混合动力汽车电能储存装置

1、第第二二章章 混合动力汽车电能储能装置混合动力汽车电能储能装置v第一节第一节 混合动力汽车电能储存装置的种类混合动力汽车电能储存装置的种类及主要性能指标及主要性能指标v第二节第二节 二次电池的基本概念二次电池的基本概念v第三节第三节 铅酸蓄电池铅酸蓄电池v第四节第四节 镍氢电池镍氢电池v第五节第五节 锂离子电池锂离子电池v第六节第六节 飞轮储能器飞轮储能器v第七节第七节 超级电容器超级电容器v第八节第八节 蓄电池充电原理与充电器蓄电池充电原理与充电器v第九节第九节 HEVHEV蓄电池的监测系统蓄电池的监测系统2.1.1、电能储存装置的种类、电能储存装置的种类v1 1 二次电（二次电（secon

2、dary secondary batterybattery） 二次电池亦称二次电池亦称可充电电池可充电电池（rechargeable batteryrechargeable battery蓄电池蓄电池(storagebattery)(storagebattery)等等; ; 如铅酸蓄电池如铅酸蓄电池(Lead-(Lead-acid)acid)、镍、镍- -氢氢(Ni-MH)(Ni-MH)电池、电池、锂离子锂离子(Lithiumionization)(Lithiumionization)电池、镍电池、镍- -金属氢化物电池。金属氢化物电池。 混合动力汽车的电能储存混合动力汽车的电能储存装置可以分

3、为：装置可以分为：二次电池二次电池、超级超级电容电容、飞轮电池飞轮电池三类三类2.1 2.1 混合动力电动汽车电能储存装置的混合动力电动汽车电能储存装置的种类及主要性能指标种类及主要性能指标v2 2超级电容器（超级电容器（super capacitorsuper capacitor） 超级电容器又叫超级电容器又叫电化学电容器电化学电容器，是一种新型的、，是一种新型的、双电层电容器，与常见的物理电容器不同。双电层电容器，与常见的物理电容器不同。v 3 3飞轮电池飞轮电池FWBFWB（Fly Fly Wheel BatteryWheel Battery） 飞轮电池亦称飞轮储能器、飞轮电池亦称飞轮储

4、能器、高速或超高速飞轮储能器高速或超高速飞轮储能器等。等。2.1.2 电能储存装置的主要性能指标电能储存装置的主要性能指标v 1.1.比能量比能量（也称质量比能量、质量能量密度）：指（也称质量比能量、质量能量密度）：指单位质单位质量的电能储存装置所能输出的能量量的电能储存装置所能输出的能量，单位为，单位为J Jkgkg、WhWhkgkg或或kWh/kgkWh/kg（1Wh1Whkg=3600Jkg=3600Jkgkg）。比能量越高，）。比能量越高，汽车用电能行驶的距离越长。计算比能量时使用的质量为汽车用电能行驶的距离越长。计算比能量时使用的质量为电能储存装置的总质量。电能储存装置的总质量。v

5、2.2.能量密度能量密度（也称体积比能量）：指（也称体积比能量）：指单位体积电能储存装单位体积电能储存装置所能输出的能量置所能输出的能量，单位为，单位为WhWhL L或或kWhkWhL L。能量密。能量密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。度越高，汽车的载重量和车内空间越大。v 3.3.比功率比功率（亦称质量比功率）是指（亦称质量比功率）是指单位质量电能储存装置单位质量电能储存装置具有电能的功率具有电能的功率，单位为，单位为W Wkgkg或或kW/kgkW/kg。电能储存装置的。电能储存装置的比功率越大，汽车加速、爬坡性能好；最高车速高。比功率越大，汽车加速、爬坡性能好；最高车速高。v 4.4

6、.功率密度功率密度（亦称体积比功率、质量功率密度）（亦称体积比功率、质量功率密度）指单位体指单位体积电能储存装置所具有的电能功率积电能储存装置所具有的电能功率, ,单位为单位为W WL L或或kW/LkW/L，功率密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。功率密度越高，汽车的载重量和车内空间越大。v 5 5. .寿命寿命：电能储存装置的寿命通常指其使用时间的长短、：电能储存装置的寿命通常指其使用时间的长短、充、放电的循环次数的多少。单位为年、小时或循环次数。充、放电的循环次数的多少。单位为年、小时或循环次数。v 6.6.充、放电效率充、放电效率：充电充电效率指充入电能储存装置的电能占效率指充入电能

7、储存装置的电能占充电时消耗的电能的百分比充电时消耗的电能的百分比；放电放电效率指电能储存装置的效率指电能储存装置的输出电能电能储存装置消耗的电能的百分比输出电能电能储存装置消耗的电能的百分比EV和和HEV电池的选择电池的选择2.2 二次电池的基本概念二次电池的基本概念v一、常见的二次电池的术语（补充）一、常见的二次电池的术语（补充）v1.1.放电放电：恒流放电和恒阻放电：恒流放电和恒阻放电, ,连续放电与间断放连续放电与间断放电。电。v2.2.放电容量放电容量：在标准规定的条件下的放电电量或：在标准规定的条件下的放电电量或有效工作时间。有效工作时间。v3.3.电动势电动势：组成电池的两个电极的

8、平衡电位之差。：组成电池的两个电极的平衡电位之差。v4 4. .短路电流短路电流：电池短路后一瞬间流过的电流。：电池短路后一瞬间流过的电流。v5.5.放电率放电率：放电率指放电时的速率：放电率指放电时的速率 时率时率指以放电时间指以放电时间(h)(h)表示的放电速率，即以一定放电电流放完额定容量表示的放电速率，即以一定放电电流放完额定容量所需的小时数。所需的小时数。 例如，电池的额定容量为例如，电池的额定容量为30Ah30Ah，以，以2A2A电流放电，则时率为电流放电，则时率为30Ah30Ah2A2A15h15h，称电池以称电池以1515小时率放电。小时率放电。 “倍率倍率”指电池在规定时间内

9、放出其额定容量时所输出的电流值，数值等指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值等于额定容量的倍数。于额定容量的倍数。 例如，例如，2“2“倍率倍率”的放电，表示放电电流数值为电池量的的放电，表示放电电流数值为电池量的2 2倍。如对倍。如对30Ah30Ah电池，放电电流应为电池，放电电流应为2 2303060A60A。v放电深度放电深度DODDOD（depth of dischargedepth of discharge）：放电容量与）：放电容量与额定容量之比的百分数。额定容量之比的百分数。v充电：将外电路输入的电能转化为化学能贮存到蓄充电：将外电路输入的电能转化为化学能贮存到蓄电

10、池的过程。电池的过程。v充电率充电率：蓄电池在规定时间内充到额定容量所需：蓄电池在规定时间内充到额定容量所需的电流值；或在一定电流下充到额定容量所需的的电流值；或在一定电流下充到额定容量所需的时间。时间。 与放电率类似，一般用也倍率或时率表示。与放电率类似，一般用也倍率或时率表示。v恒压充电恒压充电：保持充电器端电压始终不变的充电方：保持充电器端电压始终不变的充电方法。法。v恒流充电恒流充电：充电电流保持不变的一种充电方法。：充电电流保持不变的一种充电方法。v极化极化：极化是电池由静止状态：极化是电池由静止状态( (电流电流i=0)i=0)转入工作转入工作状态状态(i0)(i0)产生的电池电压

11、、电极电位的变化现象。产生的电池电压、电极电位的变化现象。 极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化（电阻极化）、浓差极化和电化学极化等。浓差极化和电化学极化等。2.2.1、二次电池的电池主要性能指标、二次电池的电池主要性能指标v1.1. 开路电压开路电压：电池不放电处于断路状态时，电池：电池不放电处于断路状态时，电池两极之间的电位差。两极之间的电位差。v2.2.电池的内阻电池的内阻：欧姆内阻、极化内阻：欧姆内阻、极化内阻v3.3.电池的工作电压电池的工作电压：电池放电时电池两极之间的：电池放电时电池两极之间的电位差，又称放电电压或端电压。电位

12、差，又称放电电压或端电压。v4.4.终止电压和放电曲线终止电压和放电曲线 终止电压终止电压：电压下降到不宜再继续放电的最低工：电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压。作电压称为终止电压。 放电曲线放电曲线：电池工作电压随放电时间的变化曲线。：电池工作电压随放电时间的变化曲线。v5. 5. 电池容量电池容量(Ah)(Ah)v电池荷（带）电量的多少。用电池荷（带）电量的多少。用安培时安培时(Ah)(Ah)表示，表示，v理论容量理论容量：v实际容量实际容量：在：在一定条件一定条件下所能输出的电量，等于下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。放电电流与放电时间的乘积。v 额定容量额

13、定容量( (保证容量保证容量) )：按一定标准所规定的放电条件下，：按一定标准所规定的放电条件下，电池应该放出的最低限度的容量。电池应该放出的最低限度的容量。v 标称容量标称容量( (公称容量公称容量) )：用来鉴别电池适当的近似安培时数：用来鉴别电池适当的近似安培时数值，没有指定的放电条件，只标明电池的容量范围而没有值，没有指定的放电条件，只标明电池的容量范围而没有确切值。确切值。v 6. 6. 能量能量: : 在一定放电条件下，电池对外作功时所能输出的电在一定放电条件下，电池对外作功时所能输出的电能能, , 单位为单位为W Wh h或或kWkWh h。 标称能量标称能量：在规定的放电条件下

14、，电池所输出的能量，标称能：在规定的放电条件下，电池所输出的能量，标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。量是电池的额定容量与额定电压的乘积。 实际能量实际能量：在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能：在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。v 6 6功率功率：在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的：在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量，单位为能量，单位为W W或或kWkW。v 7. 7. 成本：成本：v 8 8二次电池的寿命：电池的寿命通常用使用时间或循环寿命二次电池的寿命：电池的寿

15、命通常用使用时间或循环寿命表示。表示。v 一个循环（周期一个循环（周期) )：循环充电电池（蓄电池）经历一次充电和：循环充电电池（蓄电池）经历一次充电和放电的过程放电的过程v 电池报废的原因：化学活性物质会发生老化变质。电池报废的原因：化学活性物质会发生老化变质。v 蓄电池循环寿命的影响因素：与充电和放电的形式、电池的蓄电池循环寿命的影响因素：与充电和放电的形式、电池的温度和放电深度有关温度和放电深度有关. . 放电深度放电深度“浅浅”时，有利于延长电池时，有利于延长电池寿命寿命2.2.2、二次电池性能比较、二次电池性能比较vHEVHEV和和EVEV汽车的对电源的主要要求：汽车的对电源的主要要

16、求：v高的高的比能量比能量（增长一次充电可行驶的距离）（增长一次充电可行驶的距离）v大的大的比功率比功率（在大电流工作时可平稳放电，提（在大电流工作时可平稳放电，提 高加速、爬坡性能）；高加速、爬坡性能）；v循环寿命长；循环寿命长；v安全可靠，免维护；安全可靠，免维护；v环境友好，可再生；环境友好，可再生；v成本低廉。成本低廉。各类车用动力电池的性能比较表各类车用动力电池的性能比较表 各类车用动力电池的性能比较表（续）返回常见电池比能量和比功率的关系常见电池比能量和比功率的关系TESLA电池总成电池总成v TESLATESLA电动车的电池采用了松下提供的电动车的电池采用了松下提供的NCANCA

17、系列（镍钴系列（镍钴铝体系）铝体系）1865018650钴酸锂电池钴酸锂电池，单颗电池容量为，单颗电池容量为31003100毫安毫安时时。v 这种电池我们并不陌生，像笔记本电脑等电子数码设这种电池我们并不陌生，像笔记本电脑等电子数码设备使用的都是这种类型的电池，相比于其它电动车使备使用的都是这种类型的电池，相比于其它电动车使用的电池类型，用的电池类型，1865018650电池的技术更为成熟，电池的技术更为成熟，比能量比能量方方面它几乎是磷酸铁锂电池的两倍，也就是说，在同等面它几乎是磷酸铁锂电池的两倍，也就是说，在同等体积的情况下，体积的情况下，1865018650电池组成的电池单元可以储存更电

18、池组成的电池单元可以储存更多的电能。这也是多的电能。这也是TESLATESLA使用这种电池的其中一个原因。使用这种电池的其中一个原因。v 尽管如此，把这种电池运尽管如此，把这种电池运用在电动车上还是有一定用在电动车上还是有一定难度，比如，要想满足一难度，比如，要想满足一辆电动车的使用需求就需辆电动车的使用需求就需要使用很多个要使用很多个1865018650锂电锂电池，这就出现了一个要解池，这就出现了一个要解决的问题，如何把它们组决的问题，如何把它们组合在一起。合在一起。v 85kWh85kWh的的MODEL SMODEL S的电池单元一共运用了的电池单元一共运用了81428142个个18650

19、18650锂电锂电池，工程师首先将这些电池以砖、片逐一平均分配最终池，工程师首先将这些电池以砖、片逐一平均分配最终组成一整个电池包，电池包位于车身底板组成一整个电池包，电池包位于车身底板。v 一个电池片由若干个电池砖组成，而一个电池砖又有若干一个电池片由若干个电池砖组成，而一个电池砖又有若干个个1865018650钴酸锂电池组成，除了每节钴酸锂电池组成，除了每节1865018650电池设有保险装电池设有保险装置外，每个电池片和每个电池砖也都有保险装置，一旦发置外，每个电池片和每个电池砖也都有保险装置，一旦发现某一单位内部出现问题，保险装置都会将其切断与其它现某一单位内部出现问题，保险装置都会将

20、其切断与其它电池单元的联系，从而避免殃及池鱼的情况出现。电池单元的联系，从而避免殃及池鱼的情况出现。v 另外，每个电池片之间都有相对另外，每个电池片之间都有相对独立的空间并由防火墙独立的空间并由防火墙相相隔，即便是单个电池片内部出现了起火的情况，火势也可隔，即便是单个电池片内部出现了起火的情况，火势也可得到一定控制，不至于迅速蔓延至整个电池包。得到一定控制，不至于迅速蔓延至整个电池包。v 当然，保险装置是最后的一道屏障，当它切断的时候当然，保险装置是最后的一道屏障，当它切断的时候也就意味着某个电池单元出现了问题，如果涉及到更换，也就意味着某个电池单元出现了问题，如果涉及到更换，整个电池包可以以

21、整个电池包可以以“片片”为单位进行更换。为单位进行更换。每节电池之间每节电池之间以并联的方式连接以并联的方式连接，而，而电池砖之间和电池片之间分别以串电池砖之间和电池片之间分别以串联的方式连接联的方式连接，也就是说，在实际用车过程中，当某节电，也就是说，在实际用车过程中，当某节电池出现问题时，车辆不会抛锚，受到影响的只是车辆的续池出现问题时，车辆不会抛锚，受到影响的只是车辆的续航里程航里程。v 特斯拉将建设超级电池工特斯拉将建设超级电池工厂：降低电动汽车成本厂：降低电动汽车成本2.2.3、二次电池的输出电流、功率和效率的关系、二次电池的输出电流、功率和效率的关系ibbRIUU0v 蓄电池放电电

22、流、放电端电压、效率、输出功率等于汽蓄电池放电电流、放电端电压、效率、输出功率等于汽车的车的续驶里程、车速续驶里程、车速等有密切关系。它们之间的关系是等有密切关系。它们之间的关系是HEVHEV与与EVEV选用蓄电池的重要理论依据。选用蓄电池的重要理论依据。v 蓄电池的放电特性：蓄电池的放电特性：v 式中式中U U0 0-蓄电池的蓄电池的开路电压开路电压（V V）v U Ub b-蓄电池放电时的端电压（蓄电池放电时的端电压（V V）v I Ib b-蓄电池的放电电流（蓄电池的放电电流（A A）v R- R-蓄电池的蓄电池的内阻内阻（） )(0ibbbbbRIUIUIP0000/ )(1/ )()

23、/()(URIURIUUIUIibibbbbbv 输出功率：输出功率：v 蓄电池的效率蓄电池的效率 v 蓄电池能输出的最大功率：蓄电池能输出的最大功率：v 输出功率时的最大电流：输出功率时的最大电流：)4/(20maxibRUP)2/(0maxibRUI蓄电池的放电特性曲线蓄电池的放电特性曲线2.3 铅酸蓄电池铅酸蓄电池v 酸蓄电池：以酸蓄电池：以酸性水溶液酸性水溶液为电解质的蓄电池为电解质的蓄电池v 铅酸蓄电池：电极材料为铅酸蓄电池：电极材料为铅及其氧化物铅及其氧化物2.3.1 铅酸蓄电池的种类及铅酸蓄电池的种类及型号型号v 1. 1. 开口式铅酸蓄电池开口式铅酸蓄电池 这种电池大多是在启动

24、型蓄电池的基础上进行局部改进这种电池大多是在启动型蓄电池的基础上进行局部改进而成的。开口式铅酸蓄电池多用于短距离的电瓶车、巡逻车、而成的。开口式铅酸蓄电池多用于短距离的电瓶车、巡逻车、游览车和居民小区内的小交通车等游览车和居民小区内的小交通车等。v 2. 2. 阀控式密封铅酸蓄电池阀控式密封铅酸蓄电池 原用于原用于UPSUPS系统中，现已广泛应用于各种电动助力车，我系统中，现已广泛应用于各种电动助力车，我国电动自行车约国电动自行车约95%95%使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。目前使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。目前国内此类电池的在比能量、循环寿命、充电时间等几方面均国内此类电池的在比能量、循环寿命

25、、充电时间等几方面均有明显提升，按照行业标准检测电池的循环寿命达到有明显提升，按照行业标准检测电池的循环寿命达到700700次次以上，以上，100% DOD100% DOD放电循环寿命达到放电循环寿命达到300300次以上次以上。v3. 3. 双极性密封铅酸蓄电池双极性密封铅酸蓄电池 全部正极板并联焊在一起组成电池的正极；全部负极板并联焊在全部正极板并联焊在一起组成电池的正极；全部负极板并联焊在一起组成电池的负极。一起组成电池的负极。 比能量很高，循环寿命也很高。双极性密封铅酸蓄电池目前正在研比能量很高，循环寿命也很高。双极性密封铅酸蓄电池目前正在研发中，还没有达到商品化阶段。发中，还没有达到

26、商品化阶段。v4. 4. 水平式密封铅酸蓄电池水平式密封铅酸蓄电池 正负极和隔板是采用卧式组合起来的；导电板栅是由将铅挤压在正负极和隔板是采用卧式组合起来的；导电板栅是由将铅挤压在细的玻璃纤维四周形成的铅丝编织而成的；正极和负极铅膏分别涂在细的玻璃纤维四周形成的铅丝编织而成的；正极和负极铅膏分别涂在一片铅网的两端，中间留有一段未涂膏的板栅将两种铅膏分开，再用一片铅网的两端，中间留有一段未涂膏的板栅将两种铅膏分开，再用封包机将该双极板用超细纤维包起来。封包机将该双极板用超细纤维包起来。 内阻很小，即可大电流放电又适合快速充电，这一特点正满足了电内阻很小，即可大电流放电又适合快速充电，这一特点正满

27、足了电动车对蓄电池的要求动车对蓄电池的要求。 铅酸蓄电池的应用铅酸蓄电池的应用v优点：优点： 技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高，大技术可靠，生产工艺成熟，成本低，单体电池电压高，大电流输出特性，良好的高温和低温性能，较高的能量效率电流输出特性，良好的高温和低温性能，较高的能量效率（75758080）% %以及多种多样的型号和尺寸。以及多种多样的型号和尺寸。v缺点：缺点： 比能量比能量和和能量密度比较低能量密度比较低（35W35Wh/kgh/kg和和70W70Wh/Lh/L），自放电），自放电 率较高（率较高（2525环境每天降低环境每天降低1%1%），循环寿命相对较低），循环寿命

28、相对较低（10001000次），硫酸腐蚀电极不便于长期储存。次），硫酸腐蚀电极不便于长期储存。 目前，性能得到改进的多种类型的铅酸蓄电池正目前，性能得到改进的多种类型的铅酸蓄电池正不断地被应用到不断地被应用到电动汽车电动汽车上，铅酸蓄电池仍是电动上，铅酸蓄电池仍是电动汽车最具吸引力的能量源选择方案。汽车最具吸引力的能量源选择方案。返回蓄电池的名称代码及含义蓄电池的名称代码及含义2.3.2、铅酸蓄电池的工作原理、铅酸蓄电池的工作原理v铅酸蓄电池的放电和充电的反应过程，是铅酸蓄铅酸蓄电池的放电和充电的反应过程，是铅酸蓄电池活性物质进行的电池活性物质进行的可逆化学变化过程可逆化学变化过程。它们可。它

29、们可以用下列化学方程式表示：以用下列化学方程式表示：铅酸蓄电池放电时，化学反应由左向右进行，其相反过程为充电过程的化学反应。放电过程中， 生成H2O， H2SO4的浓度会逐渐减小. 可以用比重计来测定电解液的密度, 进一步了解铅酸蓄电池电解液的放电的程度。4244222P 2PbSOOHbSOPbSOHPbO 充电放电正极电解液负极正极电解液负极v蓄电池的构造v通常由若干个单体电池串联而成。v组成：正极板、负极板、隔板、电解液、电池盖、加液孔盖和电池外壳。v每个单体电池的基本电压2V。v电解液中往往加入硅酸胶作为凝结剂，使电解质成为胶状物，形成“胶体”电解质2.3.3、铅酸蓄电池的构造、铅酸蓄

30、电池的构造安装了排气阀的铅酸蓄电池安装了排气阀的铅酸蓄电池2.3.4、蓄电池的容量及其影响因素、蓄电池的容量及其影响因素v 1 1、蓄电池的容量、蓄电池的容量v 蓄电池的容量蓄电池的容量C (AC (Ah)h)是指蓄电池在允许放电的范围内所是指蓄电池在允许放电的范围内所输输出的电量即放电电流出的电量即放电电流I(A)I(A)和放电时间和放电时间t(h)t(h)之积的积分。之积的积分。v 恒流放电恒流放电的容量为：的容量为：C = IC = It tv C C与与放电电流放电电流、温度温度及及电解液的密度电解液的密度等因素有关。等因素有关。v 电动道路车辆用铅酸蓄电池的电动道路车辆用铅酸蓄电池的

31、额定容量额定容量用用C C3 3表示：表示：v 在电解液温度为在电解液温度为2525时，以时，以3 3小时率放电电流小时率放电电流(I(I3 3= C= C3 3/3 A)/3 A)连续放电到蓄电池端电压下降至连续放电到蓄电池端电压下降至9.90V9.90V蓄电池所输出的电蓄电池所输出的电量。量。 检验新蓄电池质量检验新蓄电池质量和衡量和衡量蓄电池能否继续使用蓄电池能否继续使用的重要指标的重要指标v GB/T 18332.1-2001规定蓄电池的规定蓄电池的完全充电的定义完全充电的定义：v 免维护蓄电池：以免维护蓄电池：以0.5I3（A）进行）进行恒流充电恒流充电到到14.4V0.1V后，再继

32、续以后，再继续以0.25I3（A）电流充电在充电末期连续）电流充电在充电末期连续3h内内电压变化不大于电压变化不大于0.05 V/h。v 阀控密封式蓄电池采用改进的阀控密封式蓄电池采用改进的恒压充电恒压充电：用恒压：用恒压14.4 V0.1V、限流、限流I3（A）充电）充电16 h或充电末期电流稳定或充电末期电流稳定3h不不变。变。v GB/T 18332.1-2001规定规定C3的测量方法：对完全充足电的的测量方法：对完全充足电的蓄电池，在温度为蓄电池，在温度为252的水浴环境中静置的水浴环境中静置5h，恒电，恒电流（流（C3/3 A）放电到）放电到9.90V终止，记录放电时间。放电电终止，

33、记录放电时间。放电电流和记录的放电终止时间的乘积即为电池容量。流和记录的放电终止时间的乘积即为电池容量。2.蓄电池的容量及影响因素蓄电池的容量及影响因素v极板的构造极板的构造v放电电流放电电流v电解液温度电解液温度v电解液密度电解液密度1 1）. .极板构成极板构成v极板厚度越薄，活性物质的利用率就越高，相同极板厚度越薄，活性物质的利用率就越高，相同蓄电池尺寸下极板片数多，容量就越大。蓄电池尺寸下极板片数多，容量就越大。v极板面积越大，同时参与反应的物质就越多，容极板面积越大，同时参与反应的物质就越多，容量就越大。量就越大。v同性极板中心距越小，蓄电池内阻越小，容量越同性极板中心距越小，蓄电池

34、内阻越小，容量越大。大。2）放电电流对容量的影响）放电电流对容量的影响v 放电电流越大，蓄电池容放电电流越大，蓄电池容量越小。量越小。 因放电电流越大，极因放电电流越大，极板孔隙内消耗的板孔隙内消耗的H2SO4越越快，且单位时间内产生的快，且单位时间内产生的PbSO4越多，越多，PbSO4堵塞堵塞极板孔隙明显，阻碍电液极板孔隙明显，阻碍电液向极板内层渗透，使极板向极板内层渗透，使极板孔隙内电解液密度急剧下孔隙内电解液密度急剧下降，致端电压也迅速下降，降，致端电压也迅速下降，而极大地缩短了放电时间，而极大地缩短了放电时间，使蓄电池容量下降。使蓄电池容量下降。3 3）电解液温度的影响）电解液温度的

35、影响v 电解液温度降低，蓄电池电解液温度降低，蓄电池容量减小。容量减小。 温度温度粘度粘度，电解，电解液渗入极板困难，活性物液渗入极板困难，活性物质利用率质利用率CC； 同时，粘度同时，粘度内阻内阻内内压降压降，端电压，端电压C C2020。实验证明，电解液温度每实验证明，电解液温度每下降下降1 1，缓慢放电时蓄缓慢放电时蓄电池容量约减少电池容量约减少l l，迅迅速放电时蓄电池容量约减速放电时蓄电池容量约减少少2 2。由于电解液温度对蓄电池容量影响由于电解液温度对蓄电池容量影响较大，因此，冬季在寒冷地区使用较大，因此，冬季在寒冷地区使用蓄电池时，应特别注意蓄电池的保蓄电池时，应特别注意蓄电池的

36、保温。温。4 4）电解液密度的影响）电解液密度的影响n电解液密度电解液密度电动势电动势EE，电液渗透能力电液渗透能力，参加反应的活性物质参加反应的活性物质C C2020；n过高，粘度过高，粘度，内阻，内阻，极板硫化极板硫化C C2020。n实践证明：电解液密度偏实践证明：电解液密度偏低有利于提高放电电流和低有利于提高放电电流和容量。即使是冬季使用的容量。即使是冬季使用的电解液，在不使其结冰的电解液，在不使其结冰的前提下，也应尽可能采用前提下，也应尽可能采用稍低密度的电解液。稍低密度的电解液。一般电解液密度为一般电解液密度为1.21.26 6-1.-1.285285g/cm3g/cm35 5）电

37、解液纯度对容量的影响电解液纯度对容量的影响v电解液中的一些有害杂质会腐蚀栅架，沉附于极电解液中的一些有害杂质会腐蚀栅架，沉附于极板上的杂质形成局部电池产生板上的杂质形成局部电池产生自放电自放电，导致输出，导致输出电量减小。电量减小。v如：电解液中若含有如：电解液中若含有1%1%的铁，则蓄电池在一昼夜的铁，则蓄电池在一昼夜内就会放完电。内就会放完电。2.3.5 铅酸蓄电池的特性及充、放电特性铅酸蓄电池的特性及充、放电特性v1 1、铅酸蓄电池的电动势与开路电压、铅酸蓄电池的电动势与开路电压v 铅酸蓄电池的电动势与开路电压与铅酸蓄电池铅酸蓄电池的电动势与开路电压与铅酸蓄电池电解液电解液H2SO4的浓

38、度有关，随着电解液的浓度降低，铅酸蓄电池的电动势的浓度有关，随着电解液的浓度降低，铅酸蓄电池的电动势和开路电压也下降，因此可用测定电解液的浓度来了解铅酸和开路电压也下降，因此可用测定电解液的浓度来了解铅酸电池的电动势与开路电压电池的电动势与开路电压。v (1)(1)静止电动势静止电动势E Ej j：蓄电池处于静止状态时，正蓄电池处于静止状态时，正负极板之间的电位差称为静止电动势。负极板之间的电位差称为静止电动势。v (2)(2)开路电压：理论上，开路状态下的端电压开路电压：理论上，开路状态下的端电压并不等于蓄电池的电动势。但是，开路电压在并不等于蓄电池的电动势。但是，开路电压在数值上很接近蓄数

39、值上很接近蓄电池的静止电动势，电池的静止电动势，可以用开可以用开路电压代替静止电动势。路电压代替静止电动势。v 一般规定铅蓄电池的额定开路电压为一般规定铅蓄电池的额定开路电压为2.02.0V V。2.铅酸蓄电池充、放电特性铅酸蓄电池充、放电特性v 1)1)铅酸蓄电池恒电流放电铅酸蓄电池恒电流放电特性特性2）铅酸蓄电池的充电特性）铅酸蓄电池的充电特性v 1. 1. 高效阶段高效阶段 两极的硫酸铅分别转换成了铅和二氧化铅，充电接受率两极的硫酸铅分别转换成了铅和二氧化铅，充电接受率高，接近高，接近100%100%。 这个阶段在温度和充电率都保证的情况下单体端电压达这个阶段在温度和充电率都保证的情况下

40、单体端电压达到到2.39V2.39V时结束。时结束。v 2 2. . 混合阶段混合阶段 水解副反应和充电主反应同时进行，此时的充电接受率水解副反应和充电主反应同时进行，此时的充电接受率逐步下降。当两个反应达到平衡时，即电池两端电压与稀逐步下降。当两个反应达到平衡时，即电池两端电压与稀硫酸溶液浓度不再上升，这表示电池已经充满电。硫酸溶液浓度不再上升，这表示电池已经充满电。v 3. 3. 析气阶段析气阶段 蓄电池已经被充满电，电池中所进行的反应只有水解副蓄电池已经被充满电，电池中所进行的反应只有水解副反应，再加上缓慢进行的自放电反应。此时会产生大量的反应，再加上缓慢进行的自放电反应。此时会产生大量

41、的气体，主要是氢气和氧气。气体，主要是氢气和氧气。2.3.6 铅酸蓄电池的性能指标铅酸蓄电池的性能指标放电电流和放电容量的关系放电电流和放电容量的关系输出功率密度和比能量的关系输出功率密度和比能量的关系2.3.7铅酸蓄电池的危害铅酸蓄电池的危害v铅毒铅毒v酸雾酸雾v锑和砷、镉锑和砷、镉2.4 镍氢镍氢(Ni-MH)电池电池v 镍氢电池现主要应用于镍氢电池现主要应用于混合电动车混合电动车。20112011年年HEVHEV市场占市场占56%56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%24%，无绳电话占，无绳电话占11%11%

42、，其他市场为，其他市场为9%9%。v 世界镍氢电池主要由世界镍氢电池主要由中国中国和和日本日本企业生产，占全球产量的企业生产，占全球产量的95%95%以上。全球镍氢电池以上。全球镍氢电池70%70%以上在中国生产，中国镍氢电池以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇等。日本企业松下、企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。v HEVHEV用大型镍氢电池主要在日本生产，生产企业主要为用大型镍氢电池主要在日本生产，生产企业主要为PrimearthPrimearth电动车能源公司

43、（电动车能源公司（PEVE)PEVE)和三洋电机，和三洋电机，v 我国镍氢电池增长乏力，近几年的产品产值、产量均未超过我国镍氢电池增长乏力，近几年的产品产值、产量均未超过20082008年的高峰。年的高峰。20112011年，镍氢电池的产值、产量分别为年，镍氢电池的产值、产量分别为5555亿亿元、元、9.59.5亿只，与亿只，与20082008相比分别下降相比分别下降15.38%15.38%、26.36%26.36%。产品。产品规模的缩小使得镍氢电池更不具规模经济，未来情景堪忧，规模的缩小使得镍氢电池更不具规模经济，未来情景堪忧，其发展空间仍然取决于混合电动车的应用情况其发展空间仍然取决于混合

44、电动车的应用情况一、镍氢电池（一、镍氢电池（Ni-MH Batteries）的特点与组）的特点与组成成v1 1Ni-MHNi-MH电池的主要特点：电池的主要特点：v能量密度高能量密度高，是，是Ni-CdNi-Cd电池的电池的1.51.52 2倍；倍；v电池电压电池电压1.2-1.3V1.2-1.3V，与，与Ni-CdNi-Cd电池相当；电池相当；v可快速充放电，低温性能好可快速充放电，低温性能好；即使在；即使在2020环环境温度下，采用大电流境温度下，采用大电流( (以以1C1C放电速率放电速率) )放电，放放电，放出的电量也能达到标称容量的出的电量也能达到标称容量的8585以上。以上。v可密

45、封，耐过充、放电能力强可密封，耐过充、放电能力强；v无毒，无环境污染，不使用贵金属；无毒，无环境污染，不使用贵金属；v无记忆效应。无记忆效应。2、镍氢电池的镍氢电池的组成组成 镍氢电池可分为高压镍氢电池可分为高压镍氢电池和低压镍氢镍氢电池和低压镍氢电池两大类。电池两大类。v按照外形可分按照外形可分方形镍方形镍氢电池氢电池和和圆柱形镍氢圆柱形镍氢电池电池。2.4.3、Ni-MH电池的原理电池的原理v Ni-MHNi-MH电池的组成：电池的组成：v 正极活性物质是正极活性物质是氢氧化镍氢氧化镍v 负极是储氢合金，经常用负极是储氢合金，经常用MHxMHx表示，表示，v 电解液是氢氧化钾的水溶液。电解

46、液通常用电解液是氢氧化钾的水溶液。电解液通常用3030的的KOHKOH水溶水溶液，并加入少量的液，并加入少量的NiOHNiOHv 当电池放电（向右）、充（向左）时，正负极发生化学反当电池放电（向右）、充（向左）时，正负极发生化学反应为应为v 充电时氢由正极迁移到负极，放电时则相反充电时氢由正极迁移到负极，放电时则相反v 没有发生电解液的增加或减少没有发生电解液的增加或减少2.4.4、动力、动力Ni-MH电池的电池的特性特性v充电电流在充电电流在10-30A10-30A，充电后，电池的内压，充电后，电池的内压0.15MPa0.15MPav寿命可达寿命可达10001000次循环，实际行驶可达次循环

47、，实际行驶可达1515万万kmkm。v 图图24 24 松下电池公司松下电池公司Ni-MHNi-MH电池的放电特电池的放电特2.4.5动力动力Ni-MH电池的性能指标及应用情况电池的性能指标及应用情况v动力电池组多设计为动力电池组多设计为12V/100Ah12V/100Ah，为了散热和温度，为了散热和温度能均匀分布，单体电池间设置有均匀空气通道。能均匀分布，单体电池间设置有均匀空气通道。装车使用时，如用装车使用时，如用2424个个串联串联。则电压可达。则电压可达288V288V，携带能量约为携带能量约为288KW288KWh h。2.4.6 Ni-MH电池的命名规则电池的命名规则v GBGBT

48、18332.2-2001T18332.2-2001对电动车用对电动车用Ni-MHNi-MH电池的规定：电池的规定：v 蓄电池应由蓄电池应由1010只只单体电池组成，单体电池采用单体电池组成，单体电池采用方形方形和和圆柱圆柱形两种，分别用形两种，分别用“10QNF10QNF”和和“10QNY10QNY”表示。表示。v 电池名称中符号的含义如图电池名称中符号的含义如图v 所额定容量所额定容量: :用用C C3 3表示，即在表示，即在202055条件下，以条件下，以3 3小时率小时率放电电流放电电流(I(I3 3= C= C3 3/3 A)/3 A)连续放电到蓄电池端电压下降至连续放电到蓄电池端电压

49、下降至10V10V蓄电池所输出的电量。蓄电池所输出的电量。第五节第五节 锂离子锂离子(Lithium-ion)电池电池一、锂离子电池的种类一、锂离子电池的种类v锂离子电池是指分别用二个能可逆地锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌嵌入与脱嵌锂离子的化合物锂离子的化合物作为正、负极构成的二次电池。作为正、负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正、负极之间的转移来完人们将这种靠锂离子在正、负极之间的转移来完成电池充放电工作的锂离子电池形象地称为成电池充放电工作的锂离子电池形象地称为“摇摇椅式电池（椅式电池（rocking chair batteriesrocking chair batter

50、ies）”，俗称，俗称“锂电锂电”。v图图27 200527 2005年世界民用锂离子电池市场占有比例年世界民用锂离子电池市场占有比例锂离子电池的种类：锂离子电池的种类：v液态锂离子电池液态锂离子电池(lithium ion battery, (lithium ion battery, 简称为简称为LIB):LIB):电解质为液体电解质为液体v聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池(polymer lithium ionbattery, (polymer lithium ionbattery, 简称为简称为LIP):LIP):电解质为聚合物电解质为聚合物v液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正、液

51、态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正、负极材料相同，电池的工作原理也基本一致。主负极材料相同，电池的工作原理也基本一致。主要区别是使用的电解质不同。要区别是使用的电解质不同。液态锂离子电池的优点液态锂离子电池的优点v(1)(1)能量密度高能量密度高，为同等容量的镍氢电池的，为同等容量的镍氢电池的1.51.5倍；倍；v(2)(2)电压高电压高，端电压，端电压3.73.7，为，为i-i-电池电压电池电压的倍；的倍；v(3)(3)无污染，环保无污染，环保；v(4)(4)循环寿命长，寿命超过循环寿命长，寿命超过10001000次；次；v(5)(5)负载特性好，可以大电流连续放电，负载特性好，可以大电

52、流连续放电，适合于动适合于动力电源力电源；v(6)(6)安全性好。安全性好。聚合物锂离子电池的主要优点如下：聚合物锂离子电池的主要优点如下：v （1 1）具有液态锂离子电池的优良性能）具有液态锂离子电池的优良性能；v （2 2）容易装配）容易装配，可制成任意形状和尺寸的电池；，可制成任意形状和尺寸的电池；v （3 3）整体电池很轻、很薄）整体电池很轻、很薄，可制成厚度仅为，可制成厚度仅为lmmlmm的极薄电的极薄电池，一只池，一只12V12V的电池组可以只有的电池组可以只有3mm3mm厚；厚；v （4 4）不存在游离电解质）不存在游离电解质，可以在低压下工作，消除了漏，可以在低压下工作，消除了

53、漏液问题；液问题；v （5 5）电池结构可大大简化）电池结构可大大简化，不需要金属外壳和高压排气，不需要金属外壳和高压排气装置，不会产生燃烧爆炸等安全问题；装置，不会产生燃烧爆炸等安全问题；v （6 6）可以简化甚至取消充电保护装置；）可以简化甚至取消充电保护装置；v （7 7）电池的比容量较高；质量比能量可比目前的液态锂）电池的比容量较高；质量比能量可比目前的液态锂离子电池提高离子电池提高5050以上；以上；v （8 8）工作电压高、充放电循环寿命长）工作电压高、充放电循环寿命长v锂离子电池的缺点锂离子电池的缺点（1 1）成本高。）成本高。 因钴因钴CoCo材料的资源少，导致正极材料钴酸锂材

54、料的资源少，导致正极材料钴酸锂LiCoOLiCoO2 2的价的价格高，电解质体系的提纯较难。格高，电解质体系的提纯较难。（2 2）须有特殊的保护电路。）须有特殊的保护电路。 需设置对电池过充电和过放电的保护线路控制。必须需设置对电池过充电和过放电的保护线路控制。必须在（在（4.14.14.24.2）V V的电压下充电；电池过放电会导致活性物的电压下充电；电池过放电会导致活性物质的恢复困难，也需要有保护线路控制。质的恢复困难，也需要有保护线路控制。不足锂离子电池的组成锂离子电池的组成v 与镍氢电池类似，锂离子与镍氢电池类似，锂离子电池也有电池也有方形方形和和圆柱形圆柱形两两种种v(1). (1)

55、. 锂离子电池的负极材料锂离子电池的负极材料v碳材料碳材料: :具有具有高的比容量高的比容量( (200mAhg00mAhg)，低的电极电势低的电极电势(1.0)(95(95) )，长的循环寿命长的循环寿命。v 较为成功的碳负极材料有较为成功的碳负极材料有: :石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、石墨、乙炔黑、微珠碳、石油焦、碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等理论表达式为碳纤维、裂解聚合物和裂解碳等理论表达式为C C6 6LiLi，化学计，化学计量的理论比容量为量的理论比容量为372 mA372 mAh hg g。v(2). (2). 锂离子电池正极材料锂离子电池正极材料v 正极活性物质的主要有正极活性物

56、质的主要有LiCoOLiCoO2 2、LiNiOLiNiO2 2、LiMnOLiMnO2 2和和LiMnLiMn2 2O O4 4等。等。LiCoOLiCoO2 2属于属于-FeO-FeO2 2型结构，可逆性、放电容量、充放电效率、型结构，可逆性、放电容量、充放电效率、电压的稳定性等性能均很好。电压的稳定性等性能均很好。v 目前被广泛采用或在其中再添加目前被广泛采用或在其中再添加AlAl、InIn等元素的复合钴酸锂。等元素的复合钴酸锂。但是，钴材料成本较高，资源缺乏。但是，钴材料成本较高，资源缺乏。1 1、液态锂离子电池、液态锂离子电池v（3 3）电解质）电解质v锂离子电池的液态电解质，其溶剂

57、为无水有机物，锂离子电池的液态电解质，其溶剂为无水有机物，如如ECEC（乙烯碳酸脂）、（乙烯碳酸脂）、PC(PC(丙烯碳酸脂丙烯碳酸脂) )和和DEC(DEC(低低粘度二乙基碳酸脂粘度二乙基碳酸脂) )等烷基碳酸脂搭配的等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂混合溶剂体系。体系。v（4 4）隔膜：）隔膜：v采用采用聚烯微多孔膜聚烯微多孔膜如如PEPE、PPPP或它们复合膜，尤其或它们复合膜，尤其是是PP/PE/PPPP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。v（5 5）外壳：）外壳：v采用采用钢或铝钢或铝

58、材料，盖体组件具有防爆断电的功能。材料，盖体组件具有防爆断电的功能。2. 聚合物锂离子聚合物锂离子电池电池 锂离子聚合物电池（又称高分子锂电池）属第二代可充锂锂离子聚合物电池（又称高分子锂电池）属第二代可充锂离子电池离子电池. .电解质是将传统的液态有机电解质吸附在一种电解质是将传统的液态有机电解质吸附在一种被称作胶体电解质的聚合物基质上。被称作胶体电解质的聚合物基质上。v 组成组成v 负极：负极：高分子导电材料高分子导电材料、聚乙炔、人造石墨、聚苯胺或、聚乙炔、人造石墨、聚苯胺或聚对苯酚等聚对苯酚等 v 正极：正极：LiCoOLiCoO2 2、i in n2 2O O和和iNiOiNiO2

59、2等。等。v 电解质：电解质：LiPFLiPF6 6/ /有机碳酸脂混合物有机碳酸脂混合物v 隔膜隔膜v1. 1. 锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理 在电池充电时，在电池充电时，LiLi+ +的一部分会从正极中脱出的一部分会从正极中脱出，经过电，经过电解质嵌入到负极碳的层间，形成层间化合物。电池放电时，解质嵌入到负极碳的层间，形成层间化合物。电池放电时，则进行与此相反的可逆过程，即则进行与此相反的可逆过程，即LiLi+ +从负极脱出，从负极脱出，经过电解经过电解质再嵌回正极。质再嵌回正极。 反应方程式：反应方程式： （正极）（正极） （负极）（负极）+-22LiCoO = CoOLie

60、+-66CLiC Lie2.5.3锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理2.5.4 2.5.4 聚合物锂离子电池的性能特点v工作电压工作电压3.8V3.8V，v质量比能量为质量比能量为150 W150 Wh/kgh/kg，v体积比能量为体积比能量为246 W246 Wh/Lh/L，v比功率为比功率为315W/kg315W/kg，v循环寿命大于循环寿命大于300300次，次，v自放电小于自放电小于0.1%/0.1%/月，月，v工作温度为（工作温度为（-25-256060），v充电速度充电速度1h1h达到达到80%80%容量，容量，3h3h达到达到100%100%容量。容量。性能指标 2.5.5