccc%100充放cccc放c充charbin institute of technology新能源汽车技术 第 10 页（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，

5、 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。 %100充放wwww放w充wharbin institute of technology新能源汽车技术 第 11 页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。 %100tcccabaacbcbctharbin institute of technology新能源汽车技术 第 12 页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

6、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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 13 页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。harbin institute of

7、technology新能源汽车技术 第 14 页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 ； harbin institute of technology新能源汽车技术 第 15 页 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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 16 页日本gs公司生产的ser60电池比能量为34wh/

8、kg，能量密度为91wh/l，比功率为300 w/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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 17 页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

9、率80w/kg，快速充电性能45h100%充电,1520min70%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。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 18 页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

10、池的两倍。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 19 页 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。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 20 页（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

11、体，然后自动关闭，防止空气进入电池内部。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 21 页 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（absorbed glass mat）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。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 22 页2铅酸蓄电池的结构harbin institute

12、 of technology新能源汽车技术 第 23 页 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-4060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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 24 页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

13、长；（4）铅是重金属，存在污染 。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 25 页 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 ohpbsosohpbo2442244sopbe2pbsoharbin institute of technology新能源汽车技术 第 26 页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。 e2soh4pbooh2pbso2422442224soh2pbopboh2pbso24

14、pbso42sohharbin institute of technology新能源汽车技术 第 27 页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e2pbpb22pb4pbso4pbsooh2pbe2h4pbo2222pb2pb4pbsooh2pbso2soh2pbopb24422harbin institute of technology新能源汽车技术 第 28 页 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

15、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。e2h2o21oh222he2h2harbin institute of technology新能源汽车技术 第 29 页铅酸蓄电池的放电曲线1铅酸蓄电池的放电特性harbin institute of technology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harbin institute of technology新能源汽车技术 第 31 页1蓄电池常规充电方法 1）恒流充电法恒流充电曲线harbin institute

16、 of technology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harbin institute of technology新能源汽车技术 第 33 页3）恒压充电法恒压充电法曲线harbin institute of technology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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 35 页1）蓄电池快速充电的

17、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. 蓄电池快速充电法harbin institute of technology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 harbin institute of technology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 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 38 页(3

18、(3）变电压间歇充电法）变电压间歇充电法 变电压间歇充电曲线harbin institute of technology新能源汽车技术 第 39 页 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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 40 页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

19、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。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 41 页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。 kttekctisocsoc0d0ececiharbin institute of technology新能源汽车技术 第 42 页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

20、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。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 43 页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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 44 页5电化学阻抗频谱法

21、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 jeivfzftivftiimaxmaxmaxmax)()2sin()2sin(harbin institute of technology新能源汽车技术 第 45 页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。harbin institute of technology新能源汽车技术 第 46 页7线性模型法 线性模型法是基于电

22、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。 iiiiiiisocsocsocsockikvkksoc113210isocisocivii0k3kharbin institute of technology新能源汽车技术 第 47 页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

23、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。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 48 页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。 harbin institute of technology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，

24、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”。 harbin institute of technology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1260ah的一系列高功率镍氢电池。质量比功率达到550600w/kg，体积比功率达到12001400w/l，峰值比功率可达1000w/kg，比能量在5070wh/kg，使用温度在60时能量效率仍保持

25、在8090%，充电功率也超过500w/kg。 harbin institute of technology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-10 uhp cells）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（41mm93mm）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900 w/kg，体积比功率达2500w/l。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 52 页2.3.1镍氢电池的发展动态我

26、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。 harbin institute of technology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harbin institute of technology新能源汽车技术 第 54 页2.3.3 镍氢电池的特点 （1）比功

27、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harbin institute of technology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 ohnioohoheohni222hm2e2mh2ohohnieohniooh22e2mh2hm22harbin institute of technology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

28、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。 harbin institute of technology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15c充电8.4ah；曲线2常温0.5c放电至1.0v2.3.5 镍氢电池的充放电特性电压/vharbin institute of technology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/v2.3.5

29、镍氢电池的充放电特性harbin institute of technology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harbin institute of technology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/v2.3.5 镍氢电池的充放电特性harbin institute of technology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harbin institu

30、te of technology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。 hnjjjxuwsoc1 22expjjtjjcxcxxuhnj.,3 , 2 , 12.3.6 镍氢电池soc估计harbin institute of technology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 nresqqsoc taaanresdtiiiq

31、tiq0, 1naiiaaiiqqi tnanidtitiqtsoc011 tnanidtitiqtsoc011联立上述三个方程得2.3.6 镍氢电池soc估计harbin institute of technology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。 txtsoct 11nnaniiqtx 10 x tituna twituqtxnn11 tvtxty tw tv2.3.6 镍氢电池soc估计harbin institute of technolo

32、gy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。 kwkbukaxkx1 kvkcxky1a11nniqb1c kw kv2.3.6 镍氢电池soc估计harbin institute of technology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。 0kwe 0kwe 0kwe 0kve 22wkwe 22vkve 0kvkwe kxwv ku ky2.3.6 镍氢电池soc估计harbin institute of tech

33、nology新能源汽车技术 第 67 页2.4 锂离子电池 锂离子电池是锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向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市场的新型高能蓄电池，是目前世界最新一代的充电电池。电电池。 锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿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。低、工作温度范围宽和安全可靠等优点。 harbin institute of technology新能源汽车技术 第 68 页2.4.1 锂离子电池的

34、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。 harbin institute of technology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

35、铁锂离子电池；（3）镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。 harbin institute of technology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；3ptc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harbin institute of technology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harbin institute of technology新能源汽车技术 第 72 页2.4.3

36、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harbin institute of technology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。harbin institute of technology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。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。 harbin institute of tec