《新能源汽车电池及管理系统检测》课件-学习情境一 电池基础知识探索

学习情境一电池基础知识探索导入面对能源和环境的双重挑战，加快发展节能汽车与新能源汽车成为解决问题的关键之策。这不仅有助于缓解能源压力和减少环境污染，还推动了汽车产业的转型升级，创造了新的经济增长点。正是在这种背景下，国务院于2012年6月28日发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年)》。该规划明确了新能源汽车的定义——即采用新型动力系统，依靠新型能源驱动的汽车，主要包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车及燃料电池汽车。新能源汽车的发展离不开电能的有效管理，而动力蓄电池则是其核心。回顾历史，我们看到每一次动力蓄电池材料的革新都引领了电动汽车的新发展浪潮。最早的铅酸蓄电池技术在20世纪初引发了第一次电动汽车的研发热潮；技术背景20世纪80年代镍氢蓄电池的突破促进了混合动力电动汽车的产业化；而锂离子蓄电池的出现更是开启了现代以纯电驱动为主的新能源汽车新时代。动力蓄电池的发展历史电池的发展史从1836年丹尼尔电池的诞生开始，经历了1859年铅酸蓄电池的发明、1883年氧化银电池的发明、1888年电池的商品化等重要阶段。进入20世纪后，电池理论和技术虽然一度停滞，但在二战后迎来了快速发展期。为了适应重负荷的需求，发展了碱性锌锰电池；1951年镍-镉电池实现了密封化；1958年提出的有机电解液作为锂电池电解质的方法在20世纪70年代得到实际应用。之后，随着环保意识的提高，研究重心逐渐转向蓄电池，特别是锂离子蓄电池。动力蓄电池的发展历史1990年前后，锂离子蓄电池的发明及1991年的商品化标志着这一技术的成熟。1995年，聚合物锂离子蓄电池的发明以及1999年开始的商品化应用，使其在现代社会得到了广泛应用。如今，电池技术已渗透到生活的方方面面，从小型电子设备到大型电动工具和车辆，电池成为现代社会不可或缺的便捷能源。动力蓄电池的发展现状现今用于电动汽车的主要动力蓄电池是镍-氢蓄电池和锂离子蓄电池。镍-氢蓄电池因其高充放电倍率和无环境污染等优点，被广泛应用于混合动力汽车；而锂离子蓄电池则凭借其高工作电压、高比容量、无环境污染、宽工作温度范围、低自放电率、无记忆效应、高充放电效率和长寿命，成为新一代电动汽车的理想动力源。锂离子蓄电池又根据正极材料的不同分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂、锂聚合物和三元材料锂电池。早期研发的钴酸锂和镍酸锂电池虽然性能优异，但由于成本高和稳定性问题，发展受到限制。近年，锰酸锂和磷酸亚铁锂电池在安全性和成本方面取得了显著进展，已在电动汽车中得到广泛应用。动力蓄电池的发展现状例如，在北京奥运会、上海世博会和广州亚运会期间，使用锰酸锂和磷酸亚铁锂电池的电动客车发挥了重要作用。此外，比亚迪的E6纯电动出租车、众泰的2008EV及5008EV、江淮的同悦纯电动轿车等都已实现了小批量生产，并在市场上进行示范运行。值得关注的是，以钛酸锂为负极的锂离子蓄电池因其广泛的工作温度范围、良好的倍率特性和长寿命，受到业界的高度关注。动力蓄电池的发展现状尽管其能量密度较低、成本较高，且批量生产技术尚不成熟，目前仍处于试验阶段，但其前景值得期待。思政元素融入在学习新能源汽车动力蓄电池及管理技术的过程中，我们不仅要掌握技术知识，更要思考其对社会发展的积极意义。新能源汽车的发展不仅是一种技术进步，更是一种社会责任。推动新能源汽车的普及，是我们减少环境污染、保护地球资源的具体实践。这也体现了新时代科技与环保相结合的发展理念。我们每一个人都有责任支持环保技术的发展，为建设绿色、可持续的未来贡献自己的力量。02探究电池的常用类型知识准备电池（Battery）是指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。具有正、负极之分。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。蓄电池是新能源汽车的动力源泉。目前，制约新能源汽车发展的关键因素是动力电池不理想。电池从广义上讲主要可分为化学电池、物理电池和生物电池三大类，其中化学电池和物理电池已经应用于量产的新能源汽车中，而生物电池则被视为未来新能源汽车动力电池的重要发展方向之一。蓄电池按电池原理分类如图1-1所示。问题引导1：

什么是生物电池？它的分类、特点和用途有哪些？一、生物电池生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的），如图1-2所示。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响、互相依存、形成网络，进行生物的能量代谢。图1-2生物电池一、生物电池按反应场所的不同按反应场所可分为三种，他们的主要差别是反应场所不同，分别是“于生物体内”“于生物体外”以及“于生物体细胞外”。生物电池的分类1按催化剂的来源不同按催化剂的来源可分为两种：微生物电池、酶电池。1微生物电池微生物电池由阳极室和阴极室组成，有一个质子交换膜将两极室分开。2酶电池酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料，反应原理如下：葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。一、生物电池与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优势。生物电池的特点21它将生物质能直接转化为电能，保证了高的能量转化效率。不同与现有的生物质能处理，生物电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。3生物电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要成分是二氧化碳。4生物电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物电池可以直接植入人体。5在缺乏电力基础设施的局部地区，生物电池具有广泛应用的潜力。2一、生物电池（三）生物电池的用途使用生物燃料电池，1L糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶25～30km，如果汽车的油箱为50L，装满可连续行驶1000km而不需要再补充能源。这样一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的空气污染问题，另一方面还可以避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至是爆炸。燃料结构2005年，美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布，已成功研制出一种新型的微生物电池，可以将未处理过的污水通过微生物降解，转变为清洁的水和电能。污水处理（三）生物电池的用途2005年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池，这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量，也可为心脏起搏器提供能量。能量支持2000年美国南佛罗里达大学的科学家研制出一种可使用肉类食物补充能量的机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池，为机器人的运动和工作提供动力。机器人应用（三）生物电池的用途如1-3所示，为处理密闭的宇宙飞船里宇航员排出的尿液，美国宇航局设计了一种新型生物电池，用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液生成氨气，以氨气作为微生物电池的电极活性物质，这样既处理了尿液又得到了电能。一般在宇航条件下，平均每天可得到47W电力。航空航天上的应用图1-3生物电池在航空航天上的应用问题引导2：

什么是物理电池？它的分类、特点和用途有哪些？在电池的使用过程中，电池内部本身不产生化学反应的电池称为物理电池。二、物理电池（一）物理电池的分类图1-4物理电池的分类1.飞轮储能装置飞轮储能装置是20世纪90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，实现了用物理方法储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能，飞轮储能装置正是以其动能转换成电能的，高技术型的飞轮用于储存电能，很像标准电池。飞轮储能装置中有一个电机，充电时该电机以电动机的形式运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能到电能的转换。当飞轮储能装置发出电时，飞轮转速逐渐下降，飞轮储能装置的飞轮是在真空环境下运行的，转速极高。飞轮储能装置的结构如图1-5所示。图1-5飞轮储能装置的结构飞轮储能装置的特点能量密度高：储能密度可达100～200W·h/kg，功率密度可达5000～10000W/kg。能量转换效率高：转换效率高达90%。体积小、重量轻：飞轮直径约20cm，总重在十几千克左右。123飞轮储能装置兼顾化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的优点，主要表现在如下几个方面：1工作温度范围宽：对环境温度没有严格的要求。飞轮储能装置的特点低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使其机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。46使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。5飞轮储能装置的特点由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，容易解体，所以飞轮一般都采用碳纤维材料制成，制造飞船的碳纤维材料目前还很贵，所以成本比较高。飞轮一旦充电，就会不停地转动下去，当不用电时，飞轮还在转动，浪费了能量，例如给一辆飞轮储能装置汽车充电后，该汽车可以行驶3h，汽车走了2h后，车主休息0.5h，那么这0.5h飞轮就在那里白白转动。不过也有人说，当飞轮空转时，由于没有负载能量损失不会太大，比目前存放一段时间不用的蓄电池损失的能量还要小，如果静止不动几乎没有能量损失。解决的办法是给飞轮储能装置配备化学充电电池，当不需要用电时，可把飞轮转动的电能充进化学电池中，但是给飞轮储能装置配备化学电池带来的问题是增加了汽车的重量。12飞轮储能装置的缺点主要有以下几个方面：2飞轮储能装置的特点由于在实际工作中，飞轮的转速可达40000～50000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，容易解体，所以飞轮一般都采用碳纤维材料制成，制造飞船的碳纤维材料目前还很贵，所以成本比较高。飞轮一旦充电，就会不停地转动下去，当不用电时，飞轮还在转动，浪费了能量，例如给一辆飞轮储能装置汽车充电后，该汽车可以行驶3h，汽车走了2h后，车主休息0.5h，那么这0.5h飞轮就在那里白白转动。不过也有人说，当飞轮空转时，由于没有负载能量损失不会太大，比目前存放一段时间不用的蓄电池损失的能量还要小，如果静止不动几乎没有能量损失。解决的办法是给飞轮储能装置配备化学充电电池，当不需要用电时，可把飞轮转动的电能充进化学电池中，但是给飞轮储能装置配备化学电池带来的问题是增加了汽车的重量。12飞轮储能装置的缺点主要有以下几个方面：2飞轮储能装置的应用由于技术和材料价格的限制，飞轮储能装置的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。但在下列一些需大型储能装置的场合，使用化学电池的价格也非常昂贵，飞轮储能装置已得到逐步应用。超级电容超级电容又叫双电层电容器，如图1-6所示，是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。由于其储能的过程并不发生化学反应，因此这种储能过程是可逆的，正因如此超级电容可以反复充放电数十万次。超级电容一般使用活性炭电极材料，具有吸附面积大，电量储存多的特点，在新能源汽车中被广泛使用。用作起重装置的电力平衡电源时，可提供超大电流的电力；用作车辆起动电源时，起动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源时可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战斗车辆的顺利起动（尤其是在寒冷的冬季），作为激光武器的脉动能源。此外还可用作其他机电设备的储能能源。图1-6超级电容超级电容的特点充电速度快。只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上；而现在使用最广泛的铅酸电池充电通常需要几个小时。循环使用寿命长。深度充放电循环使用次数可达50万次，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。和铅酸电池比较，它的使用寿命可达68年且没有“记忆效应”。大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%。123超级电容的特点功率密度高。可达300～5000W/kg,相当于普通电池的数十倍；比能量大大提高，铅酸电池一般只能达到200W/kg，而目前研发的超级电容已可达10kW/kg。产品原材料的构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源。充放电线路简单。无需充电电池那样的充电器，安全系数高，长期使用免维护。456超级电容的特点超低温特性好。使用环境温度范围宽达-40～+70℃。检测方便。剩余电量可直接读出。单体容量范围通常为0.1～3400F。789在超级电容三十多年的发展历程中，微型超级电容已经在小型机械设备上得到了广泛的应用，例如电脑内存系统、照相机、音频设备和间接性用电的辅助设施；而大尺寸的柱状超级电容则多被用在汽车领域和自然能源采集上。就未来十年的发展而言，超级电容将是运输行业和自然能源采集的重要组成部分。超级电容的用途表2-1电解液相对密度值汽车领域在汽车领域中，智能起停控制系统（轻型混合动力系统）的应用为超级电容提供了广阔的舞台，在插电式混合动力汽车上的表现尤为突出。由于电动汽车需要频繁起动和停车，这使得蓄电池的放电过程变化很大。在正常行驶时，电动汽车从蓄电池中吸取的平均功率相当低，而加速和爬坡时的峰值又相当高。在现有的电动汽车电池技术条件下，蓄电池必须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间做出平衡。而难以在一套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和长寿命。为了解决电动汽车续航里程与加速爬坡性能之间的矛盾，可以考虑采用两套能源系统，其中由主能源提高续航里程，而由辅助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。辅助能源系统的能量可以直接来自主能源，也可以是电动汽车制动或下坡时回收可再生的动能，可选用超级电容作辅助能源。短期内，超级电容极低的比能量使其不可能被单独用作电动汽车能源系统，但用作辅助能量源具有显著优点。大尺寸超级电容可用在火车和地铁的制动系统上，亦可为物料搬运工程车提供能量输出；中等尺寸超级电容可用在太阳能能量收集方面，因为其具备可在高温下工作的特性；48V超级电容应用于汽车；小尺寸超级电容则对通信设施的持续供电和电脑内存系统储存后备电源等有极大的贡献。其他领域超级电容的低阻抗对于当今许多高功率应用是必不可少的，对于快速充放电的超级电容，小的ESR意味着更大的功率输出，几秒钟充电，几分钟放电。例如电动工具、电动玩具。在UPS系统中，超级电容提供瞬时功率输出，作为发动机或其他不间断系统备用电源的补充。表2-1电解液相对密度值其他领域可作为公共汽车从一种动力源切换到另一种动力源时的功率支持。可小电流、长时间持续放电，例如计算机存储器后备电源。瞬时功率脉冲应用，重要存储、记忆系统的短时间功率支持。3.太阳电池太阳电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，如图1-7所示，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。图1-7太阳电池太阳电池的特点太阳电池是利用半导体的光生伏特效应，许多材料都可以用来做太阳电池，因而太阳电池的种类很多，一般太阳电池具有以下特性：1转换效率高。制造能耗小、成本低。原材料丰富。电池使用寿命长。无公害。太阳电池的用途家用领域。小型电源（10～100W不等）：用于边远无电地区，如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；3～5kW家庭屋顶并网发电系统；光伏水泵：解决电力未覆盖地区的深水井引用、灌溉。交通领域。如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。通信领域。太阳能无人值守微波中继站、卫星、光缆维护站、广播/通信/寻呼电源系统；农村载波电话光伏系统、小型通信机、士兵GPS供电等。123太阳电池的用途石油、海洋、气象领域。石油管道和水库闸门阴极保护太阳能电源系统石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。家庭灯具电源。如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。光伏电站。10kW～50MW独立光伏电站、风光互补电站、各种大型停车厂充电站等。456问题引导2：

什么是化学电池？它的分类、特点和用途有哪些？三、化学电池化学电池是将化学能转化为电能的装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。化学电池按工作性质可分为一次电池（原电池）、二次电池（可充电电池）、燃料电池。其中,一次电池可分为糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌汞电池、一次锂锰电池等；二次电池可分为铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、锌空气电池等，如图1-8所示。三、化学电池1.化学电池的分类图1-8化学电池的分类2.化学电池的特点能量转换效率高，供能稳定可靠。以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便，如图1-9所示。易维护，可在各种环境下工作。123图1-9化学电池3.化学电池的应用化学电池广泛应用于通信、交通、文化、办公及家用电子产品。高科技、军事、生产行业也有特殊应用，如图1-10所示。图1-10化学电池的应用03探究电池的性能参数问题引导1：

电池的性能参数有哪些？电压容量能量功率1234内阻寿命放电速率自放电率成本56789一、电压1.电动势2.端电压3.开路电压4.工作电压5.终止电压一、电压电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。电动势使电源两端产生电压。在电路中，电动势常用E表示，单位是伏（V）。电池电动势是指单位正电荷从电池的负极到正极由非静电力所做的功，常被称为“电压”，如图1-11所示。电动势是两个电极的平衡电极电位之差。1.电动势图1-11电动势原理图一、电压路端电压是指静电力把单位正电荷从正极移到负极所做的功。简单点理解端电压就是一个电动势值。以一个电阻为例，你可以说电阻两端的电压降是多少，如果只指其中一端，那么都是有参考点的，一般来说参考点都是地，即该端与地之间的电压降就是该端的端电压。电路闭合后电池正负极间的电位差叫作电池的电压或端电压。当电路处于开路时，端电压就等于电源电动势，如图1-12所示。2.端电压图1-12端电压一、电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压，如图1-13所示。电池的开路电压等于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池正极的电极电势与负极的电极电势之差。电池的开路电压用V开表示，即V开=Ф+-Ф-，其中Ф+、Ф-分别为电池的正负极的电极电势。电池的开路电压一般均小于它的电动势。这是因为电池的两极在电解质溶液中所建立的电极电势，通常并非平衡电极电势，而是稳定电极电势。一般可近似认为电池的开路电压就是电池的电动势。3.开路电压图1-13开路电压一、电压工作电压是电池接上负载后处于放电状态下的电压，如图1-14所示。负载是指连接在电路中的电源两端的电子元器件。电路中不应没有负载而直接把电源两极相连，此连接称为短路。常用的负载有电阻、发动机和电灯泡等可消耗功率的元器件。把电能转换成其他形式的能的装置叫作负载。电动机能把电能转换成机械能，电阻能把电能转换成热能，电灯泡能把电能转换成光能和热能，扬声器能把电能转换成声能。电动机、电阻、电灯泡、扬声器等都叫作负载。晶体管对于前面的信号源来说，也可以看作是负载。对负载最基本的要求是阻抗匹配和所能承受的功率。4．工作电压图1-14工作电压一、电压电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压，如图1-15所示。5．终止电压图1-15终止电压二、电池容量理论容量根据电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值，一般用质量容量（A·h/kg）或体积容量(A·h/L）来表示。实际容量在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。额定容量按一定标准所规定的放电条件，电池应该放出的最低限度的容量，如图1-16所示。123电池容量是指电池在一定放电条件下所能放出的电量。电池容量用符号C表示，单位为安时(A·h)或毫安时（mA·h）。图1-16额定容量三、能量电池的能量决定电动汽车的行驶距离。一般用W·h或者kW·h来表示，如图1-17所示。图1-17电池能量标称能量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。按一定标准所规定的放电条件，电池所输出的能量。电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。例：某品牌车电池电压为320V，容量为80A·h，续航里程为160km，求百公里消耗能量。实际能量解：实际容量×工作电压=输出能量80A·h×320V＝25600W·h25600W·h÷1600km＝160W·h/km160W·h/km×100km＝1600W·h百公里消耗能量为16000W·h。质量比能量动力电池组的体积比能量是指动力电池组单位体积中所能输出的能量，单位为W·h/L。动力电池组单位质量中所能输出的能量，单位为W·h/kg。例：某品牌电池电压为303V，容量为270A·h，质量为290kg。比能量为多少？体积比能量解：质量比能量=功率×时间÷质量303V×270A·h÷290kg=282.1W·h/kg质量比能量为282.1W·h/kg。例：某品牌电池电压为303V，容量为270A·h，大小为1750mm×960mm×215mm，体积比能量为多少？解：体积比能量=功率×时间÷体积303V×270A·h÷（1750×960×215)L=0.226W·h/L体积比能量为0.226W·h/L。四、功率在一定的放电条件下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定电动汽车的加速性能。比功率电池的比功率是指电池单位质量中所具有的电能，单位为W/kg。1功率密度电池的功率密度是指电池单位体积中所具有的电能，单位为W/L。2五、内阻电流通过电池内部时会受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电