动力电池管理及维护技术

动力电池管理及维护技术电动汽车技术培训课程

适用于中职和大专学生

教学与自学两用课件

新能源汽车技术系列内容结构

项目一：

电动汽车动力电池的发展

项目二：

动力电池基础知识

项目三：

车用动力电池的特征及测试

项目四：铅酸电池

项目五：镍氢电池

项目六至九：锂离子电池、其他电池、管理系统及充电设施学习方法

理论与实践相结合：

掌握原理的同时进行实操训练

项目驱动：通过完成具体项目任务巩固所学知识

动手实践：参与电池拆装、测试、故障诊断等实训Q自主探究：针对关键问题进行资料查询与分析

团队协作：小组讨论解决复杂问题

，互相促进学习2/

119课程概述课程目标

掌握动力电池基本原理、分类及特性

理解电池管理系统(BMS)的功能与结构

熟悉各类动力电池的测试方法与维护技术

掌握电池故障诊断与安全操作规程

具备电动汽车动力电池系统维护实践能力教学对象

中职学生：基础知识较浅

，需要更多图示和实践操作指导

大专学生：

可接受更深入的理论知识

，结合实际应用

授课教师：

需要全面系统的知识

，

以及教学建议和扩展资源目录2动力电池基础知识电池工作原理、分类方法、基本参数（

电压、内

阻、容量、能量密度、功率密度、SOC、DOD）、充电方法3车用动力电池的特征及测试高能量密度、高功率密度、长循环寿命、高安全性、宽温域适应性要求、测试标准与方法1电动汽车动力电池的发展蓄电池发展简史、电动机发展、电动汽车发展历

程、动力电池技术现状及发展趋势、电动车辆类型5

.

镍氢电池基本原理与构成、正极材料特性、负极储氢合

金、电极制造工艺、性能特点、应用与维护6

.

锂离子电池基本原理、正负极材料、电解液、隔膜、结构设

计、性能特点、安全性能、应用与发展趋势4

.

铅酸电池基本原理、正负极反应机理、电极添加剂、内阻

特性、充放电特性、容量影响因素、硫酸盐化、

失效原因8

.

动力电池管理系统BMS基本功能、结构组成、SOC估算、均衡技

术、热管理、故障诊断、保护策略、通信协议9

.

动力电池充电设施充电设备类型、充电接口标准、充电策略、快速

充电技术、无线充电技术、电池更换技术7

.

其他电池与储能装置钠硫电池、锌空气电池、铝空气电池、超级电容器、燃料电池等新型储能技术的原理与应用3/

119动力电池的重要性动力电池是电动汽车的"心脏"

，其性能直接决定了电动汽车的续航里程、

加速性能和使用寿命。

蓄电池技术的每一次突破都伴随着电动汽

车的发展高潮。

从1800年伏特电池的诞生到现代锂离子电池的广泛应用

，动力电池技术已经成为推动交通领域节能减排、

低碳出行的关键

驱动力。项目概述本项目将探讨电动汽车动力电池的发展历程、

现状和趋势

，深入了解从早期铅酸电池到现代锂离子电池的技术演进

，

以及动力电池在各类电动车辆上的应用。

通过学习

，您将掌握动力电池技术的基础知识

，为后续项目学习奠定基础。项目一：

电动汽车动力电池的发展

了解蓄电池和电动机的发展历史

理解铅酸、镍氢、锂离子等主流电池的特性

了解动力电池的未来发展趋势

掌握电动汽车发展的五个历史阶段

掌握各类电池的应用现状及优缺点

认识动力电池在不同类型车辆中的应用

任务二：

动力电池技术及其发展趋势

任务三：

动力电池驱动的车辆类型

任务一：

电动汽车的发展历程

项目学习目标4/

119 未来展望新型高能动力电池不断涌现

，未来将向高比能量、

高比功率、

长寿命、低价格、

安全可靠的方向发展。

如2003年以色列Bar

Ilan大学研究出的充电镁电池

，具有高能量密度、低价格、操作安全等优点，

被认为是未来有发展前景的电池材料。5/

119.

锂离子电池的崛起(1991至今)1991年：

可充电锂离子蓄电池问世

，首个实验室锂离子电池容量仅

600mA

·

h1992年：

索尼公司开始大规模生产民用锂离子电池1995年：

索尼公司研制出100A

·

h锂离子动力电池并应用于电动汽车

早期探索(1800-1859)1800年：亚历山大

·伏特发明伏特电池1830年：威廉姆

·斯特金改进伏特电池

，延长使用寿命1836年：约翰

·丹尼尔发明丹尼尔电池

，实现长时间持续供电任务一：

电动汽车的发展历程电池技术的发展是电动汽车进步的关键驱动力。

从伏特电池的诞生到现代锂离子电池的广泛应用

，每一次电池材料体系的突破都伴随着电动汽车的发展

高潮。1899年：Waldmar

Jungner发明Ni-Cd电池1984年：

飞利浦公司成功研制LaNi储氢合金

，制备出MH-Ni电池

，推动混

合动力电动汽车产业化1859年：

普兰特

·加斯东发明可重复充电的铅酸电池20世纪初：铅酸电池技术发展带来第一次电动汽车研发和应用高潮

镍镉与镍氢电池的出现(1899-1984)

铅酸电池的诞生与发展(1859至今)伏特电池诞生斯特金的改进丹尼尔电池发明亚历山大

·伏特（Alessandro

Volta）发明了世

界上第一个实用电池——伏特电池（VoltaicPile）

。这种电池由锌和银（或铜）

圆盘交替堆

叠，中间用盐水浸透的布分隔而成

，能产生持

续电流。威廉姆

·斯特金（William

Sturgeon）对伏特

电池进行了重要改进

，主要解决了原始伏特电

池使用寿命短的问题。这一改进增加了电池的

实用性

，使其能在更多场景中应用。约翰

·丹尼尔（John

Frederic

Daniell）发明

了丹尼尔电池

，是第一种能提供长时间稳定电

流的实用电池。

它采用双电解质设计

，解决了

伏特电池中的气泡问题

，能够实现长时间持续

供电。

历史意义这一时期的电池发展为后续电池技术奠定了基础。从伏特电池到丹尼尔电池的演进

，科学家们逐步解决了电池寿命短、

电流不稳定等问题

，为19世纪中期铅酸电池的发明创造了条件

，也为电动汽车的早期发展提供了可能性。

6

/119早期探索阶段(1800-1859)这一时期是电池技术的萌芽阶段

，科学家们开始探索电能的产生原理

，为后来电池技术的发展奠定了基础。从最初的伏特电池到丹尼尔电池

，

电池的性能

和稳定性得到了显著提升。蓄电池发展简史1800年1836年1830年铅酸电池的发展历程1859年普兰特

·加斯东发明可重复充电的铅酸电池

，奠定了电化学储能技术基础19世纪末至20世纪初铅酸电池技术的改进和发展

，为电动汽车的第一次高潮提供了技术支持20世纪初铅酸电池的应用推动了第一次电动汽车研发和应用高潮20世纪中期至今铅酸电池技术持续改进

，在电动汽车和储能领域仍有重要应用

铅酸电池的诞生1859年

，法国物理学家普兰特

·

加斯东

（

PlantéGaston）发明了世界上第一种可

重复充电的铅酸电池

，这是一项划时代的发明。铅酸电池是电动汽车发展历史上的关键技术突破

，比德国人戴姆勒和本茨发明的汽

油发动机汽车还要早数十年。

铅酸电池的技术特点

可充电性首个可反复充放电的电池系统

工艺成熟技术稳定

，生产工艺完善

尽管铅酸电池存在能量密度低、循环寿命短等缺点，

但其在电动汽车早期发展中的贡献不可忽视

，至今仍

在特定领域有广泛应用。7/

119

对电动汽车的推动作用

铅酸电池技术的发展带动了20世纪初第一次电动汽车研发

和应用高潮

使得电动汽车在19世纪末至20世纪初期与蒸汽车和内燃机

汽车三分天下

1890年

，全球4200辆汽车中，

38%为电动汽车

，40%为蒸

汽车

，22%为内燃机汽车铅酸电池的诞生与发展$

成本优势材料成本低

，易于生产

高输出电流能够提供较大启动电流镍氢电池的研发1984年

，飞利浦公司成功研制LaNi储氢合金

，并制备出MH-Ni电池

（镍氢电池）。

比能量：

60~70W

·

h/kg

（高于镍镉电池）

比功率：

170W/kg

循环寿命：

1000次以上

单体电压：

1.2V

镍氢电池的技术优势.无记忆效应

，使用更方便.环保无毒

，不含有毒重金属.

能量密度高

，寿命长.具有长期过放电和过充电自我保护能力.适合大电流充放电

，适用于混合动力汽车

应用现状商业化的混合动力电动汽车（

HEV）大多数采用镍氢电池技术

，在日本

已实现产业化

，

电池寿命可达10年。

目前仍在混合动力电动汽车上广泛

应用。8/

119镍镉电池的发明1899年

，瑞典科学家Waldmar

Jungner发明了镍镉（

Ni-Cd）电池，

这是第一种实用的可充电碱性电池。

提供了比铅酸电池更高的能量密度

具有较长的使用寿命和良好的循环性能

含有有毒的镉元素

，存在环境污染问题对混合动力汽车的影响镍氢电池的发展对混合动力电动汽车产业化产生了深远影响。

成为早期混合动力汽车电池系统的首选

推动混合动力电动汽车产业化进程

提高车辆能效

，降低排放

，促进环保

日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造HEV镍镉与镍氢电池的出现1899

1984

现在1991年：

实验室诞生可充电锂离子蓄电池问世

，实验室制成的第一只型锂离子电池容量仅为600mA

·

h

，标志着锂

电池技术的开端。1992年：

产业化开始索尼公司开始大规模生产民用锂离子电池

，将实验室技术推向市场

，开启了锂电池的商业化时

代。1995年：

电动汽车应用日本索尼公司研制出100A

·

h锂离子动力电池并在电动汽车上应用

，展示其优越性能

，奠定了

锂电池在电动汽车领域的地位。2000年代：

技术突破美国A123公司研制的锂离子动力电池

，容量2.3A

·

h

，循环寿命长达1000次以上

，可大电流放

电

，安全可靠

，标志着锂电池技术的重大突破。2010年代至今：

规模化应用锂离子电池技术迅速发展

，安全性大幅提高

，逐步应用于纯电动车和混合动力车

，成为镍氢电

池的强劲竞争者。

已形成以钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂为主的应用体系。 技术案例美国Valence公司研制的U-charge磷酸铁锂电池：

可在-20℃~60℃宽温度范围放电及储存

质量比铅酸电池轻36%

运行时间是铅酸电池2倍

循环寿命是铅酸电池的6-7倍9/

119

电动汽车应用

磷酸铁锂电池：

安全性好

，价格相对便宜

，小型电动汽车

首选

钴酸锂电池：

能量密度约150W

·

h/kg

，适合大型纯电动

车回

锰酸锂电池：在大型纯电动车应用方面具优势

锂离子电池优势

容量高、

比能量高（

150W

·

h/kg左右）

循环寿命长（

1000次以上）

无记忆效应

自放电率低锂离子电池的崛起锂离子电池发展历程其他新兴电池技术

固态电池：使用固体电解质

，安全性更高

，能量密度潜力

大

金属空气电池：利用金属与空气反应

，理论能量密度极高

石墨烯增强电池：提高传统电池的导电性和性能

双离子电池：

正负离子同时参与电化学反应

，提高能量密度高比能量追求更高的单位质量能量存储能力

，提高电动汽车续航里

程高比功率提高单位质量功率输出能力

，改善电动汽车加速性能长循环寿命延长电池使用寿命

，降低电池更换频率和总体使用成本安全可靠提高电池安全性和稳定性

，减少安全事故风险低成本降低电池生产成本

，促进电动汽车大规模普及未来电池技术展望钠硫电池高温工作型电池

，能量密度高

，单体额定电压2.0V。在电动汽车

上有应用但使用受限

，主要用于大型储能系统。锌空气电池利用空气中的氧气作为活性物质

，能量密度高

，但充电性能受限。在电动汽车领域有应用但尚

未成为主流。充电镁电池2003年以色列Bar

Ilan大学研发

，具有高能量密度、低价格、

操作安全等优点，被认为是未来

有发展前景的电池材料。

未来发展趋势 新型电池技术$10/

119早期探索与突破(1740-1834)1740年

苏格兰僧侣安德鲁

·戈登创建简单的静电设备

，这是最早

的电力装置之一。1821年

英国人迈克尔

·法拉第发明电动机实验室模型

，这是电动

机概念的首次实验验证。1827年

匈牙利物理学家安幼思

·杰德利克用电磁线圈进行实验

，

其装置已包含定子、转子和换向器等现代电动机的基本元素。1831年

美国人约瑟夫

·亨利改进法拉第电动机

，提高输出功率

，

使电动机向实用化迈进。1834年

德国人莫里茨

·赫尔曼

·雅可比制成第一个电动机样机

，

这是向实用电动机迈出的重要一步。实用化与商业化(1835-1902)1835年

美国铁匠汤马斯

·达文波特制作出世界上第一台能驱动小

电车的应用电动机

，开创了电动交通工具的先河。1838年

世界上第一台实用直流电动机制造成功并试航

，标志着电

动机开始进入实际应用阶段。1870年代初

比利时电机工程师Zenobe-Theo-philcGamme发明世

界上最早可商品化的电动机

，推动了电动机的产业化进程。1888年

美国发明家尼古拉

·特斯拉发明交流电动机

，这一突破为

电动机的广泛应用奠定了基础。1902年

瑞典工程师丹尼尔森发明同步电动机

，进一步丰富了电动

机的种类

，拓展了应用领域。电动机的发展为电动汽车的诞生提供了技术基础

，使电能转化为机械能成为可能。

电动机的每一次技术突破

，都直接推动了电动交通工具的进步。11/

119电动机的发明使电驱动车辆成为可能

，为电动汽车的发展提供了技术条件。

从最早的静电设备到现代电动机

，这一技术经历了近两个世纪的演进与完善。电动机发展简史电动汽车的发明(1839-1891)

思考：

电动汽车的发明比内燃机汽车早了数十年

，为什么当时未能成为主流？速度突破定了电动汽车发展的基础14.5km/h电池应用安德森与戴文波特合作

制作电动汽车

，采用不可充电的玻璃封装蓄电

池续航里程提升威廉姆

·莫瑞逊在美国制造了一辆能行驶13h、车速为14mile/h的电动汽车1891年四轮电动车美国人亨利

·莫瑞斯制成了第一辆电动四轮车

，标志着电动汽车发展的重要里程碑跨越了19世纪中后期结合。1839年第一辆电动车苏格兰的罗伯特

·安德森将四轮马车改造为世

界上第一辆靠电力驱动

的车辆电动三轮车法国人古斯塔夫

·特鲁

夫展出电动三轮车

，速

度达12km/h双人电动车美国人摩西

·法莫制造了第一辆以蓄电池为动

力、可乘坐两人的电动

汽车汽油发动机汽车早了数●威廉姆

·爱德

·阿顿和

约翰

·培理制成电动三

轮车

，速度达1842年1882年1847年1881年1890年12/

1191881-1882年古斯塔夫

·特鲁夫展出电动三轮车

，速度达12km/h。威廉姆

·爱德

·

阿顿和约翰

·培理制成电动

三轮车

，速度达14.5km/h。1890-1891年威廉姆

·莫瑞逊在美国制造能行驶13小时、

车速为14mile/h的电动汽车。

亨利

·莫瑞斯制成第一

辆电动四轮车。1895年Electrobat

Ⅱ安装两台驱动电机

，能以20mile/h的速度行驶25mile。1897年美国费城电车公司研究制造的纽约电动出租车实现商业化运营

，标志着电动汽车商业应用的开始。1899年卡米勒

·杰纳茨驾驶44kW双电动机电动汽车

，创造了速度为68mile/h（超过100km/h）

的纪

录

，续航里程约290km。贝克汽车公司成立

，生产电动赛车车速超120km/h

，并首次安装安全带。1900年BGS公司生产的电动汽车创造单次充电行驶180mile的最长里程纪录。电动汽车的发展(1881-1900)安全创新1899年贝克汽车公司首次为电动车安装安全带13/

1191899年子弹形电动汽车及其复制品电动汽车技术突破商业化应用1897年开始运营电动出租车

，开启商业应用续航里程最长可达290km

，单次充电行驶180英里速度提升从12km/h提升至超过100km/h19世纪末电动汽车技术里程碑 市场份额数据1890年全球汽车类型分布22%内燃机汽车 繁荣时期概述19世纪末期到1920年是电动车发展的高峰期

，

电动汽车在全球汽车市场中占据了重要地位。这

一时期电动汽车技术快速发展

，商业应用广泛

，尤其在美国市场表现突出。

关键特点：

技术成熟、

商业化应用广泛、

多国市场并行发展

主要成就

电动汽车成为当时三大动力系统（电力

、蒸汽、

内燃机）之一

电动出租车服务在多个国际大都市成功运营

产业链基本形成

，包括研发、制造、销售和服务体系

为后续电动汽车技术发展积累了宝贵经验

繁荣期特点分析

电动汽车与燃油车相比具有操作简便、

噪音小、无废气

排放等优势

城市电网基础设施逐步完善

，为电动汽车使用提供条件

短途城市交通需求增长

，适合电动汽车的应用场景

技术创新推动电池性能和续航能力提升14/

119电动汽车的繁荣(1890-1920)1911年：

电动出租汽车在巴黎和伦敦投入运营

，开创了电动汽车商业化的新模式1912年：美国登记电动汽车数量达到3.4万辆

，产销量达到历史最高点美国领先地位：美国率先实现电动车商业运营

，成为发展最快、应用最广的国家 商业运营情况38%电动汽车40%蒸汽车电动汽车与内燃机汽车对比15/

11920世纪初电动汽车市场份额达到高峰1908年福特T型车大批量生产1911年查尔斯

·科特林发明内燃机自动起动技术1913年福特建立内燃机汽车装配流水线20世纪20年代电动汽车几乎消失●

石油发现与价格下跌

美国得克萨斯州发现大量石油

汽油价格显著下跌

降低了汽油车的使用成本.

性能劣势

汽油质量能量密度是电池的100倍

，体积能量

密度是电池的40倍

燃油汽车续航里程是电动汽车的2-3倍

电动汽车充电时间长

，续航里程短成为致命因

素●

内燃机技术进步

1911年

，查尔斯

·科特林发明内燃机自动起动

技术

1908年

，福特T型车大批量生产

，成本大幅下

降

1913年

，福特建立装配流水线

，提高生产效率.

其他因素

交通系统改善

，对长距离运输车辆需求增加

电池技术多年无大进步

，

电动汽车车速低、加

速度小

使用区域受限

，

电力供应网络和建设维护费用

偏高电动汽车的衰退(1920-1960)衰退结果到20世纪20年代

，

电动汽车市场份额急剧下滑

，

几乎从商业市场中消失。

内燃机汽车成为主流交

通工具

，

电动汽车技术发展陷入停滞。

全球发展(2000至今)

2009年

，奥巴马政府转向混合动力车商业化、燃料电池车为远期目标的电动汽

车发展战略

美国在混合动力汽车、燃料电池汽车等关键技术领域获得授权专利数量占全球

22%

欧洲电动汽车产业快速发展

，2014年底欧盟各国电动汽车保有量大幅增长

欧洲汽车企业推出插电式混合动力和纯电动汽车品牌（如雷诺ZOE、宝马

i3/i8、

大众高尔夫TwinDrive）

特斯拉推出Model

S等纯电动豪华轿车

，反响巨大

中国科技部自"九五"开始支持电动汽车研发和产业化

，推出"十城千辆"和"私人

购买新能源汽车"计划

2016年，中国新能源汽车产销超50万辆

，连续两年位居全球第一

政策推动(1976-1989)

1976年

，美国国会通过《纯电动汽车和混合动力电动汽车的研究开发和样车试

用法令》

，拨款1.6亿美元资助电动汽车开发

1977年

，第一次国际电动汽车会议在美国举行

，展出100多辆电动汽车

1978年

，美国通过《第95-238公法》

，增加研发拨款

，责成能源部、

电力研究

所、

国家阿岗实验室与电池公司合作研制高性能蓄电池

1988年

，洛杉矶市议会提出年产1万辆电动汽车计划

1989年

，加利福尼亚州空气资源委员会（CARB）要求到90年代

，2%的车辆符

合零排放标准

技术联盟(1991-2000)

1991年

，美国通用、福特、克莱斯勒成立先进电池联合体（

USABC）

，研究

开发高能电池

，投资2.26亿美元

1991年

，美国电力研究院（

ERPI）加入USABC

，开发镍氢、钠硫、锂聚合物

和锂离子等高能电池

美国通用汽车公司建成EV-1电动轿车总装线

经过13年探索

，蓄电池技术未能关键性突破

，汽车厂商转向燃料电池车研究

复苏起因(1960-1975)

二战后欧洲和日本石油供给紧张

，

电动汽车在局部地区复苏

20世纪60年代

，

内燃机汽车导致严重空气污染和对石油的过分依赖

，促使电动

汽车重新受到重视

70年代初

，世界石油危机对经济产生重大影响

，

电动汽车因环保和摆脱石油依

赖的特性再次受关注电动汽车的复苏(1960至今)16/

119.

美国发展2009年：奥巴马政府调整战略

，转向混合

动力车商业化

，将燃料电池车作为远期目标在混合动力汽车、燃料电池汽车等关键技术

领域获得授权专利数量占全球22%特斯拉推出Model

S等纯电动豪华轿车

，反

响巨大

欧洲发展欧洲电动汽车产业快速发展

，2014年底欧

盟各国电动汽车保有量大幅增长欧洲汽车企业推出插电式混合动力和纯电动

汽车品牌代表性车型：

雷诺ZOE、

宝马i3/i8、大众高

尔夫TwinDrive.

中国发展科技部自"九五"开始支持电动汽车研发和产

业化推出"十城千辆"和"私人购买新能源汽

车"计划2016年，中国新能源汽车产销超50万辆

，

连续两年位居全球第一21世纪电动汽车发展的主要特点

环保与节能减排成为推动力回

电池技术突破是关键因素

市场规模快速扩大iu

政府政策大力支持

智能化与电动化深度融合

产业链逐步完善21世纪电动汽车的发展17/

119 国内外动力电池技术现状发展历程从19世纪末至今

，

电动汽车电池技术经历了铅酸电池、镍氢电池到锂

离子电池的演变

，每一代技术都带来性能的显著提升。主流技术目前商业化使用的电动汽车电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子

电池

，各有优缺点和适用场景。技术突破近年来

，锂离子电池技术取得重大突破

，如美国A123公司研制的锂离子

动力电池

，容量2.3A

·

h

，循环寿命长达1000次以上

，可大电流放电，安全可靠。 动力电池发展趋势多元化发展电动汽车产品开发理念从单纯追求性能转向提高整车性价比

，综合考虑动力

性、续航里程和成本。不同类型动力电池将共同占有市场。性能提升日本预计到2030年

，

电池性能将提高7倍

，成本降为当前的1/40。德国预测2015年电池系统能量密度达200W

·

h/kg

，博世公司预测2020年达

350W

·

h/kg。技术路线锂离子电池随着材料研究发展

，在能量密度、功率密度、

安全性、

可靠性、

循环寿命、成本等方面将取得突破性进展

，成为近期最有发展前途的动力电池。应用前景铅酸电池适合低速、低成本电动车辆；镍氢电池在混合动力车上持续应用；

锂离子电池将主导纯电动车市场；燃料电池技术将作为长期发展方向。任务概述本任务将探讨国内外动力电池技术现状及未来发展趋势

，为深入了解各类动力电池奠定基础。

电动汽车上的储能技术主要是电化学储能技术

，包括铅酸、镍氢、镍镉、

锂离子、钠硫等电池。我们将分析各类电池的基本特性、应用现状和发展方向。任务二：

动力电池技术及其发展趋势本任务将包含以下内容：

车用电池的发展历程回镍氢电池应用现状

铅酸电池应用现状

动力电池的发展趋势与性能预测田主流电池类型及基本特性

锂离子电池应用现状18/

119三代电动汽车电池技术对比电池类型

应用时期主要优势主要劣势代表车型铅酸电池第一代(1990年代)技术成熟

，成本低比能量低

，续航短通用EV1(1996)镍氢电池第二代(1999-2006)比铅酸电池续航提高1.5倍成本高

，低温性能差第二代EV1

，丰田Prius车用电池的发展历程从19世纪末到现在

，车用电池技术经历了从简单到复杂、

从低能量密度到高能量密度的演变过程

，推动着电动汽车技术的不断进步。锂离子电池第三代(2006至今)高能量密度

，无记忆效应初期安全性挑战

，成本较高特斯拉ModelS

，各类PHEV19/

1191996年：通用汽车推出EV1

，采用铅酸电池1999年：

第二代EV1采用镍氢电池续航里程提高1.5倍

，但仍缺乏竞争力

日本丰田利用镍氢电池技术制造HEV镍氢电池成为研究和应用热点2006年：锂离子电池技术迅速发展锂电池安全性大幅提高

，应用范围扩大2007年：

PHEV电池能量可来自电网2008年金融危机后

，

电池产业加速发展商业化主流：铅酸、镍氢和锂离子电池

电池技术不成熟

，

电动汽车发展缓慢

铅酸电池为主要电源

，能量密度低

电动汽车难以与传统燃油车竞争

续航里程短

，充电时间长现代电动汽车初期1990年代至2000年代初现代电池技术快速发展期2006年至今早期探索阶段19世纪末至20世纪初电池类型比能量(W

·

h/kg)比功率(W/kg)循环寿命(次)单体电压(V)优点缺点

铅酸电池

35130400~6002.105

镍镉电池

55170500以上1.2回

镍氢电池60~701701000以上1.2

钠硫电池1001503502.0v

比能量高×

高温工作稳定回

锂离子电池

1203001000以上3.7各类电池比功率对比(W/kg)20/119各类电池比能量对比(W·

h/kg)主流电池类型及基本特性

比能量较高

寿命长

耐过充放性好

镉有毒

价高

高温充电性差

比能量高

寿命长

无记忆效应

价高

存在一定安全性问题

技术成熟

廉价

可靠性高

价高

高温充电性差

比能量低

耐过充放性差

比能量高

寿命长

电动自行车铅酸电池电动自行车用阀控式铅酸蓄电池示例比能量对比/

119 应用场景

短距离电动汽车（如观光车、

电动叉车）

短距离公交车

电动自行车、低速电动车I

优点

内阻小

，可输出大电流

价格低廉

，作为动力电池最大优势

单格电池电压较高（达2.0V）

适用性宽

，可逆性较好

电能效率高

，可达60%

易于浮充使用

，无记忆效应

温度适应性强（-40~+60℃)

可制成密封结构

，实现免维护 局限性

比能量及能量密度较低

在电动汽车上使用占质量和体积大

使用寿命短

，成本较高

充电时间较长

非密封式维护麻烦

充放电时析出酸雾腐蚀设备

酸雾对环境造成污染铅酸电池应用现状质量比能量30~50W

·

h/kg比功率90~200W/kg单体电压2.105

V体积比能量60~75W

·

h/L循环次数500~800次单体容量150A

·

h铅酸电池性能指标21镍氢电池结构镍氢电池圆柱形(a)和方形(b)结构示意图主要应用领域

低速电动车在低速电动车领域应用广泛

，成本与性能平衡较好

工业与储能因其稳定性和安全性

，在特定工业应用中有一定市场技术限制：镍氢电池SOC必须限制在较小范围内

，如丰田Prius仅使用约20%能量

，避免

过放电造成永久性损伤22/119性能特点成熟度高：

自1988年进入实用化阶段

，1990年在日本开始规模化生产

，

已

成为非常成熟的产品功率密度：相对铅酸电池提高约10倍

，体积比能量提高3倍

，适合大电流

放电需求循环寿命：

可达500～1500次

，寿命可达10年

，使用成本相对较低安全性能：具有长期过放电和过充电自我保护能力

，安全可靠性高温度特性：低温时容量减小

，高温时充电耐受性受限

，需要温度管理市场地位混合动力汽车市场的主导者商业化的HEV大多数采用镍氢电池技术

，在日本已产业化

，成为市场标准

成本相对锂电池低

，但原材料

（如金属镍）

价格仍较高

在混合动力汽车领域占据主导地位

，但在纯电动车领域逐渐被锂电池替代

稳定性和安全性是其在特定领域持续应用的主要优势镍氢电池应用现状

混合动力公交车单体容量约90A

·

h

，单体质量2.2kg

，单

体电压1.2V

混合动力汽车丰田普锐斯等主流混合动力车型大量应

用

，成为行业标准

电动车应用应用领域：

磷酸铁锂电池：小型电动汽车和插电式混合动力

车的首选

，价格相对便宜

，热稳定性和安全性较

好

钴酸锂电池：在大型纯电动车应用方面具有优势

锰酸锂电池：在大型纯电动车应用方面具有优势注：现有锂电池能量密度有限，导致电动车比同配置燃油

车重很多 结构类型传统结构：

石墨阳极.锂离子金属氧化物阴极

有机溶剂溶解的锂盐电解液常见类型：

碳为阳极.碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂为电解液

二氧化锰酸锂为阴极

当前挑战

能量密度仍有限

，影响车辆整备

质量

成本较高

，导致电动汽车造价高

存在一定安全隐患

，需进一步提

高安全性

续航里程增加成本高（增加

100km需6万元成本）

磷酸铁锂电池比能量、

比功率及

运行电压相对较低

23

/

119 技术优势

相对较高的工作电压和较大的比

能量

体积小

，质量轻

，循环寿命长

自放电率低

，无记忆效应

无污染

，符合环保要求

全球研发热潮

，技术进步快锂离子电池应用现状高能量密度是镍氢电池的3倍循环寿命长1000次以上无记忆效应可随时充电高工作电压

单体电压3.7V体积小质量轻

体积能量密度高自放电率低

存储性能好 性能特点.

电池性能提升预测

日本《下一代车辆燃料行动计划》

预测

，2015年先进型电

池性能为当前1.5倍

，成本降至1/7；

2030年电池性能提高

7倍

，成本降至1/40。

博世公司预测

，2016年电池能量密度可达250W

·

h/kg

，

2020年达350W

·

h/kg。24/119.

各类电池技术改进路线

铅酸电池：技术成熟

，初期采购成本低

，短期内仍广泛使用于低速、低成本电动车

辆。但铅及其化合物有毒

，性能提升空间有限

，长期将被新型电池取代。

镍氢电池：功率密度高、技术成熟

，在日本已产业化

，寿命可达10年

，在混合动力

电动汽车上普遍采用

，将持续稳定应用。

锂离子电池：

随着材料（磷酸铁锂、钛酸锂等）

研究发展

，循环寿命提高

，成本降

低

，在能量密度、功率密度、

安全性、

可靠性等方面取得突破性进展

，成为近期最有

发展前途的动力电池。.

市场应用前景

多元化发展：纯电动汽车产品开发理念从单纯追求性能转向提高整车性价比

，综合考

虑动力性、续航里程和成本。

市场细分：不同类型动力电池性能、价格差异大

，能适应不同消费层次和需求。铅酸

电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池在未来一段时间内仍将共同占有市场。

应用拓展：若动力电池能量密度出现质的飞跃

，

电动汽车续航里程将不再是瓶颈问

题

，市场应用前景更加广阔。动力电池的发展趋势国际电池发展预测德国国家电动汽车发展计划(2009)至2015年

，

电池系统普遍能量密度达200W

·

h/kg，是当前锂离子

电池的2倍博世(Bosch)公司预测

2016年电池能量密度可达250W

·

h/kg

2020年能量密度达350W

·

h/kg.

发展意义与前景展望

若动力电池能量密度出现质的飞跃

，

电动汽车续航里程将不再

是瓶颈问题

革新型电池成本降至当前1/40

，将大幅降低电动汽车制造成本

高能量密度、低成本电池是电动汽车大规模普及的关键技术支

撑

动力电池技术进步将推动电动汽车从"替代品"

向"优选品"转变电池性能提升预测改良型电池2010年1.5倍1/2先进型电池2015年7倍1/7发展阶段时间节点性能提升成本降低.

日本《下一代车辆燃料行动计划》预测当前现状

基准线1125/119革新型电池2030年1/40-

应用趋势随着电池技术进步

，动力电池应用范围不断扩大

，各类型电动车辆市场份额逐年增长。不同应用场景的差异化需求

，促进了电池技术多元化发展

，铅酸、镍氢、锂离

子等不同技术路线共存互补。26/119娱乐及运动场地车辆高尔夫球车及旅游景点用车等

，主要采用铅酸电

池

，

电池系统电压通常为48V或72V

，容量约200A

·

h

，无污染、低噪声特点适合休闲环境。残疾人或医疗服务用车电动轮椅、代步车及医疗机构内部运输车辆

，起步平缓、低噪声特点便于行动不便者使用

，提供

医疗服务支持。厂内车辆电动叉车等厂内运输设备早在1910年前后已开始

应用

，1922年出现电动举升式叉车。现阶段主要

应用铅酸电池

，在封闭环境中工作无噪声、无废气排放。任务三：

动力电池驱动的车辆类型电动滑板车、摩托车和自行车19世纪80年代即有研究

，2000年前后中国电动自行车产业蓬勃发展

，2007年达2130万辆

，成为便

捷、快速、无污染的交通工具。电动汽车节能环保需求推动发展

，多国制定推广计划。

中国自"九五"开始支持研发和产业化

，2016年产销

超50万辆

，连续两年位居全球第一。机场地面保障车辆20世纪80年代初开始扩大应用

，包括客舱服务车辆、货物行李装运设备和维护补给调度车辆

，如

客梯车、摆渡车、行李牵引车等。动力电池应用广泛

，从工业场景到个人出行

，涵盖了多种车辆类型。不同应用场景对电池性能要求各异

，推动了电池技术的多元化发展。.

电池应用

现阶段主要应用铅酸电池

，锂离子电池应用不广泛

电池系统电压一般为48V或72V

，容量约200A

·

h

需要充电设备

，初期投资高

，充电时间较长（一般7～8h

，快速充电2～3h）

一次充电后连续工作时间短

，

限制了长时间连续工作 市场份额国外市场（欧美发达国家）电动叉车产量占叉车总量40%以上，日本超1/3,中国占20%，市场需求逐年上升。国外市场（

欧美发达国家）电动叉车产量占叉车总产量40%以上，日本超1/3。中国占20%左右

，市场需求逐年上升。

27

/

119

特殊工况应用优势

易燃品仓库：

安全性高

，无火花产生风险Y4食品行业：无污染物排放

，保证食品安全gs

制药行业：洁净度高

，符合GMP标准

微电子及仪器仪表：无振动

，不影响精密设备

冷冻仓库：低温环境下稳定性好.

厂内车辆概述电动车辆在厂区或生产现场的产品或材料运输中应用历史悠久

，早在1910年前后

就应用于货物运输

，1922年出现电动举升式叉车。主要包括电动叉车（三支点和四支点平衡重式叉车、

前移式叉车、拣选车、

三向

堆垛车和托盘搬运车等）

、

电动拖车和移动式升降平台等。

使用优势

运转平稳、检修容易、操纵简单、

营运费用低

在封闭环境中作业无噪声、不排废气

，保证良好工作环境厂内车辆

动力部分

工作部分.

结构组成

底盘

电气设备环保与操作优势

无污染：无尾气排放

，保护自然环境和景区空气质量

低噪声：

电机运行安静

，不影响场地内活动氛围

协助功能：

帮助残疾人及老年人参与娱乐和运动活动

保护场地：减少对草坪等场地的损害和污染

操作简便：起步平缓

，控制灵活

，适合非专业人员驾驶市场应用与需求

高尔夫球场：加速娱乐和运动进程

，提高场地利用率

旅游景点：

随着生态旅游兴起

，

电动观光车需求持续增长

大型度假村：提供内部交通连接

，提升客户体验

大型园区与校园：提供环保便捷的短途交通解决方案

全球市场：

随着环保意识增强

，市场需求稳步上升28/119娱乐及运动场地车辆主要车辆类型

高尔夫球车：用于运送设备、服务球员

，提高高尔夫运动效率

电动旅游景点用车：适用于景区游览

，提供环保出行方式

度假村内部交通车：连接度假区各功能区域的短途交通工具

运动场地服务车：用于体育场馆内部设备运输和人员接送电池应用规格

主要采用铅酸电池为动力源

电池系统电压一般为48V或72V

电池容量约200A

·

h

单次充电可行驶30-50公里

，满足场地内使用需求

●

充电时间通常为6-8小时

，可在夜间完成充电主要车辆类型医疗服务车辆包括重症监护车、药品运输车等核心优势

低噪声电动驱动系统运行时噪声极低

，非常适合医院等需要安静环境的场所

，避免对

患者休息和治疗环境造成干扰

，同时提升使用体验。29/119特殊用途电动车辆简介残疾人或医疗服务用电动车辆是电动车辆应用的重要领域

，主要为行动不便者提供出行便利

，

以及为医疗机构提供专业服务支持。这类车辆对电池的稳定

性、

安全性和静音性能有较高要求

，同时需要平稳的启动性能。残疾人或医疗服务用车

起步平缓电动车辆启动时转矩输出平稳

，避免剧烈加速对乘坐者（特别是病患）

造成不

适

，提供舒适的乘坐体验

，适合医疗和辅助出行场景使用。

对安全性要求高

，避免对患者造成风险

对电池续航里程要求适中

电池体积小

，便于车辆轻量化设计

电池容量适中，

满足日常使用需求

充电便捷性强

，适合医院等场所使用

维护简便

，适合非专业人员操作电动代步车适合老年人及轻度行动障碍人士电动轮椅为行动不便者提供日常出行工具电池应用特点 电动地面保障车辆优势

零排放

，符合机场环保要求

低噪声

，改善机场工作环境

运行稳定

，适合机场精准作业

维护简便

，运营成本低

可在封闭环境中作业

，安全性高30/119机场地面保障车辆

20世纪80年代初

，机场开始扩大电动车辆在货物运输及人员输送方面的应用。

电动车辆因其低噪声、

零排放的特点，

成为机场地面保障的理想选

择。w

加油车w

润滑油加注车

w

机身清洗车w

无杆式飞机牵引车

客梯车

空调车

w

上水车

垃圾清理车

摆渡车

食品车

厕所清洁车w

管线加油车w

除冰车

w

牵引车w

货物升降平台车

行李牵引车

维护、补给和调度货物和行李装运客舱服务车辆 优势与现状主要优势：

经济实惠叫x

低噪音运行当前发展：

电动自行车和电动轻型摩托车已成为便捷、快速、无污染、无噪声的交通工

具

电池技术不断进步

，从铅酸电池逐步向锂电池过渡

，提升了续航能力

各国政策支持和市场需求推动

，

电动两轮车市场持续扩大

中国已成为全球最大的电动两轮车生产国和消费市场31

/

119

零排放环保

适合城市通勤早期发展历程19世纪80年代：英国人艾尔顿、佩里和法国人特鲁韦研究成功电动三轮车

，

是铅酸电池在私人道路车辆上的首次应用。20世纪70年代：

Solo

Klcirl

motoren

C

mbH公司生产上万辆以两块50A

·

h汽

车用铅酸电池为动力的电动滑板车。20世纪80年代：澳大利亚邮递公司将电动滑板车应用于邮件传递。1983年：英国法律规定14岁以上可使用电动自行车

，无需驾照、

公路税或保险费。 中国电动自行车市场发展2000年前后，中国电动自行车产业蓬勃发展2007年

2130万辆随着技术进步和环保意识提高

，

电动自行车已成为城市交通的重要组成部分

，具

有便捷、快速、无污染、无噪声等优势

，特别适合短距离出行需求。电动滑板车、

摩托车和自行车电动自行车（左）和电动轻型摩托车（右）示例.

全球发展趋势

特斯拉推出Model

S等纯电动豪华轿车

，

反响巨大

美国在混合动力汽车、燃料电池汽车等

关键技术领域获得授权专利数量占全球22%

2014年底欧盟各国电动汽车保有量大幅

增长

全球节能减排压力推动汽车产业进入能源

转型期

电动汽车被视为解决环境污染和能源依赖

的重要途径.

以色列

制定10年内推广100万辆电动汽车计划

注重电池技术创新和基础设施建设

积极推动充电网络布局.

中国

自"九五"开始支持电动汽车研发和产业

化

"十一五"期间推出"十城千辆"和"私人购

买新能源汽车"计划

示范运营城市：北京、天津、武汉、威

海、杭州、株洲等6个城市

累计投入运营车辆186辆

，运营里程290

余万公里

，运送乘客430余万人

2016年，新能源汽车产销超50万辆

，连

续两年位居全球第一.

德国

德国政府预计到2020年，新能源汽车将

超过100万辆

欧洲汽车企业推出插电式混合动力和纯

电动汽车品牌

代表车型：

雷诺ZOE、宝马i3/i8、

大众

高尔夫TwinDrive.

日本

主要汽车公司（丰田、本田、

日产、

三

菱）

涉足电动汽车领域

丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造混

合动力汽车

在《下一代车辆燃料行动计划》

中对电

动汽车用动力电池性能提出发展预期电动汽车32/119.

动力电池发展关键节点1800亚历山大

·伏特发明伏特电池

，开启电池技术发展历程.1859普兰特

·加斯东发明可重复充电的铅酸电池

，推动20世纪初第一次电动汽车高潮1984飞利浦公司成功研制镍氢电池

，推动混合动力电动汽车产业化.1991

可充电锂离子蓄电池问世

，1995年日本索尼公司研制出100A

·

h锂离子动力电池并应用于电动汽车2016中国新能源汽车产销超50万辆

，连续两年位居全球第一

..

动力电池发展趋势

高比能量：预计2030年电池能量密度提高至当前7倍

高比功率：满足电动汽车加速和爬坡能力要求

长循环寿命：锂离子电池循环寿命可达1000次以上

低成本：2030年电池成本降至当前的1/40

高安全性：

多元化发展

，兼顾性能与安全.

思考与讨论电池技术的哪些突破性创新对电动汽车发展起到了关键推动作用？如何理解电池能量密度、成本与电动汽车普及之间的关系？未来10年

，动力电池技术可能会出现哪些重大突破？动力电池技术进步将如何改变未来交通出行方式和能源结构？中国在动力电池领域的优势与挑战是什么？

如何保持竞争力？33/119项目一总结与思考任务二：

电池的基本参数

掌握电池电压、

内阻、容量等关键参数

理解能量密度与功率密度的概念

掌握SOC、

DOD等电池状态参数

了解电池寿命、成本及不一致性问题任务一：

电池的工作原理及分类

理解动力电池系统的组成层次结构

掌握电池能量转换的基本原理

了解电池的基本构成要素

熟悉电池的多种分类方法任务三：

电池典型充电方法

掌握电池充电的基本规律

了解恒流充电、恒压充电等基本方法

掌握脉冲充电、分段充电等先进方法

理解智能充电技术的应用项目概述本项目将介绍动力电池的系统组成、

原理结构、

基本参数及充电方法等基础知识

，帮助学习者构建动力电池技术的知识体系

，为后续深入学习和应

用打下基础。项目二：

动力电池基础知识

掌握动力电池基础知识是理解电池管理系统和电池维护技术的前提

，也是电动汽车技术人员的必备专业素养。34/119

电池工作原理能量转换电池是一种将化学反应所释放的能量直接转换成直流电能的装置。

电池将化学能转化为电能的过程基于氧化还原反应

，反应双方通过外电路传递电子。以丹尼尔电池为例

，基本反应过程：→

Cu

+

Zn2+正极（还原）：Cu2+

+

2e-

→

Cu

电池分类方法按正负极材料锌系列电池（锌锰、锌银）

镍系列电池（镍镉、镍氢）

铅系列电池（铅酸）锂系列电池（锂离子、锂聚合物）

二氧化锰系列电池（锌锰、碱锰）空气系列电池（锌空气、铅空气）35/119 任务目标了解电池的基本工作原理及分类方法

，为理解各类电池的特性和应用奠定基础。任务一：

电池的工作原理及分类实现条件

氧化反应（负极）和还原反应（正极）在不同区域进行

电极必须是离子导电性物质

电子传递必须经过外电路按工作性质和储存方式一次电池

（不可充电）二次电池（可充电）燃料电池（连续加入活性材料）

储备电池（使用时才加电解液）按电解液种类碱性电池（氢氧化钾溶液）

酸性电池（硫酸溶液）中性电池（盐溶液）有机电解液电池（有机溶液）Zn

+

Cu2+负极（氧化）

：

Zn

→

Zn2+

+

2e-电池包（

battery

pack）也常被称为电池组

，

由多块电池通过串联或并联构成的存储电能或对外输出电能的部件不包含完整电池管理功能的电池组称为电池模块

（module）动力电池系统组成电池（

battery）由一个以上的电池单体并联或串联而成

，封装在一个物理上独立的电池壳体内

具有独立的正极和负极输出例如：

12V启动电池由6片2V铅酸电池单体串联组成电池系统（

battery

system）由一个以上电池包通过串联或并联构成的具备完善电池管理系统的电能供给系统

具备完整的电能管理功能整车动力系统的核心部件电池单体（cell）直接将化学能转换为电能的基本装置和基本单元

构成电池的基本元件动力电池系统由小到大分为四个层级

，各层级之间存在明确的组成关系

通常包括动力电池管理系统、

电池箱等元器件

包括电极、

隔膜、

电解质和外壳等36/119电池能量转换的基本条件

外电路传输化学变化过程中电子的传递必须经过外电路

，形成

可利用的电流37/119丹尼尔电池化学反应Zn+Cu2+

⟶Cu+

Zn2+

(ΔG=-212kJ/mol

，25℃标准条件下)在金属冶炼中，

上述反应的化学能以热能形式消耗

，不可利用。

而在电池中，

通过电化学反应的分步进行

，可将化学能转化为电能。电池的能量转换基本原理丹尼尔电池工作原理

铜和锌处于两个独立的元件中

反应（2-2）和（2-3）

必须在两个不同位置（电极）发生

只有在有电流连接两个电极的情况下反应才能继续进行

电子的流动被利用

，实现化学能按需转化为有用的电能电化学反应步骤反应式（2-1）可分解为两个电化学反应步骤：Cu2+

+2e-

⟶Cu

(2-2)Zn

⟶Zn2+

+2e-

(2-3)失去电子的氧化过程（负极）和得到电子的还原过

程（正极）必须分别在两个区域进行两电极必须是离子导电性物质

，允许离子在电池内

部定向移动而导电

氧化还原分离

离子导电

补充说明除了以上主要组成部分外

，

电池可能还要有导电栅、汇流体、端子、

安全阀等零件。

电池本身可以做成各种形状和结构

，但必须满足以上五个基本构成要素才

能实现化学能到电能的转换。38/119电池基本构成电解质

具有高选择性离子电导率

提供电池内部离子导电介质

多为无机电解质水溶液

部分电解质参与电极反应隔膜

防止正负极活性物质直接

接触短路

保证正负极间尽可能小的距离

使电池具有较小的内阻

必须设置在正负极之间外壳

作为电池的容器

需有一定机械强度

能经受电解质腐蚀

可做成圆柱形、扣式、方

形等正极活性物质

具有较高的电极电位

电池放电时进行还原反应

在电池中称为正极负极活性物质

具有较低的电极电位

电池工作时进行氧化反应

在电池中称为负极离子与电子流动规律1电解质作用：

电解质是离子导体

，提供电池内部离子导电的介质。2离子定向移动：

离子在电池内部阴阳极之间定向移动而导电。.正离子流向阴极(正极).负离子流向阳极(负极)3

界面反应：

阳极导体界面发生氧化反应

，阴极导体界面发生还原反应。4

完整放电体系：整个电池形成由外电路电子体系和电解质离子体系构成的

完整放电体系

，从而产生电能供电。39/119电池放电基本原理电子流动负极(阳极)氧化反应还原反应1电池放电是化学能转化为电能的过程

，主要通过电极上的氧化还原反应实

现。2负极(阳极)反应：进行氧化反应

，失去电子

，

向外电路提供电子。3正极(阴极)反应：进行还原反应

，从外电路获得电子。4电流方向：放电时

，

电流经外电路从正极流向负极。5

工作机制：

并非所有电池都按氧化还原反应进行，有的电池以"嵌入—脱

嵌"方式工作。电池工作过程正极

(阴极)电池分类方法一：

按电解液种类碱性电池

电解质主要以氢氧化钾水溶液为主

代表电池：碱性锌锰电池、镉镍电池、镍氢电池等

特点：

循环寿命较长

，能量密度适中

镍氢电池在混合动力车上应用广泛有机电解液电池

主要以有机溶液为介质

代表电池：锂离子电池等

特点：

能量密度高

，循环寿命长

，无记忆效应

是当前电动汽车动力电