混合動(dòng)力汽車的電能儲(chǔ)存裝置學(xué)術(shù)參考

1、 §2-3 混合動(dòng)力汽車的電能儲(chǔ)存裝置教學(xué)回顧：1、 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和控制模式。2、 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和控制模式。3、 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和控制模式。4、 豐田普銳斯混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)低油耗的原理。學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、熟悉混合動(dòng)力汽車電能儲(chǔ)存裝置的種類。2、熟悉蓄電池的主要性能指標(biāo)。 3、熟悉鉛酸電池的分類與特點(diǎn)。 4、熟悉鎳氫（ni-mh）電池、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成、工作原理與性能特點(diǎn)。 5、熟悉蓄電池管理系統(tǒng)的功能與組成。 6、熟悉電動(dòng)汽車的著電池充電器的基本功能與組成。引言： 在混合動(dòng)力汽車上，動(dòng)力蓄電池是一個(gè)非常重要的部分，它必須具有強(qiáng)大的能量，

2、以保證車輛正常行駛需求；同時(shí)還還必須具有非常高的安全性。所以本章節(jié)我們來一起學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)下混合動(dòng)力汽車的電能儲(chǔ)存裝置。主要內(nèi)容： 1、 混合動(dòng)力汽車電能儲(chǔ)存裝置的種類 混合動(dòng)力汽車的電能儲(chǔ)存裝置可以分為二次電池、超級(jí)電容和飛輪電池三類。1.二次電池二次電池也稱為可充電電池。現(xiàn)代混合動(dòng)力汽車上的最常見的二次電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鎳一金屬氫電池等。2.超級(jí)電容超級(jí)電容又稱為電化學(xué)含器，是一種新型的、雙層面電容器，與常見的物理電容器不同。其特點(diǎn)是電密量大，比物理電含蓋的限碳容量高34個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到10f/a以上。3.飛輪電池又稱為飛輪儲(chǔ)能器、高速或超高速飛輪儲(chǔ)能器等，是利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)

3、儲(chǔ)能和釋放電能的一種裝置。這種電能儲(chǔ)存裝置目前應(yīng)用較少。 二、蓄電池主要性能指標(biāo)在混合動(dòng)力汽車上，動(dòng)力蓄電池必須是具有強(qiáng)大能量的動(dòng)力電源，除了作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)度源外，還要向空調(diào)系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等提供電力能源。另外有的還要為點(diǎn)火系統(tǒng)、黑明信號(hào)系統(tǒng)、刮水器和噴淋器以及車載娛樂和通信設(shè)備等裝備提供低壓電源。各種蓄電池一般是供給直流電，然后經(jīng)過變頻器或誕變器轉(zhuǎn)換成頻率和電壓幅值可調(diào)的交流電，供給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在混合動(dòng)力汽車上蓄電池是輔助電力能源，用作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助動(dòng)力源，提高整車的動(dòng)力性能或作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)的電力能源。1、電壓（v)1)開路電壓電池在開路時(shí)的端電壓，一般開路電壓與電池的電動(dòng)

4、勢(shì)近似相等。2）額定電壓電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓。3）終止電壓電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下放電，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池不宜再繼續(xù)放電時(shí)，電池最低的工作電壓稱之為終止電壓。2、電池容量（ah）1）根據(jù)著電池活性物質(zhì)的特性，按法拉算定律計(jì)算出的最高理論值，一般用質(zhì)量容量（a·h/kg）或體積容量（a·h/l）來表示。2）實(shí)際容量在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時(shí)間的系積。3）荷電狀態(tài)（soc）荷電狀態(tài)是指參加反應(yīng)電池容量的變化。soc=1即表示電池為充滿狀態(tài)。隨著蓄電池放電，蓄電池的電荷逐漸減少，此時(shí)，可以用soc的百分?jǐn)?shù)的相對(duì)量來表示蓄電

5、池中電荷的變化狀態(tài)。一般蓄電池放電高效率區(qū)為50%80%soc。對(duì)soc精確的實(shí)時(shí)辨識(shí)，是電池管理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。3、能量（w·h、kw·h)電池的能量決定電動(dòng)汽車的行駛距離。1)標(biāo)稱能量按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量，電池的標(biāo)稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。2）實(shí)際能量在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實(shí)際能量是電池的實(shí)際容量與平均工作電壓的乘積。電池的質(zhì)量包括電池本身結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和電解質(zhì)質(zhì)量的總和。3）比能量（w·h/kg）指動(dòng)力蓄電池組單位質(zhì)量中所能輸出的能量。一般混合動(dòng)力汽車所采用的動(dòng)力蓄電池，要求有較大的比能量。比能量是保證

6、混合動(dòng)力汽車達(dá)到基本合理的行駛里程的重要性能，連續(xù)2h放電率的比能量至少不低于44w·h/kg。4）能量密度（wh/l）動(dòng)力著電池組的能量密度是指動(dòng)力蓄電池組單位體積中所能輸出的能量。4、功率（w，kw）在一定的放電條件下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量，電池的功率決定混合動(dòng)力汽車的加速性能。一般有：1）比功率（w/kg）2）功率密度（w/l）5、內(nèi)阻電流通過電地內(nèi)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。由于電池的內(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)的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。6、循環(huán)次數(shù)（次）蓄電池的工作是一個(gè)不斷充電一放電一充電一放電的循

7、環(huán)過程，按一定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定放電，當(dāng)電池的容量降到某個(gè)規(guī)定值前，就要停止繼續(xù)放電，然后就需要充電才能繼續(xù)使用。在每一個(gè)循環(huán)中，電池由的化學(xué)活性物質(zhì)要發(fā)生一次可逆性的化學(xué)反應(yīng)。隨著充電和放電次數(shù)的增加，電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生老化變質(zhì)，逐浙削弱其化學(xué)功能，使得電池的充電和放電的效率逐漸降低，最后電池?fù)p失全部功能而報(bào)廢。對(duì)于混合動(dòng)力汽車，蓄電池的循環(huán)壽命要求不低于1000次。7、放電倍率（放電率）一般用電池在放電時(shí)間或放電電流與額定電流的比值來表示。1）放電時(shí)率電池以某種電流輕度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時(shí)，所經(jīng)過的時(shí)間。2）倍率電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。8、自放電率自

8、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。9、記憶效應(yīng)蓄電池經(jīng)過長期淺充放電循環(huán)后，進(jìn)行深放電時(shí)，表現(xiàn)出明顯的容量損失和放電電壓下降，經(jīng)數(shù)次全充/放電循環(huán)后，電池特性即可恢復(fù)的現(xiàn)象。三、鉛酸蓄電池以酸性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池稱為酸蓄電池。由于電池電極是以鉛及其氧化物為材料，故又稱為鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池廣泛用于燃油汽車的啟動(dòng)。鉛酸蓄電池按其工作環(huán)境又可分為移動(dòng)式和固定式兩大類。固定式鉛酸蓄電池按電池槽結(jié)構(gòu)分為半密封式與密封式，半密封式又有防酸式與消氫式。依據(jù)排氣方式，密封式鉛酸蓄電池可分為排氣式和非排

9、氣式兩種。鉛酸蓄電池的特點(diǎn)是開路電壓高，放電電壓平穩(wěn)，充電效率高，能夠在常溫下正常工作，生產(chǎn)技術(shù)成熟，價(jià)格便宜。四、鎳氫（ni-mh）電池鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，它也是一種堿性電池。有高倍率的放電特性，短時(shí)間可以以3c（c為按額定電流放電時(shí)的實(shí)際放電容量）放電。1.鎳氫（ni-mh）電池的工作原理鎳氫電池的正極，是球狀氫氧化鎳粉末與添加劑鉆等金屬、塑料和黏合劑等制成的涂膏，用自動(dòng)涂膏機(jī)涂在正極板上，然后經(jīng)過干燥處理成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。在正極材料ni中添加ca、co、zn或稀土元素，對(duì)穩(wěn)定電極的性能有明顯的改進(jìn)。采用高分子材料作為黏合劑或用擠壓和軋制成的泡沫鎳電

10、極，并采用鎳粉、石墨等作為導(dǎo)電劑，可以提高大電流時(shí)的放電性能。鎳氫電池的負(fù)極的關(guān)鍵技術(shù)是儲(chǔ)氫合金，要求儲(chǔ)氫合金能夠穩(wěn)定地經(jīng)受反復(fù)的儲(chǔ)氣和放氣的循環(huán)。電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物。在電池充電過程中，水在電解質(zhì)溶液中分解為氫離子和氫氧離子，氫離子被負(fù)極吸收，負(fù)極由金屬轉(zhuǎn)化為金屬氫化物。在放電過程中，氫離子離開了負(fù)極，氫氧離子離開了正極，氫離子和氫氧離子在電解質(zhì)氫氧化鉀中結(jié)合成水并釋放電能。正極：ni=nooh+h+e負(fù)極：m+o+e=mh+oh電池總反應(yīng)：ni+m=niooh+mh2、鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池由氫氧化鎳ni（oh）2正極、儲(chǔ)氫合金負(fù)極、隔膜紙、氫氧化鉀電解質(zhì)、外殼、頂蓋、

11、密封圈等組成。在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。3、鎳氫電池的特點(diǎn)保氫電池的單體電池的電壓為1.2v，比能量7580w·h/kg，能量密度達(dá)200w·h/l，比功率160230w/ag，功率密度400600w/l，充電18min可恢復(fù)40%80%的容量；鎳氫電池中沒有pb和cd等重金屬元素，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，鎳氫電池可以隨充隨放，且無“記憶效應(yīng)”。五、鋰離子電池鋰離子電池出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初期，在短短十幾年的時(shí)間里，得到快速發(fā)展，被認(rèn)為是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦蛣?dòng)力蓄電池。與其他蓄電池比較，鋰離子電池具有電壓高、比

12、能量高、充放電壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。1、鋰離子電池的分類按照鋰離子電池的外形形狀可分為方形鋰離子電池和圓柱形鋰離子電池。鋰離子電池的發(fā)展呈現(xiàn)出多方向并舉的局面。發(fā)展方向的不同主要在于所采用的正極材料的不同，因?yàn)檎龢O材料的性能將很大程度地影響電池的性能，同時(shí)正極材料也直接決定電池成本的高低。鋰離子電池的正極材料的發(fā)展引領(lǐng)了鋰離子電池的發(fā)展。目前已批量應(yīng)用于鋰電池的正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。但鈷金屬儲(chǔ)量少，價(jià)格昂貴。目前應(yīng)用最廣泛的是磷酸鐵鋰電池和三元聚合物鋰電池。2、鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池主要由正極（含鋰化合

13、物），負(fù)極（碳素材料），電解液，隔膜和安全閥等組成。鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖所示。3、鋰離子電池的工作原理鋰離子電池使用錘碳化合物（lic）作負(fù)極，鋰化過渡金屬氧化物（lih-mq.）作正極，液體有機(jī)溶液或固體聚合物作電解液。在充放電過程中，鋰離子在電池正極和負(fù)極間往返流動(dòng)。電化學(xué)反應(yīng)式為：負(fù)極：li-e- li+ 正極：mno2+e- mno2-總反應(yīng)式：li+mno2+ limno2電池充電時(shí)，正極上鋰原子電離成鋰離子和電子（脫嵌），鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，得到電子，被還原成鋰原子嵌入到碳層的微孔中（插入）。電池放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰原子，失去電子（脫插）成為鋰離子，通過電解液，又運(yùn)動(dòng)回

14、正極（嵌入）。工作原理如何所示。鋰電池的充放電過程，也就是鋰離子在正負(fù)極間不斷嵌入和脫嵌的過程，同時(shí)伴隨著等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。鋰離子數(shù)量越多，充放電容量就越高。4、鋰離子電池特點(diǎn)鋰離子電池有許多顯著特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1）工作電壓高鋰離子電池工作電壓為3.6v，是鎳氫和鎳鎘電池工作電壓的3倍。2）比能量高鋰離子電池比能量已達(dá)到300w·h/kg，鎳氫電池的3倍。3）循環(huán)壽命長目前鋰離子電池循環(huán)壽命已達(dá)到1000次以上，在低放電深度下可達(dá)幾萬次。4）自放電率低鋰離子電池月自放電率僅為6%8%，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池（25%30%）和鎳氫5%20%）。5）無記憶性可以根據(jù)要

15、求隨時(shí)充電，而不會(huì)降低電池性能。6）對(duì)環(huán)境無污染鋰離子電池中不存在有害物質(zhì)，是名副其實(shí)的“綠色”電池。7）能夠制造成任意形狀鋰離子電池也有一些不足1）成本高主要是正極材料lico02的價(jià)格高，按單位能量（w·h)的價(jià)格來計(jì)算，已經(jīng)低于氫電池，與鎳銅電池持平，但高于鉛酸蓄電池。2）必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充和過放。六、蓄電池管理系統(tǒng)1.混合動(dòng)力汽車的電池組管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介混合動(dòng)力汽車除動(dòng)力蓄電池組提供主要電源外，還有發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組向動(dòng)力蓄電池組通過轉(zhuǎn)換器不斷地補(bǔ)充電能。根據(jù)電動(dòng)車輛所采用的電池的類型和動(dòng)力蓄電池組的組合方法，電池組管理系統(tǒng)主要包括熱（溫度）管理子系統(tǒng)、電池組管理子系

16、統(tǒng)和線路管理子系統(tǒng)等。如圖。1）熱（溫度）管理子系統(tǒng)混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力蓄電池在工作時(shí)都會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象，不同電池發(fā)熱程度不一樣。為了保證電池的安全和良好的散熱，必須對(duì)電池的工作溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)熱量進(jìn)行管理。2）電池組管理子系統(tǒng)電池組管理子系統(tǒng)的作用是對(duì)電池的組合、安裝、充電、放電、電壓、電流、電池中各個(gè)電池的不均衡性、電池的熱管理和電池的維護(hù)等進(jìn)行監(jiān)控和管理，提高電池組的工作效率，保證正常工作。3）線路管理子系統(tǒng)線路管理子系統(tǒng)管理電池與電池、電池組與電池組之間的線路。在各個(gè)電池組之間還需要安裝連接導(dǎo)線將各個(gè)電池組串聯(lián)起來，一般在電池組與電池組之間，裝有手動(dòng)和自動(dòng)斷電器，以便在安裝、拆卸和檢修時(shí)切斷

17、電流。2、動(dòng)力蓄電池組管理系統(tǒng)功能與組成動(dòng)力蓄電池組管理系統(tǒng)要承擔(dān)動(dòng)力蓄電池組的全面管理，一方面保證動(dòng)力蓄電池組的正常運(yùn)作，顯示動(dòng)力蓄電池組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并及時(shí)報(bào)警，使駕駛員隨時(shí)都能掌握電池的情況；另一方面要對(duì)人身和車輛進(jìn)行安全保護(hù)，避免因電池引起的各種事故?；竟δ埽?） 電池管理。監(jiān)視動(dòng)力蓄電池組的雙向總電壓和電流、電池的溫度變化，并通過顯示屏動(dòng)態(tài)顯示總電壓、電流、溫升的變化，避免電池過充、過放和過熱。2） 單節(jié)電池管理。監(jiān)測(cè)單節(jié)電池的電狀態(tài)，對(duì)單節(jié)電池的動(dòng)態(tài)電壓和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)單節(jié)電池存在的問題，并采取有效的預(yù)防措施。3） 荷電狀態(tài)的估計(jì)和故障診斷。電池管理系統(tǒng)具有荷電狀態(tài)的

18、估計(jì)和故障診斷功能，能有效的反映和顯示荷電狀態(tài)動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)的組成：綜合動(dòng)力蓄電池組管理系統(tǒng)的各種功能，動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)的基本組成如下圖所示。帶有溫度測(cè)量裝置的動(dòng)力蓄電池組管理系統(tǒng)的基本組成如下圖所示。它是利用損壞的電池在充電過程中電池溫度高于正常電池溫度的原理，用溫度傳感器來測(cè)定和監(jiān)控每一個(gè)電池在充電過程中溫度是否在允許的范圍內(nèi)。如果發(fā)現(xiàn)溫度異常，soc顯示也不正常時(shí)，即向管理系統(tǒng)反饋電池在線的響應(yīng)信息，并由故障診斷系統(tǒng)預(yù)報(bào)故障。八、電動(dòng)汽車蓄電池充電器1、蓄電池充電器的基本功能基本功能由3個(gè)，即對(duì)市電（世界各國常用交流電頻率由50hz和60hz兩種，民用電壓有100v至380v不等）進(jìn)行電力變換并提供直流電；供給與蓄電池額定條件對(duì)應(yīng)的電力；當(dāng)蓄電池充滿后自動(dòng)停止充電。2、動(dòng)力蓄電池充電器的分類1)根據(jù)充電器所在位置?？煞譃檐囕d充電器和非車載充電器兩種。車載充電器裝在車內(nèi)，一般為小充電率，充電時(shí)