新能源汽车动力电池系统 课件 第1、2章　概述、动力电池化学原理、动力电池化学原理

新能源汽车动力电池系统章节安排及考核方式序号章节主讲人第一章概述第二章动力电池化学原理第三章动力电池结构第四章动力电池管理系统第五章动力电池热管理系统第六章动力电池热失控第七章动力电池热流体传热仿真分析序号考核方式或途径考核要求考核权重1课堂表现按时到课，回答问题正确10%2平时作业按时按次按质交作业15%3课程考试闭卷75%总评成绩100%第一章电动汽车与新能源汽车概述0102目录Contents电动汽车的类型与特点03动力电池概述传动系统布置形式PART1电动汽车与新能源汽车概述新能源汽车背景01传统汽车的三大危机全球汽车保有量激增，石油资源按现消耗速度将在2050年前后枯竭，城市空气污染50%以上源于汽车尾气，温室气体排放加剧气候变暖。02中国的汽车污染现状中国2021年移动源年报显示，汽车产生CO、HC、NOx、PM超90%，柴油车NOx占比超80%，汽油车CO占比超80%，环境压力巨大。03电动汽车的崛起环境、能源与经济的不可持续三角迫使交通能源转型，电动汽车成为国际共识的突破口，其零排放、高效能优势被政策与市场双轮驱动，站上历史舞台。新能源汽车发展历史电动汽车的早期探索1881年第一辆铅酸电池三轮车已驰骋巴黎，1899年更创速度纪录；20世纪初纽约电动出租车凭借再生制动技术风靡一时，却因续航短、充电慢被内燃机取代。电动汽车的复兴1970年代石油危机使人们重新关注电动汽车。美国、日本等国开始研发以铅酸、镍氢电池为动力的电动车。1996年通用公司推出EV1电动汽车，成为现代电动汽车复兴的标志性产品。第一辆电动汽车通用EV1电动汽车新能源汽车发展历史电动汽车的崛起进入二十一世纪，锂离子电池技术进步推动电动汽车商业化。2008年特斯拉Roadster问世，续航超350公里。此后，日产Leaf、比亚迪秦、宝马i3等车型相继推出，电动汽车进入快速发展阶段。政策推动为了促进电动汽车的发展，

许多国家和地区相继出台了相关政策，

推动全世界各大汽车公司对电动汽车技术开展了积极的研究。电动汽车的开发在中国、日本、美国、德国等国家得到了进一步的重视。同时，现代高新技术的发展、

新材料的诞生以及电子、

电机、计算机、

通信技术的广泛推广和应用，

都极大地促进了电动汽车的发展。特斯拉Roadster《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》新能源汽车发展历史电动汽车的未来总体来说，电动汽车的发展经历了曲折和起伏，但随着技术进步和政策推动，其前景十分广阔。未来的电动汽车将更加智能化和自动化，配备先进的电池与充电技术，实现更长的续驶里程和更短的充电时间。电动汽车的车型也将更加多样化，包括轿车、SUV、货车和特种车辆等。自动驾驶汽车电动汽车的普及还将带动新能源基础设施的建设，如充电站和换电站的完善，提升使用便利性。作为重要的能源载体，电动汽车还将参与电网的有机调度，提升电力系统的稳定性和运行效率，并促进可再生能源的利用。随着技术革新与政策支持，电动汽车将成为未来主流交通工具之一，也是人类追求绿色生活方式的重要象征。V2G双向充放电技术什么是新能源汽车其中电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分，是解决环境污染和能源问题的有效手段。新能源汽车——指的是采用非常规车用燃料的汽车，利用电能、天然气或氢气作为动力来源，实现低排放或零排放。纯电动汽车采用蓄电池作为储能动力源的汽车燃料电池电动汽车混合动力电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车新能源汽车采用传统的内燃机（柴油机或汽油）和电动机作为动力源纯电动汽车（BEV）蓄电池通过功率变换装置向电动机提供电能并驱动其运转，电动机经传动装置带动车轮旋转从而推动汽车运动。纯电动汽车主要由蓄电池、电池管理系统、驱动电机和传动系统、车身、底盘以及安全保护系统等构成。蓄电池主要包括铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、钠硫电池、锂离子电池及锌空气电池等。特斯拉ModelS混合动力汽车（HV）通常所说的混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle，HEV），一般是指油电混合动力汽车，即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。随着世界各国环境保护措施越来越严格，混合动力车辆由于其节能、低排放等特点成为替代纯燃油汽车的一个趋势，并已经遍布全球。混合动力汽车使用的电驱动系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。蓄电池有铅酸蓄电池、镍锰氢电池和锂离子电池，将来发动机还可能被氢燃料电池所替代。比亚迪汉DM-i混合动力电车燃料电池电动汽车（FCEV）燃料电池通过化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。燃料电池的能量转换效率可达60%～80%，为内燃机的2～3倍，所以燃料电池电动汽车的能量转换效率高；燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，因而燃料电池电动汽车不污染环境，可实现零排放；燃料电池电动汽车的氢燃料来源广泛，可以从可再生能源获得，不依赖石油燃料。因此，从环保的角度来看，燃料电池电动汽车是一种最为理想的车辆。MIRAI氢燃料电池电动汽车国外电动车发展现状美国早期在技术和研发上处于前沿，并通过一系列法案（如《替代机动车燃料法》、《清洁空气修正法案》、《能源政策法案》等）和政策长期支持新能源汽车发展。关注重心从燃料电池汽车向插电式混合动力汽车倾斜。市场上有多种热销车型，2023年新能源汽车销量超过140万辆，累计销量约470万辆。国外电动车发展现状日本由于资源匮乏，特别注重节能和环保。技术路线并非以纯电动汽车为核心，而是长期致力于混合动力汽车（HEV）

的研发，技术水平世界领先（例如丰田的混动车型全球销量已突破1600万辆）。在纯电动汽车方面落后于其他主要市场，但政府正通过补贴等方式推动需求增长。国外电动车发展现状欧洲发展相对较晚，但通过制定严格的碳排放法规和燃油车禁售时间表（如挪威2025年，英、法2040年）来强力推动。车企（如大众、戴姆勒、标致雪铁龙）受“柴油门”事件等影响，从2015-2016年开始才全面转向电动化。年来发展迅速，本土品牌（如大众、雷诺、标致）在新能源汽车市场中表现出色。国内汽车发展状况01发展历程我国的电动汽车研发始于1996年，通过“九五”、“十五”科技攻关以及奥运会、世博会、“十城千辆”等示范项目，建立了完整的自主知识产权产业链。02里程碑事件2008年，比亚迪推出全球首款插电式混合动力车型F3DM。2013年，比亚迪秦

上市，加速了市场普及。蔚来等造车新势力推出ES6等高端纯电车型，获得市场认可。03市场现状中国汽车产销总量全球第一，2023年突破3000万辆。新能源汽车销量爆发式增长，2023年中国品牌乘用车中新能源产品市占率高达49.9%，意味着每卖出两辆中国品牌乘用车，就有一辆是新能源汽车。全球电动汽车发展状况01形成了

中国、欧洲、美国

三足鼎立的全球前三市场。02关键数据（2022年）全球电动汽车销量首次突破1000万辆（乘用车），渗透率达到14%。中国是全球最大的市场，销量约占全球的60%，已提前完成2025年目标。03车型多样化电动化不仅限于乘用车，电动公交车、电动两轮车、电动货车等也在快速发展，中国在这些领域同样占据全球主导地位。市场格局电动汽车发展前景01发展电动汽车是解决能源安全、碳排放与环境污染问题的国家重大科技战略，是推动中国从汽车大国向汽车强国转变的关键。02技术趋势国际产业界共识是，2020年后纯电驱动技术将逐步占据主导地位。03中国发展趋势驱动电气化：包括能源体（高能量密度电池、燃料电池）和执行部件（驱动电机）的电气化。技术系统化：如比亚迪的“三合一”电驱总成，强调集成化、模块化设计。智能网联化：以电动汽车为载体，发展智能网联汽车技术。市场国际化：鼓励中国电动汽车品牌“走出去”，参与国际竞争。战略意义PART2电动汽车的类型与特点纯电动汽车的类型（按电驱动系统结构布局分类）电机中央驱动此种结构与发动机前置前驱的传统内燃机汽车动力传动系统结构相似，是在其基础上发展而来的，主要用于大型重载车辆。电驱动系统的传动装置由差速器、变速器、离合器和电机组成。离合器的功能与传统汽车相同，用于切断或接通动力传递，以实现平稳换挡；变速器则由一套具有不同速比的齿轮机构组成，使驾驶人能根据需要选择不同变速比，将电机动力传给驱动轮——在低档位时，驱动轮获得低转速大转矩，高档位时则获得高转速小转矩；此外，差速器的作用是在车辆转弯时，使内、外车轮以不同转速行驶，从而保证车辆的稳定运行。纯电动汽车的类型（按电驱动系统结构布局分类）电机-驱动桥组合驱动核心特点：利用电机大起动转矩和宽调速的优势，省去了离合器，采用固定速比减速器，从而简化结构、减轻车重并增大车内空间。系统构成：主要由电机、固定速比减速器和差速器组成。两种布置形式：分体式（图b）：各部件之间通过中间传动装置连接。集成式（图c）：将电机、减速器和差速器集成为一体，直接通过半轴连接驱动轮，进一步省去了中间部件，结构更紧凑。这种集成形式在小型纯电动汽车上应用普遍。纯电动汽车的类型（按电驱动系统结构布局分类）双电机驱动核心原理：两个驱动轮由各自的电机独立驱动，通过电机控制器独立调节转速，从而实现电子差速，因此无需机械差速器。布置形式：基本双电机驱动（图d）轮边电机驱动（图e）：是双电机驱动的进阶形式，将电机直接安装在车轮内部，从而极大地缩短了动力传递路径。可选部件：可在电机与驱动轮之间加装行星齿轮变速器（固定速比），其作用是提供大的减速比，并能实现动力输入与输出轴的同轴布置。纯电动汽车的类型（按电驱动系统结构布局分类）双电机驱动核心结构：采用轮毂电机，具体是一种低速外转子电机。其外转子直接安装在车轮的轮缘上，与车轮集成。最大特点：彻底省去了减速器、差速器等所有传统的机械传动装置，实现了动力系统的极大简化。转速关系：电机的转速与车轮的转速完全相同（等速），动力传递路径最短，效率高。纯电动汽车的类型（按蓄电池分类）主要类型：目前主要采用铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。性能与成本对比：铅酸蓄电池：技术成熟、价格便宜，但存在性能、寿命较差和

重金属污染的问题。镍氢与锂离子电池：性能优于铅酸电池，但当前价格较贵；预

计随着技术成熟和规模扩大，其性价比将显著提高。核心重要性：蓄电池作为纯电动汽车的唯一能源，其性能指标在很大程度上决定了整车的性能。锂离子蓄电池铅酸蓄电池镍氢蓄电池纯电动汽车的类型（按电机分类）电机类型优点缺点应用现状/前景直流电机技术成熟、控制简单、成本低；起动转矩和制动转矩大；调速范围广且平滑。笨重、体积大；可靠性差、需维护；效率低；高速运行产生火花干扰电子器件。因缺点明显，使用推广受限。交流电机结构简单坚固、成本低；免维护、可靠性高、寿命长；较直流电机效率高!体积小!重量轻；振动噪声小、转速高、响应快。控制器结构复杂、易损坏。目前应用较多的电机；随着技术进步，调速性能改善，已逐渐替代直流电机。永磁电机体积小、功率密度和效率高；调速范围宽、响应快。价格昂贵；高温下易退磁；大功率机型小型化困难。非常适用于现代电动汽车；成本正逐渐降低，是最具前途的驱动电机之一。开关磁阻电机结构简单、可靠；低速和起动转矩大、起动电流小；效率高、调速范围宽。转矩脉动严重，导致振动和噪声大；非线性；控制器复杂、价格高。在现代电动汽车上应用很少。纯电动汽车的类型（按用途分类）目前主要有纯电动客车和纯电动轿车、

纯电动载货车和纯电动特种车辆四类中通某款纯电动客车比亚迪C6纯电动客车纯电动车的特点无污染、噪声小不产生内燃机汽车排放的CO、HC、NOx等有害废气没有内燃机产生的噪声，电动机的运行噪音也更小单一电能源仅采用电动机，因此具有噪声低、无污染的优点。电动机及传动系统所占的空间更小、质量更轻。电控系统较混合动力电动汽车大为简化，从而可以降低成本!，补偿蓄电池的部分价格。结构简单，维修方便相比内燃机汽车，纯电动汽车的运转和传动部件更少，维修保养工作量小。当采用交流感应电动机或永磁电机时，可以实现无需保养维护。纯电动汽车的操控更为容易。能量转换效率高电动机效率高，能量利用率高。特别适合城市路况整体能源利用效率更高，更环保纯电动车的特点平抑电网的峰谷差减少对石油资源的依赖，可将宝贵的石油资源用于更重要的领域。为电池充电的电能来源广泛，可来自煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风能及潮汐等多种能源，不局限于化石燃料。在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的作用。能量转换效率高蓄电池技术仍有瓶颈，续驶里程较短，低温性能下降，且充电时间较长。但是纯电动汽车也存在以下痛点：PART3动力电池概述动力电池发展历史根据动力电池的使用特点、

要求、应用领域不同，国内外动力电池的研发历史大致如下：第一代动力电池以铅酸蓄电池为代表，虽然价格低廉、技术成熟，但存在能量密度低和重金属污染的问题。第二代动力电池以锂离子电池为核心，凭借高能量密度和高单体电压，成为当前最具竞争力的主流动力电池。以MH-Ni电池为代表，性能优于铅酸电池，曾是混合动力的主流选择，但成本较高且存在毒性污染（指已禁用的Cd-Ni电池）。第三代动力电池以燃料电池为方向，被视为最环保的终极解决方案，但仍面临成本、氢储运和寿命等商业化难题。新一代动力电池动力电池类型动力电池按工作性质和储存方式分为以下四类：例如：1）锌-锰干电池2）碱性锌-锰电池3）锌-汞电池4）镉-汞电池5）锌-银电池6）碱性锌-空气电池7）锂电池8）固体电解质电池（银-碘电池）1.一次电池：即“原电池”或“干电池”。不可充电，反应不可逆。常见于一次性日常用品。动力电池类型动力电池按工作性质和储存方式分为以下四类：例如：1）铅酸电池2）镉-镍电池3）氢-镍电池4）金属氢化物-镍（MH-Ni）电池5）固体电解质电池（钠-硫电池）6）锂离子电池2.二次电池：即“蓄电池”。可反复充放电，反应可逆。是电动汽车、电子设备等领域最常用的电池类型。动力电池类型动力电池按工作性质和储存方式分为以下四类：例如：1）锌-银电池2）镁-银电池3）铅-高氯酸电池3.储备电池：即“激活电池”。正负极活性物质在储存期分离，使用前需激活。常用于需要长期储存、瞬时使用的特殊场合。动力电池类型动力电池按工作性质和储存方式分为以下四类：例如：1）氢-氧燃料电池2）肼-空气燃料电池燃料电池：即“连续电池”。需要持续注入燃料和氧化剂，将化学能直接转化为电能。被视为清洁、高效的发电装置。动力电池的性能比较目前可以作为车载动力的电源类型很多，主要有阀控式密封铅酸蓄电池（VRLAB）、Cd-Ni电池、MH-Ni电池、Li-ion电池、聚合物Li-ion电池、Zn-Ni电池、锌-空气电池、超级电容器、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。表3.1各类动力电池的性能比较动力电池的性能比较目前可以作为车载动力的电源类型很多，主要有阀控式密封铅酸蓄电池（VRLAB）、Cd-Ni电池、MH-Ni电池、Li-ion电池、聚合物Li-ion电池、Zn-Ni电池、锌-空气电池、超级电容器、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。图3.1各类动力电池的体积比能量和质量比能量比较动力电池的要求对于电动汽车（EV）优点：

电动汽车完全由蓄电池驱动，具有零尾气排放（无CO、NOx）、能量转换效率高、结构简单、

运行费用低等优势。核心挑战：

纯电动汽车的发展高度依赖车载动力电池的性能。电池特性：

车载动力电池的使用模式与汽车起动蓄电池不同，主要表现为中等电流长时间放电、

间歇性大电流放电（如加速、爬坡）、以及深循环使用。当前瓶颈：

目前动力电池存在的价格高、低温性能差、热失控安全风险等问题，是制约电动汽车

大规模发展和商业化应用的关键因素。动力电池的要求对于混合动力电动汽车（HEV）工作方式与结构：

采用串联、并联或混联式动力装置，拥有两套动力和管理系统，导致其结构复杂、技术难度高。核心优势：

能够显著降低燃油消耗和汽车排放，同时具备燃油经济性高、行驶性能优越的特点，特别适合长途驾驶、寒冷地区或充电不便的场景。开发关键：

核心技术在于动力分配系统。电池工作特点（与纯电动汽车的关键区别）：

动力电池主要在较窄的荷电状态（SOC）区间内进行频繁的浅循环充放电，在整个寿命周期内，这种循环可达数万次，而非纯电动汽车的深循环模式。图3.2动力电池的两种工作状态动力电池的要求根据以上EV、HEV中动力电池的工作状态分析，要满足EV、HEV的工作状态，动力电池应该有以下要求：1）高的功率密度。2）高的质量比功率和质量比能量，如图3.3所示。3）工作温度范围宽。4）深循环使用。5）使用寿命长。6）安全可靠。7）价格比较低。图3.3动力电池要求的质量比能量和质量比功率动力电池的基本原理核心理论公式

核心结论：电池的电动势(E)越高，且其容量(C₀)越大，电池储存的能量就越高。综合两个公式可知，要制造高能电池，需要选择电化当量小（以提供大容量）和电动势高（以提供高电压）的材料。动力电池的基本原理高能电池的设计策略

动力电池的基本原理理想与现实的权衡（由表3.3分析可知）

表3.3一些高理论比能量的电池（酸性或中性溶液）第二章电动汽车与新能源汽车概述0102目录Contents主流动力电池技术03新型动力电池技术原理与探索传动系统布置形式04动力电池性能对比与未来发展方向

PART1动力电池基础原理与核心术语动力电池工作原理01充放电过程中锂离子迁移机制：

02电化学反应本质：依靠锂离子在正负极材料间的嵌入与脱出，同时通过得失电子的氧化还原反应实现充放电，维持电池体系电中性核心术语与关键参数电压类

核心术语与关键参数电压类

图1.1核心术语与关键参数电压类标称电压：标识电池的近似电压，用于区分电化学体系常见电池体系的单体标称电压见表1.1表1.1常见电池体系的单体标称电压核心术语与关键参数电压类放电终止电压：指电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压，也称为放电截止电压。

不同类型、放电条件的电池，对容量和寿命要求不同，所以规定的放电终止电压

也不同。通常，低温或大电流放电时，因电极极化大、活性物质利用不充分、电压下降快，终止电压规定得低；小电流长时间放电时，由于电极极化小、活性物质利用较充分、电压下降慢，终止电压规定得高。充电限制电压：指按规定的充电制度，电池由恒流充电转入恒压充电时的最大电压值，也称为充电终止电压。

不同电化学体系的电池充电限制电压也不同，如铅酸蓄电池的充电限制电压一般为2.4V，磷酸铁锂电池的充电限制电压一般为3.8V。核心术语与关键参数容量类

核心术语与关键参数容量类

核心术语与关键参数容量类

核心术语与关键参数电池能量

核心术语与关键参数电池能量

核心术语与关键参数电池能量

核心术语与关键参数电池能量同样电池中必然包含不参与电池反应的物质，这导致电池的质量效率总是小于1。这类物质主要有以下几类：过剩的活性物质：设计电池时，正、负两个电极的活性物质无法恰好等量，总有一极的活性物质过剩；这种过剩有时是必需的（如密封的镍镉蓄电池、锌-氧化银电池中，负极活性物质需有25%~75%的过剩量，防止充电时负极产生氢气）。电解质溶液：部分电池的电解质溶液不参与反应，部分参与反应的电解质溶液也需要一定过剩量。电极添加剂：如导电物质、膨胀剂、吸收电解质溶液的纤维素等，部分添加剂质量占电极总质量比例较大。电池的外壳、电极的板栅、骨架等。核心术语与关键参数电池功率与功率密度

核心术语与关键参数电池功率与功率密度

核心术语与关键参数

核心术语与关键参数

核心术语与关键参数放电电流

放电电流指电池放电时电流的大小，直接影响电池各项性能指标，因此谈及电池容量或能量时，需说明放电电流大小或放电条件，放电率常用“时率”和“倍率”两种形式表示：

核心术语与关键参数荷电状态

荷电状态（SOC）反映电池的剩余电量状况，是电池使用过程中的重要参数，以百分比形式呈现，数值在0-100%之间。：

核心术语与关键参数自放电特性

自放电特性主要包括自放电和自放电率两部分：

核心术语与关键参数电池寿命

电池寿命主要包括循环寿命和贮存寿命两部分：

循环寿命定义：蓄电池经历一次充电和放电为一个循环（周期）；在一定放电制度下，电池容量降低至某一规定值前，所能耐受的循环次数，是衡量蓄电池性能的重要参数。影响因素：除正确使用与维护外，还包括①电极活性表面积在充放电中不断减小，工作电流密度上升、极化增强；②电极上活性物质脱落或转移；③电极材料发生腐蚀；④循环中电极生成枝晶，造成电池内部微短路；⑤隔膜老化、损坏；⑥活性物质在充放电中发生不可逆晶形改变，活性降低。贮存寿命定义：电池自放电后，可用容量下降到某一规定容量所经过的时间，也称搁置寿命；电池长期搁置后容量变化的特性为贮存性能。贮存特点：电池贮存时内部常存在自放电现象。干态贮存（无电解液）若密封不严，水分、空气进入会使正/负极活性物质发生微电池腐蚀，自行氧化还原为热能；湿态贮存（带电解液）自放电更明显，贮存寿命更短。因此，储备电池常采用干态贮存（使用时加电解液激活），可长期保存。

PART2主流动力电池技术——三元电池与铁锂电池

三元电池材料结构特性

三元电池化学机理

三元电池材料改性方法

铁锂电池（磷酸铁锂体系）材料结构特性

铁锂电池（磷酸铁锂体系）化学机理

铁锂电池（磷酸铁锂体系）材料改性方法

PART3新型动力电池技术原理与探索

发展背景20世纪80年代研发，早期因能量密度低于锂离子电池被忽视，近年因钠资源丰富、成本低重新受关注。核心差异

钠离子电池钠离子电池技术概述技术优势钠盐电导率较高，可选用低浓度电解液，进而降低生产成本。钠资源丰富且价格低廉，原料成本优于锂离子电池。钠离子电池无过放电特性，能够放电至0V。锂离子与铝在低于0.1V（vs.Li⁺/Li）时会发生合金反应，钠离子不会（为电池结构设计等提供优势，如铝可作为集流体等）。充电

钠离子电池工作原理