《新能源汽车概论（第2版）》课件-03项目三动力电池与动力电池管理系统

项目三

动力电池与动力电池管理系统学习任务一

电池基础目录目录电池的分类一电池的性能指标二电动汽车对动力电池的要求三复习题四学习任务1电池基础学习目标：✦了解电池的性能指标。✦了解电动汽车对动力电池的要求。✦解汽车尾气中对人体有哪些有害物质。

素养目标：✦养成关注电池参数的习惯✦培养学生分析电池技术参数的能力一、电池的分类电动汽车常用的电能储存装置有蓄电池、燃料电池、太阳电池、超级电容器和飞轮电池等。其中蓄电池是电动汽车最广泛使用的能量存储装置，也是目前制约电动汽车发展的关键因素。电池是电动汽车的主动力源，是电能的存储装置，它主要分为化学电池、物理电池和生物电池三大类，如图3-1-1所示。学习任务1电池基础图3-1-1电池的类型二、电池的性能指标电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、放电倍率、使用寿命等，根据电池种类不同，其性能指标也有差异。这些是评定电池的十几效率的重要指标。1.电压电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压等。（1）端电压电池正极与负极之间的电位差称为电池端电压。（2）开路电压电池在没有负载情况下的端电压称为开路电压。（3）额定电压电池在标准规定条件下工作时应达到的电压称为额定电压。学习任务1电池基础（4）充电终止电压蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。（5）放电终止电压电池放电时允许的最低电压称为放电终止电压。如果电压低于放电终止电压后电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。学习任务1电池基础2.容量电池的容量是指电池在一定的放电条件下所能放出的电量。常用单位为安培•小时（A•h），它等于放电电流与放电时间的乘积。电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容量等。（1）理论容量把活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值称为理论容量，单位为A•h/L或A•h/kg。（2）实际容量电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积称为实际容量，单位为A•h，其值小于理论容量。实际容量反映了电池实际存储电量的大小，电池容量越大，电动汽车的续驶里程就越远。在使用过程中，电池的实际容量会逐步衰减。国家标准规定新出厂的电池实际容量大于额定容量值为合格电池。学习任务1电池基础（3）标称容量用来鉴别电池的近似安时值称为标称容量。（4）额定容量按国家或有关部门颁布的标准，保证电流在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量称为额定容量或保证容量。3.内阻电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。通常在计算电池池内阻时，都是用电池电压除以短路电流。充电电池的内阻很小，不可能使用仪表直接短路电池来进行短路电流的测量，而是需要专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。对与可充电电池而言，电池内阻有可分为充电状态内阻和放电状态内阻。学习任务1电池基础4.能量（1）理论能量理论能量是指电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件，电池所输出的能量。（2）实际能量实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量。（3）比能量比能量也称质量比能量，是指电池单位质量所能输出的电能，单位是w•h/kg，常用比能量来比较不同的电池系统。

电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定续驶里程的重要指标。（4）能量密度能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的电能，单位是w•h/L。学习任务1电池基础5.功率电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，单位为w或kw。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。功率分为比功率和功率密度。比功率是指单位质电池所能输出的功率，也称质量比功率，单位为W/kg或kW/kg。功率密度是指单位体积电池所能输出的功率，也称体积比功率，单位为W/L或kW/L。6.输出效率动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把化学能转化为电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损托，这通常叫电池的容量效率和能量效率来表示。学习任务1电池基础7.自放电率自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。8.放电倍率电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示.即电池的放电倍率用放电时间衣示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电时间越短，即放电倍率越高，则放电电流越大。放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大小，可分为低倍率（小于0.5C）、中倍率（0.5-3.5C）、商倍率（3.5-7.0C）、超高倍率（大于7.0C）。9.使用寿命使用寿命退指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重使用的次数。学习任务1电池基础三、电动汽车对动力电池的要求电动汽车对动力电池的要求主要有：①比能量高；②比功率大；③均匀一致性好；④循环寿命长；⑤高低温性能好、环境适应性强；⑥安全性好；⑦成本低，价格低廉；⑧绿色环保。学习任务1电池基础一、选择题（1）（

）是电动汽车最广泛使用的能量存储装置，也是目前制约电动汽车发展的关键因素。A、蓄电池

Ｂ、燃料电池Ｃ、超级电容器Ｄ、飞轮电池（2）电池是电动汽车的主动力源，是电能的存储装置，它主要分为（

）大类Ａ、５Ｂ、４Ｃ、３Ｄ、２（3）化学电池按工作性质分为（

）类Ａ、５Ｂ、４Ｃ、３Ｄ、２（4）属于物理电池的是（

）。Ａ、铅酸蓄电池Ｂ、镍氢电池Ｃ、热电池Ｄ、超级电容器（5）下面说法有误的是（

）。Ａ、电池的性能指标根据电池种类不同，其性能指标也有差异。Ｂ、电池正极与负极之间的电位差称为电池开路电压。Ｃ、电池在标准规定条件下工作时应达到的电压称为额定电压。Ｄ、电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。学习任务1电池基础复习题二、判断题（1）电池是电动汽车的主动力源，是电能的存储装置。（

）（2）电池的性能指标根据电池种类不同，其性能指标却是相同的。（

）（3）电池的性能指标主要有电压、电流、内阻、功率、功率、放电倍率、使用寿命等。（

）（4）电池的功率是指电池在一定放电制度下，单位时间内所输出能量的大小。（

）（5）飞轮电池属于化学电池。（

）学习任务1电池基础学习任务二

蓄电池目录目录铅酸蓄电池一镍系电池二锂离子电池三金属空气电池四复习题五学习任务2蓄电池学习目标：✦了解铅酸蓄电池的类型、基本结构与工作原理。✦了解镍系电池的类型、基本结构与工作原理。✦知道锂离子电池的类型、基本结构与工作原理。✦知道金属空气电池的类型、基本结构与工作原理。

素养目标：✦养成关注电池新技术发展的习惯✦培养学生分析电池技术参数的能力一、铅酸蓄电池电动汽车使用的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电浊、锂离子电池、锌镍电池、空气电池等。1.铅酸蓄电池的分类常用的铅酸蓄电池主要分普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三大类。（1）普通蓄电池普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。（2）干荷蓄电池干荷蓄电池的全称是干式荷电铅酸蓄电池，它的主要特点是负极板有较高的储电能力，在完全干燥状态下，能在两年内保存所得到的电量，使用时，只需加入电解液，等过20—30分钟就可使用。（3）免维护蓄电池免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。学习任务2蓄电池2.铅酸蓄电池的结构每个蓄电池的基本模块都是单电池，如图3-2-1所示。单电池由一个极板组构成，它是由一个正极板组和一个负极板组组合而成的。极板组由电极和隔板构成。每个电极都是由一个铅栏板和活性物质构成的。隔板（微孔绝缘材料）用于分离不同极性的电极。电极或极板组在充满电时沉浸在38%浓度的硫酸溶液中（电解液）。学习任务2蓄电池图3-2-1铅酸蓄电池的结构3.铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池的工作原理，如图3-2-2所示。充电指的是将电能回充到蓄电池中。充电过程中将电能转化为化学能。放电指的是从蓄电池中提取电能。放电过程中将化学能转化为电能。学习任务2蓄电池图3-2-2铅酸蓄电池的工作原理镍系电池根据负极所用材料的不同有镍氢电池、镍镉电池和镍锌电池，以在混合动力汽车应用最多的镍氢电池为例。1.镍氢电池的分类镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池根据形状可分为方型镍氢电池和圆形镍氢电池，如图3-2-3所示。学习任务2蓄电池图3-2-3镍氢电池的类型二、镍系电池2.镍氢电池的结构镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在钢壳中。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。3.镍氢电池的工作原理充电时正极的Ni(OH)2和OH-反应生成NiOOH和H2O，同时释放出e-一起生成MH和OH-，总反应是Ni(OH)2和M生成NiOOH，储氢合金储氢；放电时与此相反，MHab释放H+，H+和OH-生成H2O和e-，NiOOH、H2O和e-重新生成Ni(OH)2和OH-，如图3-2-4所示。学习任务2蓄电池图3-2-4镍氢电池的工作原理镍氢电池的工作状态可以划分为三种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。在不同工作状态下，电池内部发生的电化学反应是不同的，如图3-2-5所示。学习任务2蓄电池图3-2-5镍氢电池的在不同工作状态的化学反应锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+

在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。1.锂离子电池的类型根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池（LiquifiedLithium-IonBattery，简称为LIB）和聚合物锂离子电池（PolymerLithium-IonBattery，简称为PLB）两种。锂离子电池的外形常见的有菱柱型、圆柱形和袋形三种，如图3-2-6所示。学习任务2蓄电池图3-2-6锂离子电池的外形三、锂离子电池2.锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和排气孔等组成。圆柱形锂离子电池结构如图3-2-6所示。（1）正极正极物质为嵌锂过渡金属氧化物。（2）负极负极活性物质为电位接近锂电位的可嵌入锂化合物。（3）分隔器隔板的功能是关闭或阻断通道的作用，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜，主要材料有PE、PP或它们的复合膜，PP/PE/PP三层隔膜等。（4）电解液电解液是以LIPF6的烷基碳酸酯搭配高分子材料混合溶剂为主体的有机电解液。（5）安全阀为了保证锂离子电池的使用安全性，一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。学习任务2蓄电池3.锂离子电池的工作原理锂离子电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiC2或LiNn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液。如图3-2-7所示为锂离子电池的工作原理，当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。当对电池进行放电时（即使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。学习任务2蓄电池图3-2-7锂离子电池的工作原理以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离子电池，正、负极的电化学反应为：LiCoO2→Li1-CoO2+xLi++xe-6C+xLi+xe-→LixC6总反应式：LiCoO2+6C→Li1-CoO2+LixC6学习任务2蓄电池金属空气电池以碱性溶液或中性盐溶液为电解液，电池中阳极为活泼金属消耗电极，阴极为空气扩散电极，电解质为中性盐溶液或碱性溶液，阴极反应为氧气还原的电极反应，如图3-2-8所示。学习任务2蓄电池图3-2-8金属空气电池的组成与原理四、金属空气电池根据负极所使用的金属材料的不同而制成不同的空气电池。目前已经取得研究进展的金属空气电池主要有铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池等。下面以铝空气电池的工作原理来对金属空气电池进行说明。1.铝空气电池的工作原理（1）铝空气电池的组成铝空气电池以高春度铝（含铝99.99%）为负极，空气（氧）为正极，以KOH（氢氧化钾）或NaOH（氢氧化钠）水溶液为电解质，如图3-2-9所示。学习任务2蓄电池图3-2-9铝空气电池的组成（2）铝空气电池的工作原理铝空气电池在放电时，负极的Al（铝）被不断消耗，并生成Al(OH)3。正极多孔氧电极在放电时，与外部进入电极的氧（空气）发生电化学反应，生成OH-，如图3-2-10所示。学习任务2蓄电池图3-2-10铝空气电池的工作原理化学反应式如下：2.其他金属空气电池金属空气电池中除了铝空气电池、锌空气电池、锂空气电池外，根据负极所用金属的不同，还有MH空气电池、镁空气电池、隔空气电池和铁空气电池等。学习任务2蓄电池一、选择题（1）丰田混合动力汽车使用的是（

）。A、铅酸蓄电池

Ｂ、锂离子电池Ｃ、镍氢电池Ｄ、空气电池（2）下面说法有误的是（

）。Ａ、普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成，电解液是盐酸的水溶液。Ｂ、免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。Ｃ、充电指的是将电能回充到蓄电池中。充电过程中将电能转化为化学能。Ｄ、镍氢电池是一种性能良好的蓄电池。镍氢电池根据形状可分为方型镍氢电池和圆形镍氢电池。学习任务2蓄电池复习题（3）镍氢电池的工作状态可以分为（

）种Ａ、５Ｂ、４Ｃ、３Ｄ、２（4）镍氢电池充电时正极的Ni(OH)2和OH-反应生成NiOOH和（

）。Ａ、H２Ｂ、e-Ｃ、O２Ｄ、H2O（5）锂离子电池负极材料采用的是（

）。Ａ、LiCoO2Ｂ、LiNiC2Ｃ、LiNn2O4Ｄ、LixC6学习任务2蓄电池复习题二、判断题（1）常用的铅酸蓄电池主要分普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三大类。（

）（2）镍氢电池是正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由锌制成的一种碱性蓄电池。（

）（3）锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和排气孔等组成。（

）（4）金属空气电池以酸性溶液或中性盐溶液为电解液，电池中阳极为空气扩散电极，阴极为活泼金属消耗电极。（

）（5）根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池分为液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两种。（（

）学习任务2蓄电池学习任务三

燃料电池目录目录燃料电池类型一碱性燃料电池（AFC）二质子交换膜燃料电池（PEMFC）三熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）四五、固体氧化物燃料电池（SOFC）五目录目录直接甲烷燃料电池（DMFC）六复习题七学习任务3燃料电池学习目标：✦了解汽车尾气中对人体有哪些有害物质了解燃料电池类型。✦知道碱性燃料电池（AFC）的基本结构与工作原理。✦知道质子交换膜燃料电池（PEMFC）的基本结构与工作原理。✦知道固体氧化物燃料电池（SOFC）的基本结构与工作原理。

素养目标：✦养成关注燃料电池新技术发展的习惯。✦培养学生分析燃料电池技术参数的能力。一、燃料电池类型燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置。一个单体燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料（如氢气等），阴极催化氧化剂（如氧等）的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路，如图3-3-1所示。学习任务3燃料电池图3-3-1氢燃料电池的组成与原理1.燃料电池的分类燃料电池的分类见图3-3-2。学习任务3燃料电池图3-3-2燃料电池的类型2.燃料电池的特点燃料电池直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，不受卡诺热机循环的限制，只要提供燃料即可发电，其特点如图3-3-3所示。学习任务3燃料电池图3-3-3燃料电池的特点3.燃料电池系统在燃料电池电动汽车上单靠燃料电池自身不足以满足车辆行驶的条件，而是要一个大的发电系统来支持。燃料电池系统主要燃料电池、燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统及控制系统等组成，如图3-3-4所示。学习任务3燃料电池图3-3-4燃料电池系统①燃料供应系统燃料供应系统主要任务就是给燃料电池提供燃料。②氧化剂系统氧化剂系统主要给燃料电池提供氧气。可以从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气，空气需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。在燃料电池系统中，配套压缩机的性能有特定的要求，压缩机质量和体积会增加燃料电池发动机系统的质量、体积和成本，压缩机所消耗的功率会使燃料电池的效率降低。空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取防泄漏措施。在空气供应系统中还要对空气进行加湿处理，保证空气有一定的湿度。③发电系统发电系统是指燃料电池本身，它将燃料和氧化剂中的化学能直接变成电能，而不需要经过燃烧的过程，它是一个电化学装置。④水管理系统由于质子交换膜燃料电池中质子是以水合离子状态进行传导的，所以燃料电池需要有水，水少会影响电解质膜的质子传导特性，从而影响电池的性能。由于在电池的阴极生成水，所以需要及时不断地将这些水带走，否则会将电极“淹死”，也造成燃料电池失效。水的管理在燃料电池中至关重要。学习任务3燃料电池⑤热管理系统大功率燃料电池发电的同时，由于电池内阻的存在，不可避免地会产生热量，通常产生的热与其发电量相当。而燃料电池的工作温度是有一定限制的，如对质子交换脱燃料电池而言，应控制在80℃，因此需要及时将电池生成热带走，否则会发生过热，烧坏电解质膜。水和空气通常是常用的传热介质。⑥电力系统电力系统是将燃料电池发出的直流电变为适合用户使用的电。燃料电池所产生的是直流电，需要经过DC/DC转换器进行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。⑦控制系统燃料电池控制系统的作用主要包括电池系统的启动与停工；维持电池系统稳定运行的各操作参数的控制；对电池运行状态进行监测、判断等。⑧安全系统氢是燃料电池的主要燃料，氢的安全十分重要，其安全系统由氢气探测器、数据处理系统及灭火设备等构成。学习任务3燃料电池1.碱性燃料电池的组成碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）主要由以下部分组成（如图3-3-5所示）：学习任务3燃料电池图3-3-5碱性燃料电池的组成二、碱性燃料电池（AFC）①阳极以Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化镍等具有良好催化氢电化学氧化的电催化剂制备的多孔气体电极；②阴极具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等为电催化剂制备的多孔气体扩散电极；③电解质强碱（如氢氧化钾、氢氧化钠）；④燃料氢气；⑤氧化剂空气或纯氧。学习任务3燃料电池2.碱性燃料电池的工作原理单体碱性石棉模型氢氧燃料电池工作原理如图3-3-6所示。图3-3-6碱性燃料电池工作原理学习任务3燃料电池阳极反应：H2+2OH－

→2H2O+2e－阴极反应：O2+2H2O+4e－

→4OH－总反应：2H2O+O2

→2H2O3.碱性燃料电池的特点碱性燃料电池与其他类型燃料电池相比，具有以下特点：①

具有较高的效率（50%-55%）。②工作温度大约80℃，因此，它们的起动很快，但其电力密度却只能达到质子交换膜燃料电池密度的十几分之一。③性能可靠，可用非贵金属作为催化剂。④燃料电池中生产成本最低的一种电池。⑤发展快应用前景广。⑥碱性燃料电池使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性和容易造成环境污染，此外，为解决CO2毒化所采用的一些方法，如使用循环电解液、吸收CO2等增加了系统的复杂性。学习任务3燃料电池1.质子交换膜燃料电池的组成质子交换膜燃料电池由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成，如图3-3-7所示。（1）质子交换膜质子交换膜主要作用如下：①作为隔膜②作为电解质③只允许H＋穿过，其他离子、气体及液体均不能通过。（2）催化剂层气体扩散电极上都含有一定量的催化剂，是为了加快电化学反应速度。质子交换膜燃料电池的电催化剂主要有铂系和非铂系两类。学习任务3燃料电池图3-3-7碱性燃料电池的结构三、质子交换膜燃料电池（PEMFC）（3）电极质子交换胶燃料电池的电极是一种多孔气体扩散电极，一般由扩散层和催化层构成。扩散层是导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层，收集电子，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用。（4）膜电极（MEA）膜电极是通过热压将阴极、阳极与质子交换膜复合在一起形成的。为了使电化学反应顺利进行，多孔气体扩散电极必须具备质子、电子、反应气体和水的连续通道。学习任务3燃料电池（5）集流板集流板（如图3-3-8所示）又称双极板，是电池的重要部件之一，其作用是分隔反应气体，收集电流，将各个单电池串联起来和通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道。学习任务3燃料电池图3-3-8集流板实物2.质子交换膜燃料电池的工作原理如图3-3-9所示是质子交换膜燃料电池的工作原理图3-3-2燃料电池的类型学习任务3燃料电池（1）阳极导入的氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂的作用下，氢分子分解为H＋（氢离子）和e－（电子）。阳极反应：2H2

→4H＋+4e－（2）外部电路氢离子穿过膜到达阴极催化剂层，而电子则由集流板收集，通过外电路到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。（3）阴极在电池阴极一侧，氧气通过阴极集流板（双极板）经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的e－（电子）发生反应生成水，完成阴极反应；电极反应生成的水大部分由尾气排出，一小部分在压力差的作用下通过膜向阳极扩散。阴极反应：O2+4e－+4H＋→2H2O总反应：2H2+O2

→2H2O学习任务3燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（MCFC:MoltenCarbonateFuelCells）是指由多孔陶瓷阴极、

多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属

极板构成的燃料电池。1.熔融碳酸盐燃料电池的组成单体的熔融碳酸盐燃料电池一般是平板型的，由电极、电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成，如图3-3-10所示。单体的上下为隔板/电流采集板，中间部分是电解质板，电解质板的两侧为多孔的阳极极板和阴极极板，其电解质是熔融态碳酸盐。学习任务3燃料电池图3-3-10熔融碳酸盐燃料电池的组成四、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）2.熔融碳酸盐燃料电池的工作原理熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图3-3-11所示。学习任务3燃料电池图3-3-11熔融碳酸盐燃料电池工作原理燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。燃料和氧化剂气体流经阳极和阴极通道。氧化剂中的O2和CO2在阴极与电子进行氧化反应产生CO32-，电解质板中的CO32-；接从阴极移动到阳极，燃料气中的H2与CO32－在阳极发生反应，生成了CO2、H2O和电子。电子被集流板收集起来，然后到达隔板。隔板位于燃料电池单元的上部和下部，并和负载设备相连，从而构成了包括电子传输和离子移动在内的完整的回路。阳极反应：H2+CO32-

→H2O+CO2+2e－阴极反应：O2+2CO2+4e－

→2CO32-总反应：2H2O+O2

→2H2O学习任务3燃料电池固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，它属于第三代燃料电池。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池（PEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。1.固体氧化物燃料电池的组成固体氧化物燃料电池单体主要由电解质、阳极或燃燃料，阴极或空气极和连接体或双极板组成，如图3-3-12所示。学习任务3燃料电池图3-3-12固体氧化物燃料电池的组成五、固体氧化物燃料电池（SOFC）（1）电解质电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，它的主要功能在于传导氧离子。（2）电极电极主要由催化剂制成。①阴极。阴极需要长期在高温和氧化中工作，起传递电子和扩散氧作用，应是多孔洞的电子导电性薄膜。②阳极。阳极主要应用价格最低的Ni/YSZ陶瓷合金材料。（3）连接材料连接材料在单电池间起连接作用，并将阳极侧的燃料气体与阴极侧氧化气体（氧气或空气）隔离开来。学习任务3燃料电池2.固体氧化物燃料电池的工作原理固体氧化物燃料电池工作时，电子由阳极经外电路流向阴极，氧离子经电解质由阴极流向阳极，如图3-3-13所示。

学习任务3燃料电池图3-3-13固体氧化物燃料电池工作原理在阴极发生氧化剂（氧或空气）的电还原反应，即氧分子得到电子被还原为氧离子。氧离子作电解质隔脱两脷电位差与浓差驱动力的作用下，通过电解质隔脱中的氧空位，定向跃迁到阳极侧。在阳极发生燃料（氢或富氢气体）的电氧化反应，即燃料（如氢）与经电解质传递过来的氧离子进行氧化反应生成水，同时向外电路释放电子，电子通过外电路到达阴极形成直流电。学习任务3燃料电池直接甲醇燃料电池（DirectMethanolFuelCell，简称DMFC）是将燃料（甲醇）和氧化剂（氧气或空气）的化学能直接转化为电能的一种发电装置。1.直接甲醇燃料电池的组成与工作原理直接甲醇燃料电池主要由阳极、固体电解质膜和阴极构成，阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成，如图3-3-14所示。学习任务3燃料电池图3-3-14直接甲醇燃料电池的组成六、直接甲烷燃料电池（DMFC）常用的阳极和阴极电极催化剂分别为PtRu/C和Pt/C贵金属催化剂。扩散层在其中起到支撑催化层、收集电子及传导反应物作用。2.直接甲醇燃料电池的工作原理直接甲醇燃料电池的工作原理如图3-3-15所示。学习任务3燃料电池图3-3-15直接甲醇燃料电池的工作原理（1）阳极以甲醇为燃料，将甲醇和水混合物送至直接甲醇燃料电池的阳极，在阳极甲醇直接发生电催化氧化反应生成CO2，并释放出电子和质子。（2）阴极阴极氧气发生电催化氧化还原反应，与阳极产生的质子反应生成水。电子从阳极经外电路转移至阴极形成直流电，工作温度为25~135℃。学习任务3燃料电池一、选择题（1）燃料电池按燃料使用类型分为（

）大类。A、５

Ｂ、４Ｃ、３Ｄ、２（2）不属于燃料电池的特点的是（

）。Ａ、成本高Ｂ、结构简单Ｃ、使用寿命短Ｄ、节能、绿色、环保（3）大功率燃料电池发电的同时，由于电池内阻的存在，不可避免地会产生热量，通常产生的热与其发电量相当。燃料电池的工作温度是有一定限制的，温度应控制在（

）℃左右。Ａ、50Ｂ、60Ｃ、70Ｄ、80学习任务3燃料电池复习题（4）质子交换膜燃料电池在阴极生成的是（

）。Ａ、2H２OＢ、O２Ｃ、２Ｈ２Ｄ、４Ｈ＋（5）下面说法有误的是（

）Ａ、一个单体燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成。Ｂ、燃料电池发电原理与化学电源一样。Ｃ、燃料电池按运行机理可分为四大类。Ｄ、燃料电池直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，不受卡诺热机循环的限制，只要提供燃料即可发电。学习任务3燃料电池二、判断题（1）燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的电化学反应装置。（

）（2）燃料电池按燃料状态可分为三类。（

）（3）固体氧化物燃料电池由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。（

）（4）燃料电池系统主要燃料电池、燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统及控制系统等组成。（

）（5）发电系统是指燃料电池本身，它将燃料和氧化剂中的化学能直接变成电能，而不需要经过燃烧的过程，它是一个电化学装置。（

）学习任务3燃料电池学习任务四

超级电容目录目录超级电容的类型一超级电容电池的结构二超级电容的工作原理三超级电容的特点四目录目录超级电容在汽车上的应用五复习题六学习任务4超级电容学习目标：✦了解汽车尾气中对人体有哪些有害物质。了解超级电容的类型。✦知道超级电容电池的结构。✦知道超级电容的工作原理。✦了解超级电容的特点。✦了解超级电容在汽车上的应用。

素养目标：✦养成关注超级电容电池新技术发展的习惯。✦培养学生分析超级电容电池技术参数的能力。一、超级电容的类型超级电容器是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置，它是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。超级电容器主要利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的储存。超级电容器的类型如图3-4-1所示。学习任务4超级电容图3-4-1超级电容的类型二、超级电容电池的结构超级电容电池是由电极、集电板、隔膜及电解液组成，如图3-4-2所示。电极材料与集电板之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。学习任务4超级电容图3-3-1氢燃料电池的组成与原理三、超级电容的工作原理1.充电过程超级电容充电过程如图3-4-3所示。充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子在固体电极上电荷引力的作用下从溶液体相中分离并分别移动聚集到两个固体电极的表面，形成双电层；充电结束后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。学习任务4超级电容图3-4-3超级电容的充电过程2.放电过程超级电容放电过程如图3-4-4所示。在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体相呈电中性。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。学习任务4超级电容图3-4-4超级电容的放电过程四、超级电容的特点超级电容器具有以下优点：①高功率密度。超级电容器的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍。②充电速度快。可以用大电流给起级电容器充电，充电10S~10min可达到其额定容量的95%以上。③工作温度范围宽。超级电容器能在-40℃～60℃的环境温度中正常工作。④循环办命长。超级电容器具有至少十万次以上的充电寿命，没有“记忆效应”。⑤简单方便。超级电容器充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。⑥绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害化学物质，因而在生产、使用、储存及拆解过程中均没有污染，是一种新型的绿色环保电源。学习任务4超级电容超级电容器除了上述有点外，自身还存以下缺点：①低能量密度。目前超级电容器可储存的能量比化学电源少得多。②低电压。超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。③高自放电。它的自放电速率比化学电源要高。④线性放电。超级电容器线性放电的特性使它无法完全放电。学习任务4超级电容目前超级电容器被广泛应用到新能源汽车中，用作起动、制动、爬坡时的辅助动力。汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线变化很大，在城市路况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16:1，但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短，需要的能量并不高。对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言，这就意味着要么汽车动力性不足，要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流，这无疑会大大损害电池、燃料电池或其他辅助动力装置的寿命。如果使用比功率较大的超级电容器，当瞬时功率需求较大时，由超级电容器提供尖峰功率，并且在制动回馈时吸收尖峰功率，那么就可以减轻对电池、燃料电池或其他辅助动力装置的压力，从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出，而且可以高效地回收大功率的制动能量，这样做还可以提高电池的使用寿命，改善其放电性能。学习任务4超级电容五、超级电容在汽车上的应用学习任务4超级电容素养教育我国对超级电容器及其应用的研究起步相对较晚，但动力型超级电容器的应用水平与国际接轨，甚至超越国际水平。早在上海张江高科技园完成了世界上第一台超级电容器总线及快速充电站系。2006年8月28日，上海市就在11路公交车中投入超级电容车运行，这也是上海第一条使用超级电容车的公交线路。在2010年上海世博会中，以上海奥威科技公司开发的超级电容器为代表的61辆超级电容客车，总计安全运行500多万公里，运送游客达到1.2亿多人次，创下了世界新能源公交车投入规模最大、运行里程最长、载客人次最高的历史纪录。2014年上海奥威超级电容公交车在保加利亚首都索菲亚首次上路，表明中国的超级电容汽车已经达到了世界级水平。2021年，2000吨／年超级电容活性炭生产线在北海星石新能源材料产业园全面建成正式投料投料试产，这意味着我国超级电容核心电极材料大规模量产取得重大突破，打破国外技术垄断，成功解决了长期制约我国超级电容器产业发展的关键材料“卡脖子”问题，为我国新能源产业和超级电容行业的高速发展奠定了坚实的基础。一、选择题（1）属于物理电池的是（

）。Ａ、铅酸蓄电池Ｂ、镍氢电池Ｃ、燃料电池Ｄ、超级电容器。（2）超级电容按电极材料的不同可分为（

）类。Ａ、5Ｂ、4Ｃ、3Ｄ、2（3）超级电容电池是由（

）、集电板、隔膜及电解液组成。Ａ、电极Ｂ、密封圈Ｃ、正极Ｄ、负极学习任务4超级电容复习题（4）不属于超级电容的特点的是（

）。Ａ、充电速度快Ｂ、使用寿命长Ｃ、绿色环保Ｄ、高能量密度（5）下面说法有误的是（

）。Ａ、超级电容自放电速率比化学电源要低得多。Ｂ、超级电容器的内阻小，输出功率密度高，是一般蓄电池的数十倍。Ｃ、超级电容单体电压低，需要多个电容串联才能提升整体电压。Ｄ、超级电容器具有至少十万次以上的充电寿命，没有“记忆效应”。学习任务4超级电容二、判断题（1）超级电容器是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置。（

）（2）超级电容器由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。（

）（3）目前超级电容器被广泛应用到新能源汽车中，通常用作起动、制动、爬坡时的辅助动力。（

）（4）超级电容器充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；检测方便，剩余电量可直接读出。（

）（5）超级电容器能在-60℃～80℃的环境温度中正常工作。（

）学习任务4超级电容学习任务五

其他储能装置目录目录飞轮储能电池一太阳能电池二复习题三学习任务5其他储能装置学习目标：✦了解飞轮储能电池的类型、结构、工作原理、特点与应用。✦了解太阳能电池的类型、结构、工作原理、特点与应用。

素养目标：✦养成关注新能源汽车相关储能技术发展的习惯。✦培养学生分析储能装置相关技术参数的能力。一、飞轮储能电池飞轮电池（如图3-5-1所示）是一种纯机电蓄电池，

它以高速旋转的飞轮为介质进行能量存储与释放:在充电时通过控制集成电机带动飞轮高速旋转实现能量存储；放电时利用高速飞轮驱动集成电机发电输出电能。学习任务5其他储能装置图3-5-1飞轮储能电池飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期，最早只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。1.飞轮储能电池系统飞轮储能电池系统包括三个核心部分:一个飞轮，电动机/发电机和电力电子变换装置，如图3-5-2所示。学习任务5其他储能装置图3-5-2飞轮储能电池系统的组成飞轮系统在储能时，由工频电网提供的电能，经功率电子变换器，驱动电机并带动飞轮高速旋转，以动能的形式将能量储存于飞轮中，从而完成电能-机械能转换的储存能量过程。当需要向负载供电或者并入电网时，高速旋转的飞轮作为发电机发电，经功率变换器输出用于负载的电流与电压，完成机械能-电能转换释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出的全过程。学习任务5其他储能装置（1）飞轮储能电池飞轮储能系统是一种以动能方式存储能量的机械电池，它由高速飞轮、电动机/发电机、轴承、功率电子变换器、控制设备以及附加设备（如真空泵、紧急备用轴承）等组成，如图3-5-3所示。学习任务5其他储能装置图3-5-3飞轮储能电池的结构示意图（2）电力电子变换器电力电子变换器是实现飞轮储能电池电能输入/输出的控制装置，主要由整流电路、逆变电路DC/DC及稳压电路等组成，如图3-5-4所示。学习任务5其他储能装置图3-5-4电力电子变换器工作原理①电力电子装置充电时的电能输入过程充电时，控制器控制电力电子装置输入电路工作，由整流电路对充电电源输入的交流电进行整流，再通过逆变器转换为三相交流电，驱动永磁同步电动机转动。电机带动飞轮加速运转，将电能转换为飞轮旋转的动能。②电力电子装置放电时的电能输出过程放电时，控制器控制电力电子装置输出电路工作，高速旋转的飞轮带动电机发出交流电，经整流电路整流后，再通过DC/DC转换为飞轮电池的输出电压，输送给电动机驱动器，使电动机工作。学习任务5其他储能装置2.飞轮储能电池的特点（1）优点①能量密度高：储能密度可达100～200wh/kg，功率密度可达5000～l0000w/kg。②能量转换效率高：工作效率高达百分之90。③体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。④工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。⑤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。⑥低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。学习任务5其他储能装置（2）缺点①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制成，制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵，成本比较高。②飞轮一旦充电，就会不停转动下去。当不用电时，飞轮还在那里转动，浪费了能量。例如给一辆飞轮电池汽车充电后，该汽车可以行驶三小时，汽车走了两个小时后，车主需要就餐半小时，那么，这半小时，飞轮就在那里白白转动。不过，也有人说，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：给飞轮电池配备化学充电电池，当不需要用电时，可把飞轮转动的电能充进化学电池中。但是给飞轮电池配备化学电池带来的问题是，增加了汽车或设备的重量。学习任务5其他储能装置3.飞轮储能电池的应用（1）沃尔沃的KERSKERS是动能回收系统（KineticEnergyRecoverySystems）的缩写。该系统能够通过某种技术手段将车身制动能量储存起来，并在加速过程中作为辅助动力瞬间释放。沃尔沃的KERS如图3-5-5所示。学习任务5其他储能装置图3-5-5沃尔沃的KERS来自车身的动能被储存在飞轮模块中（以飞轮旋转的方式），需要释放时，其通过CVT变速模块将能量传递至后桥直接驱动车轮。据官方测试的结果表明，使用了KERS技术的四缸涡轮增压发动机可以达到6缸涡轮增压发动机的水平，同时相比六缸涡轮增压发动机的油耗降低25%。（2）保时捷的能量回收系统保时捷911GT3R混合动力版是在911GT3RSR的基础上研发出来的。与传统意义上的混合动力车型不同，保时捷911GT3RHybrid采用了同F1赛车上的KERS动能回收系统（KineticEnergyRecoverySystems）相似的能量回收系统。学习任务5其他储能装置保时捷911GT3R混合动力车辆能量回收系统工作的基础本理是：通过技术手段将车身制动能量存储起来，并在赛车加速过程中将其作为辅助动力释放利用。保时捷通过在车身前排座椅位置加装的飞轮（如图3-5-6所示）来实现能量的收集，并最终转化为电能通过一组额定功率为80马力的电动马达将能量传递到车辆的前驱动轴。而其所搭载的4.0L水平对置六缸自然吸气汽油引擎（最高输出功率480马力）则将动力传递到后驱动轴。在车辆需要提速或超车的时候，驾驶者可以通过按下加速按钮就能获得最长可持续8秒钟的回收能量的释放，在短时间内实现超越。学习任务5其他储能装置图3-5-6保时捷911GT3R混合动力车型上的飞轮储能装置二、太阳能电池太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。1.太阳能电池的类型太阳能电池的类型如图3-5-7所示。学习任务5其他储能装置图3-5-7太阳能电池的分类2.太阳能电池的工作原理太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应，如图3-5-8所示。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压。学习任务5其他储能装置图3-5-8太阳能电池工作原理当光照射到pn结上时，产生电子——空穴对，在半导体内部P-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，n区带负电，在n区和p区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。学习任务5其他储能装置3.太阳电池在汽车上的应用目前，太阳能在汽车上的应用技术主要有作为驱动力和作为汽车辅助能源两个方面。（1）作为驱动力的太阳能汽车完全用太阳能为驱动力代替传统燃油，这种太阳能汽车与传统的燃油汽车不论在外观还是运行原理上都有很大的不同，太阳能汽车没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成。利用贴在车体外表的太阳电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的消耗，驱动车辆行驶，车的行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决，如图3-5-9所示。目前此类太阳车的车速最高能达到100km/h以上，而无太阳光最大续行能力也在100km左右。学习任务5其他储能装置图3-5-9太阳能汽车（2）作为辅助能源的太阳能汽车太阳能和其它能量混合驱动汽车，太阳能辐射强度较弱，光伏电池板造价昂贵，加之蓄电池容量和天气的限制，使得完全靠太阳能驱动的汽车的实用性受到极大的限制，不利于推广。复合能源汽车外观与传统汽车相似，只是在车表面加装了部分太阳能吸收装置，比如车顶电池板，用于给蓄电池充电或直接作为动力源，如图3-5-10所示。这种汽车既有汽油发动机，又有电动机，汽油发动机驱动前轮，蓄电池给电动机供电驱动后轮。电动机用于低速行驶。当车速达到某一速度以后，汽油发动机起动，电动机脱离驱动轴，汽车便像普通汽车一样行驶。学习任务5其他储能装置图3-5-10太阳能作为辅助能源的汽车一、选择题（1）飞轮储能电池的概念起源于上世纪（

）年代早期，最早只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。Ａ、60Ｂ、70Ｃ、80Ｄ、90（2）飞轮储能电池系统包括（

）个核心部分。Ａ、5Ｂ、4Ｃ、3Ｄ、2（3）不属于飞轮储能电池的特点的是（

）。Ａ、能量密度高Ｂ、体积小、重量轻Ｃ、使用寿命长Ｄ、能量转换效率低学习任务5其他储能装置复习题（4）硅太阳能电池可分为（

）种Ａ、3Ｂ、4Ｃ、5Ｄ、6（5）下面说法有误的是（

）。Ａ、目前，太阳能在汽车上的应用技术主要有作为驱动力和作为汽车辅助能源两个方面Ｂ、太阳能电池是通过霍尔效应直接把光能转化成电能的装置Ｃ、飞轮一般都采用碳纤维制成，制造飞轮的碳纤维材料目前还很贵，成本比较高Ｄ、飞轮储能电池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年以上学习任务5其他储能装置二、判断题（1）飞轮电池是一种纯机电蓄电池，

它以高速旋转的飞轮为介质进行能量存储与释放。（

）（2）飞轮储能电池系统包括2个核心部分：一个飞轮和电力电子变换装置。（

）（3）飞轮储能系统是一种以动能方式存储能量的化学电池。（

）（4）太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。（

）（5）电力电子变换器是实现飞轮储能电池电能输入/输出的控制装置，主要由整流电路、逆变电路DC/DC及稳压电路等组成。（

）学习任务5其他储能装置学习任务六

常见品牌电池管理系统目录目录飞轮储能电池一太阳能电池二复习题三学习任务6常见品牌电池管理系统学习目标：✦了解不同品牌电池管理系统的安装位置与功能。✦了解动力电池损失后的处理方法。

素养目标：✦养成关注电池管理技术发展的习惯。✦培养学生分析电池状态的能力。一、电池管理系统介绍1.比亚迪E5电池管理系统介绍（1）电池管理系统的安装位置与功能电池管理系统（BMS）是动力电池的“大脑”。比亚迪秦采用分布式电池管理系统，由1个电池管理器和2个电池信息采集器（BIC），及动力电池采样线组成，BIC安装在动力电池内部（图3-6-1），而电池管理器则安装在汽车前舱的辅助蓄电池旁。学习任务6常见品牌电池管理系统图3-6-1比亚迪秦EV电池信息采集器的位置

动力电池管理器是比亚迪秦动力控制部分的核心，负责整车电动系统的电力控制并实施监测高压电力系统的用电状态，采取保护措施，保证车辆安全行。其详细功能有充放电管理、接触器控制、功率控制、电池异常状态报警和保护、SOC/SOH（剩余电量/容量）计算、自检以及通信功能等。电池信息采集器的主要功能有电池电压采样、温度采样、电池均衡、采样线异常检测等。动力电池采样线的主要功能是连接电池管理控制器和电池信息采集器，实现两者之间的通信及信息交换。

学习任务6常见品牌电池管理系统（2）电池管理器控制框图

电池管理器控制框图如图3-6-2所示，电池管理器连接在车辆的动力及充电CANBUS网络上，并通过专用信号采样线采集动力电池包内每个单体电池的电压、电池的温度信号。此外，还会结合来自整车控制器的指令，通过控制位于高压配电箱内接触器的通断，去控制电动机控制器的高压电接通，以及外部充电功能。学习任务6常见品牌电池管理系统图3-6-2电池管理器控制框图2.吉利EV450电池管理系统介绍（1）电池管理系统的安装位置与功能吉利EV450的电池控制单元（BMU）安装于动力电池内。整个动力电池由17个电池模组通过高压连接片串联而成。每个电池模组都安装有温度和电压信号采样线，将这些信号传递给电池控制单元。电池控制单元包含13个插接器接口，每个插接器接收不同的电池模组信息，包括单体电压、电流、温度及整车高压绝缘等信息。吉利EV450电池管理系统组成如图3-6-3所示。学习任务6常见品牌电池管理系统图3-6-3吉利EV450动力电池系统组成电池管理系统（BMS）能够对动力电池组总电压、总电流、每个测点温度、和电池单体的电压参数进行实时监控，并进行故障诊断、SOC（剩余电量比）计算、短路保护、漏电监测、报警显示、充放电模式选择等。BMS可以将动力电池相关参数上报VCU，由VCU控制动力电池的充电和放电功率。电池高压分配单元内部主要包含主正接触器、直流充接触器、主负接触器、预充接触器以及主正和主负接触器两端的预充电阻。接触器用来控制高压电路的通断，预充电阻是在整车高压上电初期对电容进行限制充电的电阻，如果没有预充电阻，高压电直接加在电容上，相当于瞬间短路，过大的短路电流会损坏高压电气元件。（2）ITCS电池智能温控管理系统在寒冷的情况下锂离子的活性会降低，动力电池的活性也会大大降低，但是吉利电池管理系统所搭载的ITCS3.0智能温控管理系统能够实现智能的温控管理，常态保持三元锂电池的最佳工作状态，确保整车高效充放电，这项技术在中国品牌纯电动汽车领域处于领先位置。它能保障电池的性能，有效减少外部气温对电池的影响，使动力电池可以在-30℃到55℃间进行安全有效地充电。学习任务6常见品牌电池管理系统3.特斯拉电池管理系统认知特斯拉的BMS能够提供精确的电池健康状态预估技术、电池平衡管理技术、电池残电量管理技术、电池热管理技术、诊断与预警技术。即使是同样电池容量的电动汽车，由于BMS的不同，其续航里程、充电时间、启动加速时间和电池寿命将大不相同。特斯拉通过其强大的BMS系统，可以有效实现超过7000节18650号电池的一致性管理，达到高安全性和可靠性目标。此外，在电池冷却、安全、电荷平衡等与BMS相关的领域，特斯拉申请的核心专利超过140项，因此BMS技术是特斯拉的核心竞争力之一。特斯拉电池组的每一组都有其独立的电池管理系统，如图3-6-4所示，位于电池组侧面，即上图绿色部分。其中的感应器和芯片，随时监控每粒电池的温度变化，遇到意外情况，能以毫秒级别时间关闭电池。学习任务6常见品牌电池管理系统图3-6-4电池管理系统，图中绿板所示4.蔚来汽车电池管理系统蔚来从管理电池全生命周期入手，延缓电池衰减，确保电池全生命周期内性能平稳。为此，整个电储能系统研发设计不仅要在安全、动力性能上满足车辆行驶工况要求，还要考虑到后续梯次利用需求，并实现快速换电。图3-6-5为蔚来ES8电动汽车。学习任务6常见品牌电池管理系统图3-6-5蔚来汽车ES8蔚来采用液冷恒温技术具有换热系数高，冷却、加热速度快等特点，不仅能帮助电池散热，还可以更加精准的进行温控，帮助电池保温。工作时，电芯的温度传递到模组与冷却底板接触，再通过导热垫传给液冷板，液冷板外壁再把热量传导到冷却液，达到降温的目的。加热过程反之亦然。电芯健康程度、外界温度变化和充放电倍率是影响电芯本体SOC性能的三个重要因素。

蔚来BMS电池管理系统具备SOC精准测量与估算、优秀的均衡策略、实时SOH计算预估、电池监控和实时预警等特性，从而保障电池性能稳定输出，确保动力电池长寿命。通过BMS预估SOC，其目的是尽量纠正测量误差，并通过提升传感器测量精度和提升芯片处理能力并配以强大的算法处理能力，利用软硬件性能的最优化设计提升精度。学习任务6常见品牌电池管理系统蔚来整包电流传感器采用德国进口伊莎贝拉传感器，电流采样精度，采用最新一代英飞凌主芯片，硬件上可具备32位数据处理能力，

能提供较强运算能力。锂电池低温充电永远都是一个难题，电芯最舒适的温度在25度左右。蔚来电储能系统每个电池模组内置有3个电芯温度传感器，可实现温度精确检测和控制。根据企业官方介绍，蔚来ES8电池寿命：1500次充放电循环衰减不于80%，换电零部件支持10000次换电，130秒590度持续火烧无安全问题，从1米高度自由落体在钢板上，电池包结构完整，功能正常，3.5%氯化钠海水时间浸泡测试，电池无进水，功能正常，一次-40℃和85℃冷热交替静置8小时，电池功能正常，承受200KN水平积压无安全问题。学习任务6常见品牌电池管理系统5.长安深蓝汽车电池管理系统深蓝SL03搭载了iBC数字电池管理系统（图3-6-6），通过2类数字预控管理技术7类数字温控管理技术及高安全性的外部结构设计，能够确保电芯和电池总成热失控的概率接近零，即使单个电芯已产生出热失控表现，也能有效规避整包的热失控。主动安全方面，优选电芯+数字化过程控制和车+云BMS的双重监控组成了2类数字预控管理技术，同时在被动安全方面，醇冷散热技术、瞬态泄压技术、超压密封控制以及全域防短路等7类数字温控管理技术能进一步防止危险的发生及扩大。学习任务6常见品牌电池管理系统图3-6-6长安深蓝iBC数字电池管理系统长安深蓝iBC数字电池管理系统，通过采用创新的“车+云BMS双重监控技术”，实现了车云协同。由于长安深蓝“车+云BMS双重监控技术”，拥有实验室与监测车辆在46w台以上，可以构建事故特征数据；更具备深度学习算法能力，可模拟动力电池热失控的规律并生成模型；还可实时采集电池信息，双24小时全天候安全监控……这一系列能力，让该系统能在检测到数据信息的第一时间，即可完成安全预测和报警，准确率达99%。目前，行业主流的电池主动安全，仍是以“电池检测技术”为主。例如，比亚迪DM-i电池热管理系统、蔚来智能电池全生命周期管理系统等等，都是从温度“监测”为出发点，但物理传感器的方式容易发生事故错报、漏报的情况，并且对于车辆充电、静止等状态下的监测力度大大减小，其预警能力自然被大大削弱。学习任务6常见品牌电池管理系统长安深蓝iBC的透明化，让电池安全不再高度依赖于驾驶者的“谨慎与经验丰富度”，“车+云BMS双重监控技术”一旦监测到风险，将第一时间提醒车主采取维修等措施。动力电池一旦发生“热失控”，最终表现一定会呈现为“热失控”。在这一情形下，最后的防线往往取决于两点：一是电池本身安全，二是被动安全设计。关于前者，长安汽车的实力毋庸置疑。从全球顶尖供应商中优选电芯，长安深蓝采用安全性高的低镍三元电芯，并对电芯生产一致性进行严格管控，坚守48道工序1196项标准严控，对于电芯本体的安全性实现了