新能源汽车2纯电动车动力电池

新能源汽车2纯电动车动力电池第1页/共61页1、熟悉电动汽车用动力电池的种类和性能指标2、掌握铅酸蓄电池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂离子电池的工作原理3、了解铅酸蓄电池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂离子电池的特点4、掌握锂离子电池的充放电特性和充电方法第二章电动汽车用动力电池本章目标2第2页/共61页5、熟悉燃料电池、超级电容的分类6、掌握燃料电池、超级电容、飞轮电池的结构、工作原理及特点7、掌握蓄电池管理系统的结构及功能8、掌握制动能量回收系统的原理和方法9、熟悉电动汽车用动力电池的常见故障机排除方法第二章电动汽车用动力电池本章目标3第3页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除94第4页/共61页物理电池化学电池动力电池生物电池1.1动力电池的分类第一节概述5第5页/共61页1.1动力电池的分类1）化学电池能量转化：化学能→电能组成：电极（正极、负极）、电解质、隔膜和容器（外壳）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。6第6页/共61页1.1动力电池的分类2）物理电池原理：利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池特点：在常温常压条件下进行能量转换举例：太阳能电池、超级电容、飞轮电池等。3）生物电池原理：利用生物酶、微生物或叶绿素做成的电池，利用生物化学反应发电。举例：微生物电池、酶电池、生物太阳电池等7第7页/共61页1.2动力电池的性能指标电池的性能指标电压容量内阻能量功率输出效率自放电率使用寿命动力电池应满足的要求持续稳定的大电流放电，能够保证汽车保持一定的行驶速度v。有短暂大电流放电的能力，保证汽车在加速、上坡时有足够的动力a。能一次性提供足够的能源，保持汽车有一定的行驶里程S。8第8页/共61页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1．比能量高2．比功率大3．循环寿命长4．均匀一致性好5．相对稳定性好6．高低温性能好、环境适应性强7．安全性好8．价格低廉9．绿色、环保requirement9第9页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除910第10页/共61页2.1铅酸蓄电池1）铅酸蓄电池概述以酸性水溶液作为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于酸蓄电池电极是以铅及其氧化物作为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池，是目前唯一大量使用的车载动力电池。优点😊放电电压平稳充电效率高性能可靠生产技术成熟价格便宜优点😊维护简便或者免维护适用范围广原材料丰富自放电低回收技术成熟第二节蓄电池11第11页/共61页2.1铅酸蓄电池1）铅酸蓄电池概述按工作环境分类根据结构和原理不同分类铅酸蓄电池移动式（汽车）固定式铅酸蓄电池干荷电式湿荷电式阀控式免维护型胶体型水平板式12第12页/共61页1—排气栓；2—负极柱；3—电池盖；4—穿壁连接；5—汇流条；6—电池外壳；7—负极板；8—隔板；9—正极板2.1铅酸蓄电池2）铅酸蓄电池的构造铅酸蓄电池由正极板、负极板、隔板、电池盖、电解液、排气栓和电池外壳组成。

铅酸蓄电池的基本单元是单体电池，每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。13第13页/共61页12V—120Ah标称容量标称直流电压2.1铅酸蓄电池3）铅酸蓄电池的型号纯电动汽车使用的蓄电池一般为牵引铅酸蓄电池，型号为××V—××Ah。14第14页/共61页充电过程：电能→化学能电解液密度↗2.1铅酸蓄电池4）铅酸蓄电池的工作原理正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2），负极板上是海绵状的纯铅（Pb），电解液是硫酸水溶液（H2SO4）。铅酸蓄电池的充放电过程放电过程：化学能→电能电解液密度↘15第15页/共61页1—正极板；2—接线柱；3—加液口盖；4—绝缘导套；5—负极板；6—吊架；7—单体电池连接条；8—极板骨架；9—绝缘层；10—镀镍薄钢板；11—壳体；12—通孔；13—活性物质；14—正极板导管；15—氢氧化镍2.2镍-镉电池镍-镉电池的每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。将单体电池按不同的组合装置在不同塑料外壳中，可得到所需要的不同电压和不同容量的镍-镉电池总成（电池组）。1）镍-镉电池的构造16第16页/共61页2.2镍-镉电池以羟基氢氧化镍为正极，金属镉为负极，水溶性氧化钾溶液为电解质。为了提高寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。2）镍-镉电池的工作原理正极负极正极负极在镍-镉电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。17第17页/共61页2.2镍-镉电池3）镍-镉电池的特点可以进行快速充电有记忆效应回收镉（有害的重金属）使用性能比铅酸蓄电池好18第18页/共61页1—帽盖（+）；2—正极；3—密封板；4—负极片；5—隔离膜；6—正极片；7—外壳（-）；8—绝缘环2.3镍-氢电池1）镍-氢电池的构造单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。19第19页/共61页2.3镍-氢电池2）镍-氢电池的工作原理

充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极从金属转化为金属氢化物。

放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质中结合成水并释放电能。镍-氢电池在碱性电解液中进行反应的模型20第20页/共61页2.3镍-氢电池3）镍-氢电池的特点优点😊启动加速性能好无污染比功率高快速补充充电时间短无“记忆效应”过充电和过放电性能好、循环次数多缺点☹比功率和放电能力不及镍-镉电池成本很高充电过程中容易发热21第21页/共61页2.4锂离子电池1）锂离子电池的结构锂离子电池正极负极隔膜板电解液安全阀锂离子电池的结构22第22页/共61页2.4锂离子电池2）锂离子电池的工作原理电池充电时，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，锂离子从负极中脱出，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。锂离子电池的工作原理23第23页/共61页2.4锂离子电池3）锂离子电池的特点优点😊工作电压高。比能量高。循环寿命长。自放电率低。无记忆性。可实现快速充电。对环境无污染。能够制造成任意形状。缺点☹成本高单体电池需要保护线路控制，成组电池需要配套管理系统。24第24页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除925第25页/共61页燃料电池有多重分类方法：3.1燃料电池的分类燃料电池能量密度极高，接近于汽油和柴油的能量密度，几乎是零污染，号称“终极电池”，代表着电动汽车未来的发展方向，也是各国重点研发的领域之一。按燃料电池的运行机理分类按电解质分类按燃料使用类型分类按燃料种类分类按工作温度分类按燃料状态分类第三节燃料电池26第26页/共61页3.2质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜电极催化剂层集流板1）质子交换膜燃料电池的基本结构质子交换膜燃料电池结构示意图27第27页/共61页阴极：3.2质子交换膜燃料电池2）质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池工作原理示意图阳极：电池总反应：28第28页/共61页3.3燃料电池系统燃料电池系统用以确保燃料电池正常工作。质子交换膜燃料电池系统燃料供应系统氧化剂系统发电系统水处理系统热管理系统电力系统控制系统29第29页/共61页3.4燃料电池特点优点😊节能、转换效率高对环境污染小，排放基本达到零污染燃料适用范围广无振动和噪声，寿命长结构简单、运行平稳适用方便缺点☹燃料种类单一要求高质量的密封价格高需要配备辅助电池系统30第30页/共61页3.5燃料电池于蓄电池的区别活性物质不在其内部，而是从外部输入。放电过程所消耗的活性物质无需通过充电来还原，只需要向电池内不断地输入燃料及氧化剂，并将电化学反应产物及时排出。燃料电池本体只决定电池的输出功率，而燃料电池能量的大小则取决于外部可输入的燃料和氧化剂。内部结构和系统的控制比较复杂，尤其是放电控制不如普通化学电池方便。31第31页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除932第32页/共61页4.1超级电容的分类超级电容器简称超级电容，又称为双电层电容器是20世纪70～80年代发展起来的一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的物理二次电源。3采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容。由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容。21按储能机理不同分类第四节超级电容33第33页/共61页4.2超级电容的结构和工作原理1）超级电容的结构电极要求内阻小、导电率高、表面积大、尽量薄电解质需要有较高的导电性和足够的电化学稳定性隔膜防止超级电容相邻两电极短路，保证接触电阻较小，尽量薄集电极选用导电性能良好的金属和石墨等34第34页/共61页4.2超级电容的结构和工作原理2）超级电容的工作原理当电压加载到两电极上时，加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。随着超级电容的放电，正、负极板上的电荷被外电路释放，电解液界面上的电荷相应的减少。双电层超级电容超级电容的充放电过程始终是物理过程，没有化学过程，因而性能较化学蓄电池稳定得多。35第35页/共61页4.3超级电容的特点优点容量超高高放电电流高充放电效率循环寿命长工作温度范围宽环保、免维护可长时间放置您的标题线性放电的特性使它无法完全放电低能量密度低电压高自放电缺点36第36页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除937第37页/共61页5.1飞轮电池的结构飞轮电池飞轮轴承电机电力电子转换器真空容器飞轮电池的基本结构第五节飞轮电池38第38页/共61页5.1飞轮电池的结构12453真空容器单击屏蔽事故并为飞轮和电机提供真空环境。飞轮在高速旋转时，周围的空气会形成强烈的涡流，造成巨大的空气阻力。因此，飞轮电池通常将电机和飞轮都密封在一个真空容器中，以减少风阻。电力电子转换器通过控制电机，实现电能和机械能之间的相互转换。输入的电能经过电力电子转换器转换后驱动电机，而输出电能也是经过电力电子转换器变换后给负载提供符合要求的电能。轴承用来支撑高速旋转的飞轮。轴承主要承受飞轮的质量，另外还有由于飞轮中心偏离引起的离心力和高速旋转的飞轮产生的陀螺效应力。飞轮单击是飞轮电池的核心器件。当飞轮以一定的角度旋转时，就具有了一定的动能。飞轮直接决定了飞轮电池存储的能量。电机是飞轮电池的核心动力部件。飞轮电池中的电机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，是一个双向电机。39第39页/共61页5.2飞轮电池的工作原理

充电时，电机作为电动机运行，由工频电网提供的电能经电力电子转换器驱动电机加速，电机带动飞轮加速储能，能量以机械形式储存在高速旋转的飞轮中。

放电时，电机作为发电机运行，高速旋转的飞轮利用其惯性作用带动电机减速运行，电机释放的电能通过电力电子转换器转换为负载所需的频率和电压，机械能转换为电能。40第40页/共61页5.3飞轮电池的特点能量密度高能量转换效率高、充电快体积小、重量轻工作温度范围宽使用寿命长维护周期长41第41页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除942第42页/共61页6.1仅有蓄电池作为动力的电动汽车结构下图为普锐斯的动力系统布置图，也是现在电动汽车所独有的以蓄电池作动力源的一种结构。蓄电池可以布置在车的四周，也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面。第六节电动汽车用动力电池复合结构形式43第43页/共61页6.2高能量蓄电池＋高功率蓄电池作为动力的电动汽车结构为了解决一种蓄电池无法同时满足比能量和比功率两个要求，可以在电动汽车上同时采用两种不同的蓄电池，一种能够提供高比能量，另一种能够提供高比功率。这种结构不仅分离了对比能量和比功率的要求，还在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回收能量。高能量蓄电池＋高功率蓄电池作为动力的电动汽车结构44第44页/共61页6.3蓄电池＋氢燃料电池作为动力的电动汽车结构燃料电池能提供高的比能量但不能回收再生制动能量，因此最好与一种能够提供高比功率且能回收制动能量的蓄电池结合在一起使用。燃料电池所需要的氢气不仅可以以压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存，还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生。蓄电池+带重整器的燃料电池作为动力的电动汽车结构45第45页/共61页6.4蓄电池＋超级电容作为动力的电动汽车结构当用蓄电池和超级电容进行混合时，因为超级电容本身比蓄电池具有更高的比功率和更好的回收制动能量的能力，蓄电池必须能够提供高比能量。由于工作时电动汽车上的超级电容相对而言电压比较低，因此需要在蓄电池和超级电容之间加上一个DC/DC变换器。蓄电池＋超级电容作为动力的电动汽车结构46第46页/共61页6.5蓄电池+飞轮电池作为动力的电动汽车结构飞轮电池是另外一种新型的具有高比功率和高效制动能量回收能力的电动汽车用动力电池。采用蓄电池+飞轮电池作为动力系统，所选用的蓄电池应该能够提供高比能量。飞轮电池最好与无刷交流电动机结合使用，还应在蓄电池和飞轮之间加上一个DC/AC变换器。蓄电池+飞轮电池作为动力的电动汽车结构47第47页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除948第48页/共61页7.1概述单体电池之间不能达到性能的完全一致，在应用中容易产生局部过热现象，电动汽车苛刻的使用条件也容易诱发电池组的局部偏差，影响电池的安全和性能。电池组在充放电时，部分单体电池可能先于其他电池完成充放电。此时，继续充放电就会造成电池过充或过放，导致电池容量下降、热失控或者内部短路等问题。蓄电池管理系统避免第七节蓄电池管理系统49第49页/共61页7.2蓄电池管理系统的结构1234主要管理电池的工作情况，避免出现过放电、过充电、过热，对出现的故障应能及时报警，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。电池组管理系统主要负责电池组组合方式、电池组分组和支架布置、通风管理系统和风扇、温度管理ECU及温度传感器、热能的管理与应用。热（温度）管理系统主要是负责平衡各电池的充电量，延长电池寿命，并对更换后的新电池进行容量平衡。主要管理动力电池组分组及连接、动力电线束、手动或自动断电器、传感器的类型、传感器电线束。电线线路管理系统电压平衡控制系统50第50页/共61页7.3蓄电池管理系统的功能对蓄电池进行测量和监控对蓄电池进行安全管理对电池箱的温度进行管理对动力电池组进行均衡管理对电池状态的故障进行诊断51第51页/共61页第二章电动汽车用动力电池概述1蓄电池2燃料电池3超级电容4飞轮电池5电动汽车用动力电池复合结构形式6蓄电池管理系统7制动能量回收系统8电动汽车用动力电池常见故障及排除952第52页/共61页8.1电动汽车制动能量回收系统的原理电动汽车的制动过程是由液压摩擦制动与电机再生制动协调作用完成的。汽车进行制动时，制动控制器根据不同的制动工况发出不同的指令，通过电机控制器控制轮毂电动机，进行再生制动。电动汽车制动能量回收系统的结构原理图第八节制动能量回收系统53第53页/共61页8.1电动