新能源汽车动力电池系统技术课件 项目一 动力单体电池结构原理

项目1动力单体电池结构原理余红燕新能源汽车技术目录电池的分类01.单体电池的结构原理02.典型的动力单体电池03.电池的参数04.01电池的分类学习内容1.电池的定义；2.化学电池、物理电池、生物电池的定义；3.化学电池不同的分类方式；4.锂离子电池的分类。能力要求1.能够描述电池的定义；2.能够描述电池的分类及举例；3.能够描述化学电池的分类及举例；4.能够描述锂离子电池的分类及特性。任务引入

小张是B品牌4S店销售人员，该品牌电动汽车使用的磷酸铁锂电池。在接待客户王女士时，王女士告诉小张还有X品牌的某款车（使用三元锂电池）也很喜欢，但是对两款车使用的不同类型动力电池感到困惑，希望小张能帮忙解答。化学电池电池作为电动汽车的主动力源，其主要功能是将化学能转换为电能，为车辆提供动力。电池的广义定义包括了所有能够将预先储存的能量转化为电能的装置。一、电池的概述物理电池生物电池（又称电化电池、电化学电池或电化学池）是指通过氧化还原反应，把正极、负极活性物质的化学能，转化为电能的一类装置。

利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，如太阳电池、超级电容器、飞轮电池、核能电池(利用放射性物质不断的辐射产生电能)，量子电池等。利用生物化学反应发电的电池，如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。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电动汽车中，而生物电池则被视为未来电动车电池的重要发展方向之一。目前电动汽车领域应用最为广泛的电池种类，如镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池、燃料电池等都属于这一范畴。从结构角度上讲，其可进一步分成蓄电池及燃料电池两大类别，我们目前所见的绝大多数电动车都采用蓄电池技术进行驱动，如丰田普锐斯、特斯拉MODELS等。当然，这里所讲的蓄电池并不是我们日常所讲的汽车电瓶，而是对可重复充电电池的统称，其中车载电瓶通常使用的铅酸蓄电池仅仅是细分门类的一种。1.化学电池1）锂电池锂电池是目前电动车上最常用的电池种类之一，虽然其从1970年诞生至今时间并不算长，但凭借能量密度高、循环使用寿命长等特点迅速占据了电动汽车电池市场的绝大部分江山。如今，在售电动汽车配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池及三元锂电池两种，且这两种电池在自身特点上存在显著差异，因此我们有必要对其进行一番细致的讲解与对比。2）磷酸铁锂电池为什么安全?对于电动车用电池，大多数人可能都鲜有认知，因此，我们不妨举个例子来帮助大家理解。由比亚迪同戴姆勒共同出资成立的全新电动车品牌腾势上市销售，而其所搭载的正是磷酸铁锂电池。

相比于早期的锰酸锂电池，磷酸铁锂电池在能量密度上并未有太大差别，约为100-110Wh/kg，但其热稳定性是目前车用锂电池中最好的，当电池温度处于500-600℃高温时，其内部化学成分才开始分解，而同属锂电池的钴酸锂电池在180-250℃时就内部化学成分就已处于不稳定状态。

换而言之，磷酸铁锂电池的安全性在锂电池中首屈一指，也正因如此，其也成为目前电动车电池的主要门类之一。3）特斯拉为何选择三元锂电池?与磷酸铁锂电池相比，特斯拉MODELS使用的三元锂电池在重量能量密度上要高出许多，约为200Wh/kg,这也就意味着同样重量的三元锂电池比磷酸铁锂电池的续航里程更长。

不过其缺点也显而易见，当自身温度为250-350℃时，内部化学成分就开始分解，因此对电池管理系统提出了极高的要求，需要为每节电池分别加装保险装置，除此之外，由于单体体积很小，所以单车要的电池单体数量非常庞大，以MODELS为例，7000余节18650三元锂电池才能满足一辆车的装配用量，这无疑又为电池管理系统进一步加大了控制难度。4）镍氢电池更注重充放电控制镍氢电池是目前除锂电池外另一主流电动车动力电池种类，于上世纪90年代后逐渐发展开来，如以丰田普锐斯为代表的很多混合动力汽车均采用此类电池作为储能元件。其能量密度与普通的锂电池差距并不大，约为70-100Wh/kg，但由于电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3，因此在需求电压一定的情况下，其电池组的体积要比锂电池大上一些。与锂电池一样，镍氢电池也需要电池管理系统，不过其更注重电池的充放电管理。之所以存在这样的区别，主要是源于镍氢电池具有“记忆效应”，即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，而过度充电或放电，都可能加剧电池的容量损耗(锂电池此项特性几乎可忽略不计)。因此对于厂商来说，镍氢电池控制系统在设定上都会主动避免过度充放电，如将电池的充放电区间人为控制在总容量的一定百分比范围内，以降低容量衰减速度。5）燃料电池是未来汽车最理想能源燃料电池其实不是“电池”，准确地说是一个大的发电系统。其因能量转换效率高、无污染、寿命长、运行平稳等特点被业界公认为未来汽车的最佳能源。简单来说，燃料电池是通过化学反应将化学能转换为电能的一种装置，而能量的来源主要是依靠不断供给燃料及氧化剂产生的。理论上讲，燃料电池能采用的燃料种类很多，甚至是传统内燃机所用燃料均可，不过真正能起电化学反应的，仅仅是其中的氢和氧化剂中的氧，因此，氢燃料电池是目前燃料电池的研究核心。就当今市场而言，燃料电池汽车离我们并不遥远。据此前报道，世界首款量产燃料电池汽车丰田FCV将于明年3月在日本正式销售。该车配备了两个70MPa的高压燃料堆，输出功率为122Ps(90kW)，续航里程可达700km(日本JC08工况下)。除此之外，其添加燃料仅需3分钟，相比传统电动汽车的充电时间要快上很多。目前在日本与之相关的各种政策也紧罗密布地相继制定出台，不过国内何时能够买到还不得而知，只能再耐心等待一段时日。物理电池顾名思义，就是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称。物理方法把热能、太阳能、原子能直接转换成电能的装置。

①太阳能(光热)电池：发电、航空

②热(熔盐)电池：用于炸弹、导弹、核弹等爆炸的引线

③原子能电池/核电池：单晶硅作为一种比较活泼的非金属元素晶体，主要应用于太阳能电池。与单晶硅太阳能电池的性能稳定，转换效率高，体积小，重量轻，适合作太空航天器上的电源。

④如超级电容、飞轮电池等都属于物理电池的家族成员。2.物理电池超级电容是一种介于传统电容与电池之间的电源元件，其主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，期间不发生化学反应，因此被归为物理电池的范畴。与之前所介绍的化学电池相比，超级电容三大明显优势，首先，其反复充放电达数十万次(传统化学电池只有几百至几千次)，寿命上要比化学电池高出很多;其次，超级电容在充放电时的功率密度极高，瞬间可放出大量电能，可满足车辆更加宽泛的电力需求;第三，工作环境适应能力更佳，通常室外温度在-40℃-65℃时，其都能稳定正常工作(传统电池一般为-20℃～60℃)。当然，有优势就会有不足，能量密度低就是制约超级电容发展的首要瓶颈，所以，目前其主要应用于车辆启动系统、军事及少量公交车辆，至于是否可作为家用车动力电源使用，还需等能量密度难题有所突破后方可知晓。1）超级电容功率密度高但电池容量小飞轮电池是上世纪90年代提出的一种新概念电池，也属于物理电池的一种。简单来说就是利用类似飞轮转动时产生能量的原理来实现自身充放电的。在2010年10月美国勒芒系列赛最后一轮中，保时捷911GT3混合动力赛车就首次正式使用飞轮电池技术，而其便是鼎鼎大名的保时捷918Spyder的前身。不过这两款车型的飞轮电池均仅作辅助能源使用，其功能类似于我们常见的制动能量回收系统。即便如此，我们依然有理由相信，随着技术的不断发展及价格进一步降低，飞轮电池的应用前景将十分广阔。2）飞轮电池目前仅作为辅助电池使用生物电池(bio-fuelcells)，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于生物电池太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的)。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。在化石燃料日趋紧张、环境污染越来越严重的今天，生物燃料电池以其良好的性能向我们展示了一个美好的发展前景。但不可否认的是，由于技术条件的制约，生物燃料电池的研究利使用还处于不成熟阶段，电池的输出功率小、使用寿命短等缺点制约其发展。3.生物电池按工作性质和储存方式（1）一次电池

俗称“用完即弃”电池或原电池，即电量耗尽后，无法再充电使用的电池，如锌锰干电池、锂原电池等。利用某种吸收剂(如木屑或明胶)使内含物成为不会外溢的糊状。干电池电量用完后不能充电，否则会发生漏液甚至爆炸。01二、化学电池的分类按工作性质和储存方式（2）二次电池二次电池又称可充电电池，充电后可多次循环使用，如镍氢电池、镍镉电池、银锌电池铅酸(或铅蓄)电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池等。01二、化学电池的分类按工作性质和储存方式（3）燃料电池

在燃料电池中，活性材料在电池工作时才连续不断从外部加入电池，如氢氧燃料电池、金属燃料电池等。01二、化学电池的分类按工作性质和储存方式（4）储备电池储备电池储存时电极板不直接接触电解液，只有在电池使用时，才加入电解液，如镁-氯化银电池，又称海水激活电池。01二、化学电池的分类按电解液种类（1）

碱性电池

碱性电池的电解质主要以氢氧化钾水溶液，如碱性锌锰电池(又称碱锰电池或碱性电池)、镍镉电池、镍氢电池等。

适用于需放电量大及长时间使用。电池内阻较低，因此产生之电流较一般锰电池为大，而环保型含汞量只有0.025%，无须回收。02二、化学电池的分类按电解液种类（2）

酸性电池

酸性电池主要以硫酸水溶液为介质，如铅酸蓄电池等。酸性蓄电池主要优点是工作电压较高，使用温度宽，高低速率放电性能良好，原料来源丰富，价格低廉。其缺点是能量密度较低，使其体积、重量较大。02二、化学电池的分类按电解液种类（3）中性电池

中性电池以盐溶液为介质，如锌锰干电池、海水电池等。02二、化学电池的分类按电解液种类（4）有机电解液电池

有机电解液电池主要以有机溶液为介质，如锂离子电池、钾离子电池等。

这种电池具有高能量密度、快速充电、长寿命和低污染等特点，广泛应用于电子设备、电动汽车和储能系统等领域。02二、化学电池的分类按正负极材料锌系列电池1）锌电池：通常指的是锌作为负极的电池，如锌锰电池等。2）锌银电池：一种以锌为负极，银或其氧化物为正极的电池，具有高能量密度和长寿命的特点。03二、化学电池的分类按正负极材料2.镍系列电池1）镍镉电池：具有可重复500次以上的充放电能力，经济耐用，但存在记忆效应。2）镍氢电池：循环寿命长、能量密度高，且环保无污染，是镍系列电池中的重要成员。03二、化学电池的分类按正负极材料3.铅系列电池铅酸电池：历史悠久、可靠性好且价格便宜，但比能量低、使用寿命相对较短。03二、化学电池的分类按正负极材料4.锂系列电池

1）锂离子电池：重量轻、储能大、无污染，被广泛应用于新能源汽车和电子设备中。2）锂硫电池：具有高能量密度和低成本的优势，是下一代储能电池的有力竞争者。3）锂聚合物电池：是锂离子电池的一种，采用聚合物电解质代替液体电解质，具有更高的安全性和更轻的重量。03二、化学电池的分类按正负极材料5.二氧化锰系列电池1）锌锰电池：包括一次性和可充电式，广泛应用于遥控器、手电筒等小型电子设备中。2）碱锰电池：是锌锰电池的一种，具有更高的能量密度和更长的使用寿命。03二、化学电池的分类按正负极材料6.空气（氧气）系列电池1）锌空气电池：以锌为负极，空气中的氧气为正极反应物，具有高能量密度和环保的特点。2）铝空气电池：以铝为负极，空气中的氧气为正极反应物，具有极高的能量密度和长寿命。03二、化学电池的分类圆柱形锂离子电池工艺成熟，组装成本低，但重量较重，比能量低。特斯拉等车型采用圆柱形锂离子电池。方形锂离子电池高硬度，重量轻，散热好，安全性较高。乘用车EV主要采用方形锂离子电池。软包锂离子电池比能量高，尺寸灵活，成本低，循环性能好。机械强度差，封口工艺较难。0201031.锂离子电池的封装方式三、常见车用锂离子电池01圆柱形锂离子电池1.锂离子电池的封装方式根据IEC61960标准，二次锂电池型号的命名规则如下：三元锂02方形锂离子电池1.锂离子电池的封装方式方形锂离子电池的前两位数字表示电池的厚度，单位mm；中间两位数字表示电池的宽度，单位mm；后两位数字表示电池的高度。如ICP383450型号，就是指实体部分厚3.8mm、宽34mm、高度（长度）50mm的方形锂离子电芯。若电池型号后带P，表示功率型，此电池可以大倍率放电；若带E，表示容量型，属大容量电池。03软包锂离子电池1.锂离子电池的封装方式软包锂离子电池只是液态锂离子电池套上一层聚合物外壳；在结构上采用铝塑膜包装，软包锂离子电池的机械强度不高，在出现安全事故如内短路等情况下，电池容易鼓起排气，降低了爆炸风险，在发生安全隐患的情况下软包电池最多只会鼓气裂开。

圆柱形锂离子电池方面，目前中、日、韩等都有成熟的生产企业，采用圆柱形锂离子电池的代表车型为特斯拉。

方形锂离子电池壳体多为铝合金，内部采用卷绕式或叠片式工艺，机械强度高，对电芯的保护作用优于软包电池，在安全性方面，方形锂离子电池含有防爆阀，安全性能比圆柱形锂离子电池好。目前乘用车EV主要采用方形、圆柱形和软包锂离子电池;PHEV主要采用方形和软包锂离子电池。商用车主要采用方形和软包锂离子电池，低速车和物流车主要采用圆柱形和软包锂离子电池。锰酸锂离子电池磷酸铁锂离子电池安全性能好，循环使用寿命长，但能量密度较低。适用于需要高安全性和长寿命的应用场景。钛酸锂离子电池能量密度高，放电倍率高，低温性能好。成本高，安全性较差，适用于对能量密度要求高的场景。成本低，安全性好，但能量密度不高，循环寿命衰减快。逐渐退出车用动力电池应用。快充性能好，循环寿命长，安全性能好，低温性能差。能量密度低，成本高，适用于特定场景。三元锂离子电池2.按正极材料分类正极材料钛酸锂离子电池（负极）(LTO)锰酸锂离子电池(LMO)磷酸铁锂离子电池(LFP)三元锂离子电池(NCM)能量密度理论极限（W·h/kg）80100180280标称电压（V）2.23.73.33.7循环寿命10000600-10002000-30002000安全性好较好好较差成本最高最低较低高三元锂离子电池优点：电压平台高能量密度高一致性好低温性能好三元锂离子电池缺点：热稳定性差（250℃～350℃化学成份分解）成本高（每W·h价格高出30%）安全性差循环寿命短1）磷酸铁锂离子电池2.按正极材料分类优点:①安全性能好。可以在390℃以内的高温下保持稳定，不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧，可以轻松通过针刺实验。

②循环使用寿命较长。理论循环使用寿命为2000-3000次，装车正常可以使用到7-8年。实验显示，经过3000次0-100%的充放电使用，磷酸铁锂离子电池的容量也才会衰减到80%。

③热稳定性好。当电池温度处于500-600℃高温时，其内部化学成分才开始分解。缺点:

①能量密度较低。磷酸铁锂离子电池能量密度理论极限为170Wh/kg，形成动力电池系统的能量密度在100Wh/kg左右，和三元锂离子电池相比有不小差距，这对整车的续驶里程有一定影响。

②电池容量较小。同样的电池容量，磷酸铁锂电池的重量更重、体积更大，也影响了其续航里程。

③低温充放电性能较差。在低温时充电对电池寿命有极大的影响，低温放电容量及放电功率也有所下降，因此冬季低温时整车会出现续航里程低及动力性下降的现象。2）三元锂离子电池2.按正极材料分类镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂作为三元正极材料的锂离子电池，优点：①能量密度高。三元锂离子电池的理论能量密度达280Wh/kg。②与磷酸铁锂电池相比，放电倍率高，一致性好和SOC估算简便。③低温性能好，动力电池系统可实现-20℃直接充电，这大幅缩短了冬季充电时间。缺点:①热稳定性不如磷酸铁电池，当其自身温度达到250℃-350℃时，内部化学成分就开始分解。②成本高。对比磷酸铁锂离子电池，每Wh价格高出30%左右，一定程度上增加了整车的制造成本。③安全性对较磷酸铁锂离子电池要差。三元材料的脱氧温度是200℃；放热能量超过800J/g，并且无法通过针刺实验，这就表明了三元电池在内部短路，电池外壳损坏的情况下，很容易引发燃烧、爆炸等安全事故。④循环使用寿命短。由于三元锂离子电池材料本身的性质，导致三元锂离子电池在循环使用寿命上相对较短。3）锰酸锂离子电池2.按正极材料分类特点：①锰酸锂离子电池标称电压达到3.7V；②能量密度中等；③由于锰元素储量高；④资源丰富；⑤生产制造锰酸锂离子电池的成本也较低；⑥同时锰酸锂离子电池的安全性较好，在第一代车用动力电池中被广泛使用。缺点：

①能量密度不高；

②循环寿命衰减较快；现已逐渐退出车用动力电池应用。4）钛酸锂离子电池2.按正极材料分类特点：①钛酸锂离子电池快充性能好；②放电倍率大；③循环寿命长；④安全性能好；⑤低温性能好。缺点：①能量密度低；②成本高；只在个别电动客车上使用，如银隆电动客车。02单体电池的结构原理一、铅酸电池

引入：

铅酸电池发明已有150多年，目前在所有化学电源中，铅酸电池生产规模最大，单就起动蓄电池而言，全世界年产量达10亿只之多，每年生产铅酸电池消耗的铅质量约200万吨，占全年全球铅总产量的一半以上。作为发展历史最悠久的动力电池，铅酸电池技术成熟、性能可靠、成本低廉、维护方便，在储能电源、起动电源、车载电源等领域仍然应用广泛。1、铅酸电池的类型根据铅酸电池的作用可将其分为三种类型：①起动式铅酸蓄电池（Starterbatteries)。②牵引式铅酸蓄电池(Tractionbatteries)。③固定式铅酸蓄电池(Stationarybatteries)

类型常用容量/A·h正极板负极板特点起动式铅酸蓄电池5~200涂膏式涂膏式比功率高、比能量高牵引式铅酸蓄电池40~1200管状涂膏式可深度充放电固定式铅酸蓄电池40~5000板状涂膏式比能量较低、自放电率小2、铅酸电池的储能原理铅酸电池的放电时的电化学反应被称为双硫化反应，正极成流反应为:负极成流反应为:电池总反应:

（1）铅蓄电池的放电

当铅蓄电池的正、负极板浸入电解液中时，在正、负极板间就会产生约2.1V的静止电动势，此时若接入负载，在电动势的作用下，电流就会从蓄电池的正极经外电路流向蓄电池的负极，这一过程称为放电，蓄电池的放电过程是化学能转变为电能的过程。放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb，都与电解液中的H2SO4反应生成硫酸铅（PbSO4），沉附在正、负极板上。电解液中H2SO4不断减少，密度下降。

理论上，放电过程可以进行到极板上的活性物质被耗尽为止，但由于生成的PbSO4沉附于极板表面，阻碍电解液向活性物质内层渗透，使得内层活性物质因缺少电解液而不能参加反应，因此在使用中被称为放完电蓄电池的活性物质利用率只有20％～30％。因此，采用薄型极板，增加极板的多孔性，可以提高活性物质的利用率，增大蓄电池的容量。（1）单格电池电压降到放电终止电压；（2）电解液密度降到最小许可值。

放电终止电压与放电电流的大小有关。放电电流越大，允许的放电时间就越短，放电终止电压也越低。如下所示。蓄电池放电终了特征放电电流（A）0.05C20

0.1C200.25C20C203C20放电时间20h10h3h25min5min单格电池终止电压（V）1.751.701.651.551.50C20——蓄电池的额定容量

（2）铅蓄电池的充电

充电时，蓄电池的正、负极分别与直流电源的正、负极相连，当充电电源的端电压高于蓄电池的电动势时，在电场的作用下，电流从蓄电池的正极流入，负极流出，这一过程称为充电。蓄电池充电过程是电能转换为化学能的过程。充电时，正、负极板上的PbSO4还原成PbO2和Pb，电解液中的H2SO4增多，密度上升。

当充电接近终了时，PbSO4已基本还原成PbO2和Pb，这时，过剩的充电电流将电解水，使正极板附近产生O2从电解液中逸出，负极板附近产生H2从电解液中逸出,电解液液面高度降低。因此，铅蓄电池需要定期补充蒸馏水。蓄电池充足电的标志是：（1）电解液中有大量气泡冒出，呈沸腾状态；（2）电解液的密度和蓄电池的端电压上升到规定值，且在2～3h内保持不变。3、蓄电池的结构

如图所示为蓄电池的构造图。它由三个相同的单格电池组成。每个单格电池的电压为2V。用联条把各单格串联起来，便成了一个蓄电池。这种蓄电池主要由极板、隔板、电解液、外壳（容器）等组成。极板是蓄电池的核心部分，极板分正极板和负极板，极板做成栅架（网架）形式，上面附满活性物质。蓄电池的充电和放电，就是靠正、负极板上活性物质与硫酸溶液的化学反应来实现的。极板构造如图所示。（1）极板与极板组正极板上活性物质为二氧化铅（PbO２）呈棕红色；负极板上活性物质为海绵状纯铅（Pb），呈青灰色。栅架的作用固结活性物质。栅架一般由铅锑合金铸成，具有良好导电性、耐蚀性和一定机械强度。铅占94%，锑占6%。加入锑是为了改善力学强度和浇铸性能。为了增加耐腐蚀性，加入0.1%~0.2%的砷，提高硬度与机械强度，增强抗变形能力，延长蓄电池使用寿命。（2）栅架将二氧化铅与稀硫酸调成膏状，涂在栅架上，就成了正极板；将纯铅粉与稀硫酸调成膏状涂在栅架上，就成了负极板。（1）隔板的作用：把正、负极板隔开，防止正、负极板互相接触造成短路。（2）隔板常用材料：隔板要耐酸、具有多孔性，以利于电解液的渗透。常用的隔板材料有木质、微孔橡胶和微孔塑料等。微孔塑料隔板孔径小、孔率高、成本低，因此被广泛采用。（3）隔板在正、负极板中间插入一隔板，极板组便成为单格电池。由于正极板上活性物质较疏松，机械强度低，如果极板的两面放电不均，就会形成正极板拱曲而使其上的活性物质脱落。因而用两片负极板夹一片正极板的办法。将正、负极板各一片浸入电解液中，可获得2V左右的电动势。

将一定数量的正负极板组装起来，中间插进隔板，就组成了电池组。在每个电池组中，正极板的片数要比负极板少一片。（4）单格铅酸电池（5）电解液电解液是蓄电池内部发生化学反应的主要物质，蓄电池电解液是用纯净硫酸和蒸馏水（去离子水）按一定比例配制而成的。电解液的纯度和密度对电池容量和寿命有重要影响。电解液中硫酸密度高，可增强化学反应，提高电动势。冬季还可避免电解液冻结。但密度过高，会使极板腐蚀作用加快，缩短极板与隔板的使用寿命。电解液的比重一般为1.24～1.28（20℃）。气温高的地区或季节，应采用较低密度；气温低的地区或季节，应采用较高密度。（6）外壳

外壳用硬橡胶或塑料制成。内用间隔分隔成几个单格，每个单格内放入极板组和电解液便组成一个单格电池。壳的底部有凸起的筋条（突棱）用来放置极板组。各单格电池极板组的正、负极柱，用联条接成串联，即一个单格电池的正极柱和相邻单格电池的负极柱相连。加液口上有盖，盖上有通气孔，它们应保持畅通，以防外壳内气体增多而把外壳胀裂。二、镍氢电池任务描述镍氢电池作为美、日等国家的油电（非插电式）混合动力汽车的首选，电池的特点决定了其使用环境。本节以丰田混合动力汽车为例介绍镍氢蓄电池结构、原理等知识。

镍氢(MH-Ni)电池是在Ni-Cd电池的基础上发展起来的，相对于镍镉电池，其最大的优点是环境友好．不存在重金属污染。民用镍氢电池又是以航天用高压镍氢电池为基础，由于高压镍氢电池采用高压氢，而且还需要用贵金属作催化剂，这就很难为民用所接受。自20世纪70年代中期，研究者开始探索民用的低压氢镍电池。镍氢电池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本开始规模生产。1.镍氢电池结构

包括以镍的储氢合金为主要材料的负极板、具有保液能力和良好透气性的隔膜、碱性电解液、金属壳体、具有自动密封的安全阀及其他部件。

储氢合金在进行吸氢／放氢化学反应(可逆反应)的过程中，也伴随着放热／吸热的热反应(可逆反应)，同时也产生充电／放电的电化学反应(可逆反应)。具有实用价值的储氢合金应该具有储氢量大、容易活化、吸氢／放氢的化学反应速率快、使用寿命长及成本低廉等特性。2.镍氢电池工作原理

镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性物质为H2(放电时)和H2O(充电时)，电解液采用30%的氢氧化钾溶液．电化学反应如下：

负极反应式：

正极反应式：

电池反应式：(1)负极反应负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子Cd2+，然后立即与溶液中的两个氢氧根离子OH-结合生成氢氧化镉Cd(OH)2，沉积到负极板上。（2）正极反应正极板上的活性物质是氢氧化镍（NiOOH）晶体。镍为正三价离子（Ni3+），晶格中每两个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子，生成两个二价离子2Ni2+。与此同时，溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶格上的两个氧负离子结合，生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起，与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体。3.结构特点

镍氢电池放电时，正极上NiOOH得到电子还原成为Ni(OH)2；负极金属氢化物(MHx)内部的氢原子扩散到表面形成吸附态氢原子，接着再发生电化学反应生成水和储氢合金。在镍氢电池出现过放电时，正极活性物质中的NiOOH已经消耗完了，这时正极上会发生水分子被还原为氢和OH-离子。负极上由于储氢合金的催化作用，使OH-离子与氢反应又生成水。

为了防止充电过程后期电池内压过高，电池中装有防爆装置。当镍氢电池过充电时，金属壳内的气体压力将逐渐上升。当该压力达到一定数值后，顶盖上的限压安全排气孔打开，因此可以避免电池因气体压力过大而爆炸。4、镍镉电池的特性

镍镉电池标称电压为1.2V，具有使用寿命长(可充放电循环1000次以上)、机械强度高、密封性能好、使用温度范围大(-40～+50℃)维护保养方便、能耐受大电流(高于正常使用电流的几倍乃至10倍)的瞬时冲击等优点。(1)充放电性能镍镉电池的标准电动势是1.299V，额定电压是1.2V，平均工作电压为1.20～1.25V。剐充完电的电池开路电压较高，可以到达1.4V以上，放置一段时间，正极不稳定的NiO2发生分解，开路电压会降低到1.35V左右。(2)倍率持续放电特性动力镍镉电池允许大电流放电而不会损坏，允许放电倍率在10C以上，但是大电流放电时，电压下降很快，电池可放出的能量下降。(3)高低温放电性能温度升高时，镍镉电池的容量会增加，但温度超过50℃时，电池可能失效。低温情况下，镍镉电池的容量下降。如-45℃以O.2C放电镍镉电池一般只能提供50%左右的额定容量；-18℃以3C放电一般可以放出30%以上的额定容量。(4)耐过充电和过放电性能镍镉电池具有很好的耐过充电和过放电能力。1C恒电流持续充电2h，或强迫过放电不超过2h，电池不会损坏。铅酸及锂离子电池在这种情况下，将产生永久的损坏。5.镍镉电池应用存在的问题（1）记忆效应

镍镉电池长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象称为电池记忆效应。比如，镍镉电池长期只放出80%的电量后就开始充电，一段时间后，电池充满电后也只能放出80%的电量。

记忆效应的出现主要是由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块，造成Ni电极膨胀或生成不导电的Ni(OH)2，从而引起电池电压下降或容量减少，使电池放电时形成次级放电平台。镍镉电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。（2）环境污染

镉是镍镉电池的必备原材料，但有大量研究表明，在人体内，镉的半衰期长达730年，可蓄积50年之久，摄入或吸人过量的镉可引起肾、肺、肝、骨、生殖效应及癌症。基于环境保护的原因，许多发达国家已建议禁止使用镍镉电池。6、镍氢电池与镍镉电池的对比分析同镍镉电池相比，镍氢电池具有以下显著优点：1)能量密度高，同尺寸电池，容量是镍镉电池的1.5～2倍。2)环境相容性好,无镉污染，3)可大电流快速充放电，充放电倍率高。4)无明显的记忆效应。5)低温性能好，耐过充放能力强。6)工作电压与镍镉电池相同，为1.2V。镍氢电池的缺点是自放电与寿命不如镍镉电池。

镍氢电池是镍镉电池的换代产品，电池的物理参数，如尺寸、质量和外观完全可与镍镉电池互换，电性能也基本一致，充放电曲线相似，放电曲线非常平滑，电快要消耗完时，电压才会突然下降，故使用时完全可替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。7.镍氢动力电池在电动汽车上的应用

镍氢电池能满足混合动力电动汽车高功率密度的要求，该类电池目前在混合动力电动汽车尤其是在日系车型中应用广泛，如丰田凯美瑞混合动力车、普锐斯、雷克萨斯CT200.本田思域CIVIC等。福特公司推出的Escape混合动力汽车也采用了额定电压在300V左右的镍氢电池组。

普锐斯的HV蓄电池采用的就是288V，6.5A·h的镍氢动力电池。该电池组可以通过发电机和电动机实现充放电，且输出功率大、重量轻、寿命长、耐久性好。三、锂离子电池任务描述

随着新能源汽车的不断发展，人们对其续驶里程要求不断提升。对于车企来说，只能选择能量密度高、循环寿命长的锂离子电池替代传统能量密度低的电池，满足社会使用的需求。本任务主要进行锂离子电池的工作原理、应用车型等讲解。1、锂离子电池的类型

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(LithiumIonBattery，LIB)和聚合物锂离子电池(PolymerLithiumIonBattery，LIP)两大类。

液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料都是相同的，工作原理也基本一致。2、锂离子电池的结构

锂电池的结构形式常见的有圆柱碳包式、方型叠片式、圆柱叠片式、圆柱卷绕式、方型卷绕式等。电池容量从几十毫安时到几千安时不等。正极：采用锂化合物LiXCoO2（钴酸锂）、LiXNiO2

（镍酸锂）、LiFePO4（磷酸铁锂）、LiXMnO2

（锰酸锂）、Li3TiO3（钛酸锂）、以及三元材料Li(NiCoMn)O2）镍钴锰酸锂；这些锂化合物材料是晶状体结构材料。负极：采用锂-碳层间化合物LiXC6。电解质：为溶解有锂盐LiPF6

、LiAsF6等有机溶液。隔膜：只允许锂离子Li+往返通过，阻止电子e-通过，在正负极之间起到绝缘作用。拆去塑料包装外皮拆解波士顿三元电池分开顶部结合处，可以嗅到电解液的酸味翻起上面，看到卷绕的电芯和正负电极极耳当把正负极与铝外壳接触时，会短路放电燃烧。拆解18650锂离子电池18650电芯的是由外壳、正极、负极、薄膜和电解质五部分组成的，18650电芯的直径为18mm，长度为65mm，非常容易识别。出于安全考虑，在电池正极位置通常会加置一个灰色的绝缘片。正极铜箔隔膜、电解液负极铝箔3、锂离子电池的工作原理

充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。

放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。

正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构；在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。

因此，从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。3、锂离子电池的工作原理正极反应式：负极反应式：电池反应式：式中：M—Co、Ni、W、Mn等金属元素。充电时3、锂离子电池的工作原理举例：钴酸锂离子电池的工作原理摇椅电池4、锂离子电池的工作特性1)充放电特性恒压充电时，充电电流不断下降，当充电电流降到低于0.1C时，就认为电池被充分充电了。但恒压充电这种方式需很长的充电时间。兼顾充电过程的安全性、快速性和高效性，锂离子电池常采用先恒流后恒压的充电方式。对于放电电压低于3V的电池，一开始就采用大电流充电对电池是一种损害，这时采用0.1C的小电流进行涓流预充电，可有效修复过放电的电池。因此恒流恒压充电方式通常包括三个过程：预充电、恒流充电、恒压充电。

为三元锂离子电池的采用先恒流后恒压充电方式时充电特性，恒流电流为0.2-1C，恒压充电电压4.2V。从图中可以看出，1C恒流充电结束时，电池容量已达到80%以上，充电时间约为50min左右。（2）锂离子电池的放电特性放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在2-3C。更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。

同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，因此电池的放电容量将会降低。在过放电(低于3.0V)时，还会造成电池的失效。2)安全性

锂离子电池在热冲击、过充、过放和短路等滥用情况下，其内部的活性物及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。3)热特性

电池放电电流越大时，正极耳处的温度上升越快，并且温度极值越高。在环境温度较高，并且电池大功率放电的情况下，必须采用散热措施，以避免安全问题。

充电倍率越大，电池温度上升越快，并且温度峰值也越大。5、锂离子电池的优点

1)工作电压高。钴酸锂3.6V，锰酸锂3.7V，磷酸铁锂3.2V。

2)比能量高。理论比能量可达200W·h／kg以上，实际应用中也可达140W·h/kg。3)循环寿命长。深度放电循环次数可达1000次以上；低放电深度循环次数可达上万次。

4)自放电小。自放电率仅为总容量5％～9％。

5)无记忆效应。

6)环保性高。不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的绿色电池。1、氢燃料电池的概述氢燃料电池属于燃料电池中的一种，它是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，又称电化学发电器。它是继火电、水电、核电之后的第四种发电装置。基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散，和电解质发生反应后，放出的电子通过外部的负载到达阴极。四、氢燃料电池与其他类型动力电池氢燃料电池在工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子离子和电子，氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电负载接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子和抵达正极的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程，这就是氢燃料电池原理。2、氢燃料电池的工作原理氢燃料电池工作原理丰田MIRAI佛山氢燃料公交车佛山氢燃料加注站3、氢燃料电池的应用033典型的动力单体电池一、18650电池电池由正极、负极、隔膜、集电极、安全阀、过流保护装置、绝缘件和壳体组成。壳体通常为铝壳。内部组成过流保护装置包括PTC正温度系数电阻和一次性熔断装置，用于防止电池过热和短路。过流保护基本构造一致性单体一致性好，有利于电池系统的稳定运行。圆柱形结构提供良好的力学性能，耐压强度高。力学性能技术成熟，生产成本低，市场应用广泛。成本效益优劣分析系统复杂性电池系统因单体数量大而变得复杂，增加了系统成本。能量密度限制能量密度提升空间有限，难以满足更高能量需求。二、21700电池“21”表示电池的直径为21，“70”表示电池的长度为0，“00”则是表示这是一种圆柱形电池的标准后缀。尺寸变化采用镍钴锰酸锂三元正极材料，提供更高的能量密度。材料应用设计特点020301单体比能量高，减少了电池数量，从而减轻了整车重量。重量减轻电池节数减少，降低了系统管理难度和成本。性价比提升能量密度显著提升，满足更高续航需求。能量密度优劣分析工艺技术相对不成熟，生产效率和稳定性有待提高。技术成熟度三、

4680电池创新设计结构优化采用无极耳设计，提升了电池的热管理效率和功率输出。直径和高度的增加，提高了电池的能量密度。无极耳技术能量密度能量密度显著提升，续航里程增加。散热性能采用激光雕刻的无极耳技术，优化了散热性能。成本效益每千瓦时成本下降，提高了电池的经济性。优劣分析新的设计和技术要求更高的制造精度和成本。制造挑战四、麒麟电池采用CTP技术，省去了模组组装环节，提高了空间利用率。结构简化多功能弹性夹层设计，提升了电池的散热和安全性。多功能夹层CTP技术双面冷却设计，提升了温控效率。01极速温控支持高压快充技术，缩短充电时间。02快充支持电池设计考虑了膨胀缓冲，延长了电池寿命。03长寿命设计优势分析高新技术的应用可能会导致初期成本较高。成本问题五、刀片电池02散热优化刀片形状设计，提高了电池包的空间利用率。01结构创新液冷板和导热层设计，提升了散热效率。磷酸铁锂应用取消了模组设计，提高了体积能量密度。结构强度结构优化减少了零部件数量，降低了成本。能量密度成本效益电芯充当结构梁，提高了电池包的整体强度。优势分析维修成本电芯固定方式导致维修成本高。供应商依赖对供应商的技术和生产依赖性强。0102劣势探讨04电池的参数一、电压参数（1）电动势：电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一，电池的电动势是热力学的两极平衡电极电位之差。（2）开路电压：开路电压是指在开路状态下(几乎没有电流通过时)，电池两极之间的电势差，一般用C开表示。（3）额定电压：额定电压也称公称电压或标称电压，是指在规定条件下电池工作的标准电压。采用额定电压可以区分电池的化学体系。（4）工作电压：工作电压是指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称负荷(载)电压或放电电压。工作电压低于开路电压，当然也必然低于电动势。（5）放电终止电压也称放电截止电压，是指电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。不同类型的电池及不同的放电条件，放电终止电压是不同的。一般而言，低温或大电流放电时，终止电压规定得低些；小电流或间歇放电时，终止电压值规定得高些。电池类型单体额定电压/V铅酸电池（VRLA）2镍镉电池（Ni-Cd）1.2镍锌电池（Ni-Zn）1.6镍氢电池（Ni-MH）1.2锌空气电池（Zn/Air）1.2铝空气电池（Al/Air）1.4钠氯化镍电池（Na/NiCl2）2.5钠硫电池（Na/S）2.0锰酸锂电池（LiMn2O4）3.7磷酸铁锂电池（LiFePO4）3.2表1-1常用不同电化学体系电池的单体额定电压值。二、容量参数

电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池容量，以符号C表示。其单位常用A·h或mA·h表示（1）理论容量(C0)，即假定活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。理论容量可根据活性物质的数量按法拉第定律计算求出。（2）额定容量（C），即按国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件（如温度、放电率、终止电压等）下应该放出的最低限度的容量。（3）实际容量（C），在工作中电池实际放出的电量，是放电电流与放电时间的积分，实际放电容量受放电率的影响较大，所以常在字母C的右下角标明放电率，如C20=50A·h，表明在20小时率下的容量为50A·h。由于电池内阻和其他原因，活性物质不可能完全被利用，所以实际容量、额定容量总是低于理论容量。（4）剩余容量。剩余容量是指在一定放电倍率下放电后，电池剩余的可用容量。剩余容量的估计和计算受到电池前期放电率、放电时间等因素以及电池老化程度、应用环境等多种因素影响，所以在准确估算上存在一定的困难。三、内阻参数

电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻，由于电池内阻的作用，放电时端电压低于电动势和开路电压，充电时充电端电压高于电动势和开路电压。电池内阻是非常重要的参数，它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等，实用的化学电源，其内阻越小越好。

动力电池工作时常处于大电流、深放电状态，内阻引起的压降很大，对整个电路的影响不能忽略。产生结果:由于内阻的存在,当电池放电时,电流经过内阻要产生热量,消耗能量电流越大,消耗能量越多,所以内阻越小,电池的性能越好,不仅电池的实际工作电压高,消耗在内阻上的能量也少。（2）极化内阻（1）欧姆极化

欧姆极化是由于电解液、电极材料以及导电材料之间存在的接触电阻所引起的极化。充放电过程中，为了克服欧姆内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，就出现了所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成电池在充电过程中温度升高。（2）浓差极化

电流流过电池时，为了维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓差极化。（3）电化学极化

电化学极化是由于电极上进行的电化学反应的速度落后于电极上电子运动的速度造成的。不管哪种极化，如果极化现象严重，都将对电池造成不可逆的损坏。四、能量与能量密度

电池的能量是指电池在一定放电制度下，电池所能释放出的能量，通常用W·h或kW·h表示。

(1)理论能量

假设电池在放电过程中电压保持电动势

的数值，而且活性物质的利用率为100%，在此条件下电池所输出的能量为理论能量W0，即：(2)实际能量

实际能量是指电池放电时实际输出的能量，数值上等于电池实际放电电压、放电电流与放电时间的积分，在实际应用中，估算常采用电池组额定容量与放电平均电压乘积进行电池实际能量的计算。

由于活性物质不可能完全被利用，电池的工作电压总是小于电动势，所以电池的实际能量总是小于理论能量。（3）能量密度

电池的能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，相应地称为质量能量密度(W·h/kg)或体积能量密度(W·h/L)，也称质量比能量或体积比能量。

在电动汽车应用方面，蓄电池质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能量影响到蓄电池的布置空间。

比能量也分为理论比能量

和实际比能量。五、功率与功率密度

六、输出效率

七、荷电状态

电池荷电状态(stateofcharge，SOC)描述了电池的剩余电量，是电池使用过程中的重要参数，此参数与电池的充放电历史和充放电电流大小有关。荷电状态值是个相对量．一