課題二----新能源汽車動(dòng)力電池完整版

1、 1.解燃油汽車面臨的問題。 2.掌握新能源汽車的定義。 3.掌握新能源汽車的分類。 4.了解新能源汽車的結(jié)構(gòu)原理。 5.熟悉新能源汽車的發(fā)展現(xiàn)狀。 學(xué)習(xí)任務(wù) 1.能夠描述各電池的機(jī)構(gòu)組成； 2.能夠描述各電池的工作原理； 3.能夠分析各電池的放電特性。 技能要求 任務(wù)一 電池概述 一、電池的分類 化學(xué)電池常見的分類方法有三種： 按電解液種類分類。 按電池所用正、負(fù)極材料的不同。 按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式的不同。 二、電池的工作原理 電池基本工作原理如圖2-3所示。 三、電池的性能參數(shù) 1. 電壓(V) 電池電壓參數(shù)包括電動(dòng)勢(shì)、開路電壓、工作電壓、額定電壓和截止電壓等。 電動(dòng)勢(shì)：電池正負(fù)極之間的平

2、衡電極電位差。 開路電壓：電池在開路時(shí)的端電壓，等于正極電位與負(fù)極電位之差。 工作電壓：分為放電電壓和充電電壓。 額定電壓：電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓，可作為驗(yàn)收電池 質(zhì)量和電池選用的依據(jù)。 截止電壓：分為放電截止電壓和充電截止電壓。 2. 電池容量(Ah) 指充滿電的電池在指定的條件下放電到終止電壓時(shí)輸出的電量。 3. 能量（Wh，kWh） 是指在按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電制度下電池所輸出的電能，它決定電動(dòng)汽車 的行駛距離。 4. 功率(W，kW) 指在一定的放電制度下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量。電池的功率決定 電動(dòng)汽車的加速性能和最高轉(zhuǎn)速等。 5. 電池的內(nèi)阻 電流通過電池內(nèi)

3、部時(shí)受到的阻力使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的 內(nèi)阻。電池的內(nèi)阻作用使得電池在放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓，在 充電時(shí)充電的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。 6. 電池的放電深度 指電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容量的比值。 7. 電池的使用壽命 電池使用壽命分為時(shí)間使用壽命和循環(huán)使用壽命兩種。時(shí)間使用壽命指 從電池制成開始，包括儲(chǔ)存期和使用期在內(nèi)的時(shí)間期限。循環(huán)使用壽命是電 池容量降到某一規(guī)定值前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)。 8. 放電速率（放電率） 一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比例來表示。 時(shí)率：電池以某種電流放電直到電池的電壓降低到終止電壓時(shí)，所經(jīng)過的 放電時(shí)間。 倍率

4、：電池以某種電流放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。 9. 自放電率 指電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池容量損 失的速度。自放電率用單位時(shí)間（月年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示。 10. 成本 電池的成本是與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)。 四、電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的性能要求 1. 電壓(V) 電動(dòng)汽車上的蓄電池需滿足以下基本要求。 比能量高。 充電時(shí)間短。 連續(xù)放電率高，自放電率低。 不需要復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。 安全可靠。 壽命長(zhǎng)，免維修，制造成本低。 任務(wù)二 鎳基蓄電池 一、鎳基蓄電池簡(jiǎn)介 鎳基蓄電池是指用氫氧化亞鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。 二、鎳氫（Ni-M

5、H）蓄電池的結(jié)構(gòu) 鎳氫（Ni-MH）蓄電池可以分為方形（圖2-4）和圓形（圖2-5）兩種類 型。 三、鎳氫（Ni-MH）蓄電池的工作 原理 放電時(shí)電化學(xué)反應(yīng)式如下。 充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)式如下。 過放電的反應(yīng)式如下。 正、負(fù)極發(fā)生如下反應(yīng)。 四、鎳氫電池的正極材料 鎳氫電池的正極以質(zhì)量輕、孔隙率高的泡沫鎳作為電極基體，起導(dǎo)電和電 極骨架的作用，泡沫鎳的使用可增加電池容量。 泡沫鎳基體的要求： 為增加活性物質(zhì)填充量，要求有足夠高的孔隙率。 有合理的孔隙結(jié)構(gòu)。 有足夠的強(qiáng)度，好的延伸率，良好的反復(fù)彎曲性能。 有大的比表面積，質(zhì)量分布均勻，以利于基體與活性物質(zhì)顆粒的接觸和 電極反應(yīng)的進(jìn)行。 良好的導(dǎo)電

6、性。 五、鎳氫電池的負(fù)極材料 鎳氫電池負(fù)極材料為儲(chǔ)氫合金，在充電和放電過程中發(fā)生吸氫和放氫反應(yīng)， 涉及電極表面電化學(xué)及體相擴(kuò)散過程。 儲(chǔ)氫合金應(yīng)滿足如下要求。 合金的儲(chǔ)氫容量高。 有良好的電催化活性。 在強(qiáng)堿性電解質(zhì)溶液中，化學(xué)性較穩(wěn)定，在氫的陽極氧化電位范圍內(nèi)具 有較強(qiáng)的抗氧化能力。 充放電效率高。 具有良好的電和熱的傳導(dǎo)性。 循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，反復(fù)充放電過程中，合金不易粉化。 六、鎳氫電池的充放電特性 1. 充電特性 圖2-7為鎳氫電池的充電特性圖。 2. 放電特性 圖2-8為鎳氫電池的放電特性圖。 3. 溫度特性 圖2-9為鎳氫電池 各溫度下的充電電壓。 圖2-10為鎳氫電池各 溫度下的放

7、電特性。 4. 自放電 鎳氫電池有一定程度的自放電行為，圖10為鎳氫電池的自放電特性?？赡?產(chǎn)生自放電的機(jī)制如圖2-11所示。 七、鎳氫電池的特性 鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)如下： 比能量達(dá)5070 Wh/kg，比功率達(dá)150300 W/kg。 使用壽命較長(zhǎng)，循環(huán)充放電達(dá)1 000次。 耐過充、過放電能力較強(qiáng)。 綠色環(huán)保，無鉛、鎘等對(duì)人體有害金屬的污染。 使用溫度范圍寬，可以在-2355下正常工作。 鎳氫電池的缺點(diǎn)如下： 自放電損耗較大，月?lián)p失20%40%。 對(duì)溫度敏感，溫度對(duì)放電電壓和容量有較大影響。 目前成本較高，是鉛酸電池價(jià)格的5倍以上。 單體電池電壓較低，為1.2 V。 任務(wù)三 鋰電池 一、鋰電池

8、簡(jiǎn)介 1. 鋰金屬電池 2. 鋰離子電池 鋰金屬電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的 電池。 鋰離子電池指的是以兩種不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合 物分別作為電池正極和負(fù)極的二次電池體系。 二、鋰電池的結(jié)構(gòu) 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)如圖2-13所示。 三、鋰離子電池的工作原理 鋰離子電池的工作原理如圖2-14所示。 （1）氧化鈷鋰（LiCoO2） （2）氧化鎳鋰（LiNiO2） （4）多元材料 （3）氧化錳鋰（LiMn2O4） 四、鋰離子電池的正極材料 五、鋰離子電池的負(fù)極材料 負(fù)極材料也是鋰離子電池的主要部分，它的好壞直接影響到電池的性能。對(duì) 負(fù)極材，有以下要求。

9、具有較低的氧化還原電位，接近金屬鋰的電位，使電池的輸出電壓高。 Li+能夠大量地在主體材料中可逆脫嵌，比容量值大。 在Li+的脫嵌過程中，主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變化小，以獲得好的循環(huán)性能。 氧化還原電位隨插鋰數(shù)目的變化應(yīng)盡可能少，以使電壓不發(fā)生顯著變化， 保持穩(wěn)的充放電。 有較好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，減少極化，利于大電流充放電。 Li+在材料中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，利于快速充放電。 容易獲得，成本不高，環(huán)保性好。 （2）非石墨材料（1）石墨材料 鋰離子電池負(fù)極材料主要有以下幾種。 任務(wù)四 鉛酸電池 一、鉛酸電池簡(jiǎn)介 鉛酸電池自發(fā)明以來已有150余年的歷程，在基礎(chǔ)理論、性能等方面持續(xù) 發(fā)展，很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)在

10、化學(xué)電源中占據(jù)重要地位。目前形成了很大的產(chǎn)業(yè)鏈，在 交通、通信、電力、航海、航空等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。早期的電動(dòng)車輛多以鉛 酸電池為能量源。 二、鉛酸電池的結(jié)構(gòu) 鉛酸蓄電池的主要部件有正負(fù)極板、電解液、隔膜、電池殼、電池蓋、安 全閥，另外還有端子、連接條、極柱等附件。圖2-18為普通鉛酸電池結(jié)構(gòu)圖。 1. 極板 正負(fù)極板是由板柵和活性物質(zhì)組成。正極活性物質(zhì)主要成分為二氧化鉛 (PbO2)，呈棕紅色，負(fù)極活性物質(zhì)主要成分為海綿狀鉛(Pb)，呈深灰色。 2. 隔膜 隔膜的主要作用：在正、負(fù)極板間起絕緣作用，防止正負(fù)極板短路，使電 池結(jié)構(gòu)緊湊；隔膜上有許多微孔，使電解液中正負(fù)離子順利通過；阻緩與隔離

11、脫落的正負(fù)極板活性物質(zhì)；防止正負(fù)極板因震動(dòng)而損傷。 AGM材料隔膜具有如下特征。 優(yōu)良的耐酸性能和抗氧化能力。 厚度均勻一致，無針孔、無機(jī)械雜質(zhì)。 材料孔徑小、孔率高。 優(yōu)良的吸附性能，保留電解液能力強(qiáng)。 電阻小。 具有一定強(qiáng)度，保證工藝上的可操作性。 雜質(zhì)少，尤其是鐵、銅的含量低。 3. 電解液 膠體電解質(zhì)鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)如下。 電解質(zhì)凝膠化，使電池絕不漏液，比一般的鉛酸電池多灌10%50%的電 解液。 充電接受能力強(qiáng)，容量衰減慢，能量轉(zhuǎn)換效率高。 自放電率小。 循環(huán)壽命長(zhǎng)，使用循環(huán)壽命在500次以上。 耐低溫，在-20狀態(tài)下放電，接近常溫狀態(tài)性能。 4. 電池殼、電池蓋 三、鉛酸電池的工作原

12、理 1. 充放電電化學(xué)反應(yīng) 鉛酸電池放電過程，如圖2-19所示。 2. 充電時(shí)的氧循環(huán) 鉛酸電池充電過程，如圖2-20所示。 四、鉛酸電池的充放電特性 1. 放電特性 鉛酸電池的放電特性，如圖2-21所示的放電曲線AB段。 2. 充電特性 電極表面硫酸濃度迅速增大，電池端電壓沿著如圖2-22所示的充電曲線 AB段急劇上升。 3. 鉛酸電池的自放電 五、鉛酸電池的特性 鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)如下： 技術(shù)成熟，原料易得，成本低。 比功率較大，達(dá)200300 W/kg。 使用溫度范圍大，可在-4060環(huán)境下工作。 適合于浮充電使用，無記憶效應(yīng)。 鉛酸電池的缺點(diǎn)如下： 比能量低，只有3045 Wh/kg。 質(zhì)

13、量大，限制了攜帶的電池?cái)?shù)量。 使用壽命不長(zhǎng)，循環(huán)使用壽命不到500次。 任務(wù)五 超級(jí)電容電池 一、超級(jí)電容電池簡(jiǎn)介 二、超級(jí)電容電池的結(jié)構(gòu) 超級(jí)電容電池的結(jié)構(gòu) 如圖2-24所示。 三、超級(jí)電容的基本原理 雙電層電容的基本 原理，如圖2-25所示。 1. 雙電層電容的基本原理 2. 法拉第贗電 容的基本原理 四、超級(jí)電容的電極材料 1. 碳基材料電極 （1）活性炭（2）活性炭纖維 （3）碳?xì)饽z（4）碳納米管 2. 金屬氧化物材料電極 3. 導(dǎo)電聚合物材料電極 4. 復(fù)合材料電極 五、超級(jí)電容電池的特性 充電速度快。只要充電幾十秒到幾分鐘就可達(dá)到其額定容量的95以 上，而現(xiàn)在使用最廣泛的鉛酸蓄電

14、池充電通常需要幾個(gè)小時(shí)。 循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)50萬次，如果對(duì)超級(jí) 電容電池每天充放電20次，連續(xù)使用可達(dá)68年，且沒有“記憶效應(yīng)”。 大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過程損失小。大電流能量循環(huán) 效率90%。 功率密度高?？蛇_(dá)300 W/kg5 000 W/kg，相當(dāng)于普通蓄電池的數(shù) 十倍；比能量大大提高，鉛酸蓄電池一般只能達(dá)到0.02 kWh/kg，而超級(jí)電容 電池目前研發(fā)已可達(dá)10 kWh/kg。 產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過程均沒有污染，是理想 的綠色環(huán)保電源。 充放電線路簡(jiǎn)單，無需像充電電池那樣的充電電路，安全系數(shù)高，長(zhǎng)期 使用免維護(hù)。 超低溫特

15、性好。使用環(huán)境溫度范圍寬達(dá)40 70 。 檢測(cè)方便。剩余電量可直接讀出。 單體容量范圍通常在0.1 F1 000 F。 任務(wù)六 金屬空氣電池 一、金屬空氣電池簡(jiǎn)介 金屬空氣電池是一類特殊的燃料電池，也是新一代綠色二次電池的代表之一。 二、金屬空氣電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 如圖2-26所示，金屬空氣電池主要由正極、負(fù)極、電解液三大部分組成。 金屬空氣電池的工作原理如下。 1. 正極（空氣電極） 2. 負(fù)極（金屬電極） 3. 電解液 三、金屬空氣電池的類型和特點(diǎn) 1. 鋅空氣電池 （1）鋅空氣電池的類型 中性鋅空氣電池。 低功率大荷電量鋅空氣濕 電池。將燒結(jié)或粘接式活 性炭 電極和板狀鋅電極組合成電極

16、組 浸入李有氫氧化鈉溶液的容器中 （圖2-27）。 高功率鋅空氣電池。 （2）鋅空氣電池的技術(shù)上存在的問題 2. 鋁空氣電池 3. 鋰空氣電池 任務(wù)七 飛輪電池 二、飛輪電池的結(jié)構(gòu) 飛輪電池是一種典型的機(jī)電一體化裝置，由飛輪電池本體、電力電子裝置 及控制器三部分組成（圖2-31）。 三、飛輪電池的工作原理 圖2-33所示是飛輪電池原理的示意圖。飛輪電池充放電工作過程如圖2- 34所示。 四、飛輪電池特性 飛輪電池兼顧了化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲(chǔ)能裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)， 主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。 能量密度高。儲(chǔ)能密度可達(dá)100 200 Wh/kg，比功率可達(dá)5 000 W/kg 10 000 W/kg。 能量轉(zhuǎn)換效率高。工作效率高達(dá)90%。 體積小、重量輕。飛輪直徑約為20 cm多，總質(zhì)量在10 kg多。 工作溫度范圍寬。對(duì)環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。 使用壽命長(zhǎng)。不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運(yùn)行，預(yù)期壽 命長(zhǎng)達(dá)25年，可供電動(dòng)汽車行駛500萬km。 低損耗、低維護(hù)。磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，系統(tǒng) 維護(hù)周期長(zhǎng)。 任務(wù)八 氫燃料電池 一、氫燃料電池簡(jiǎn)介 氫能源汽車的分類如圖2-35所示。 二、氫燃料電池車的基本構(gòu)成和 工作原理 如圖2-36所示，Mir