汽車新能源運用技術 教案(5-6)

1、廣西電子高級技工學校 <<汽車新能源運用技術>> 教案 授課教師 梁鎮(zhèn)才課題項目三 電動汽車用動力電池任務一 概述任務二 鉛酸蓄電池教學目標掌握電動汽車電池的分類、性能指標了解鉛酸蓄電池分類、結構、工作原理教學重點新能源汽車的分類教學難點新能源汽車發(fā)展的重要性教學時間4課時 理論課教具準備無周次第 8、9 周教 學 組 織 與 實 施教 師 活 動學生活動新課導入：（5分鐘）1清點人數，檢查著裝 2填寫教學日志3教學要求新課講授：（150分鐘） 一、電動汽車動力電池分類電動汽車使用的動力電池可以分為化學電池、物理電池和生物電池三大類。1化學電池 化學電池是利用物質的化學

2、反應發(fā)電。 化學電池按工作性質分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲備電池。（1） 原電池原電池又稱一次電池，是指電池放電后不能用簡單的充電方法使活性物質復原而繼續(xù)使用的電池，如鋅二氧化錳干電池 、鋰錳電池、鋅空氣電池、一次鋅銀電池等。 （2）蓄電池蓄電池又稱二次電池，是指電池在放電后可通過充電的方法使活性物質復原而繼續(xù)使用的電池，而這種充放電可以達數十次到上千次循環(huán)。如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。（3）燃料電池燃料電池又稱連續(xù)電池，是指參加反應的活性物質從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池，電池就連續(xù)不斷地工作而提供電能。如質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電

3、池、固體氧化物燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生型燃料電池等。 （4）儲備電池儲備電池是指電池正負極與電解質在儲存期間不直接接觸，使用前注入電解液或者使用其它方法使電液與正負極接觸，此后電池進入待放電狀態(tài)，如鎂電池、熱電池等?；瘜W電池按電解質分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機電解質電池、非水無機電解質電池、固體電解質電池等。化學電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護電池、防爆電池等?；瘜W電池按正負極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘鎳氫系列、鉛酸系列、鋰電池系列等。 2物理電池 物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽能電池、超級電容器、飛輪電池等。3生物電池

4、 生物電池是利用生物化學反應發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。 二、電動汽車用動力電池的性能指標 電池作為電動汽車的儲能動力源，在電動汽車上發(fā)揮著非常重要的作用，要評定電池的實際效應，主要就是看電池的性能指標。電池的性能指標主要有電壓、容量、內阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等，根據電池種類不同，其性能指標也有差異。 1電壓 電壓分為端電壓、開路電壓、額定電壓、放電電壓和終止電壓等。（1）端電壓 電池的端電壓是指電池正極與負極之間的電位差。 （2）開路電壓 電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓，即電池在沒有負載情況下的端電壓。電池的開路電壓等于電池正極的電極電勢與負

5、極電極電勢之差。（3）電動勢 電池的電動勢等于組成電池的兩個電極的平衡電位之差。（4）額定電壓 額定電壓是電池在標準規(guī)定條件下工作時應達到的電壓。 （5）放電電壓 電池的工作電壓是指電池接通負載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。（6）終止電壓終止電壓是指電池在一定標準所規(guī)定的放電條件下放電時，電池的電壓將逐漸降低，當電池再不宜繼續(xù)放電時，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。當電池的電壓下降到終止電壓后，再繼續(xù)使用電池放電，化學“活性物質”會遭到破壞，減少電池壽命。2容量 電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池的容量。常用單位為安培小時（Ah），它等

6、于放電電流與放電時間的乘積。電池的容量可以分為理論容量、實際容量、標稱容量和額定容量等。（1）理論容量 理論容量是把活性物質的質量按法拉第定律計算而得到的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質量電池所能給出的理論電量，單位為Ah/l或Ah/kg。（2）實際容量實際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。（3）標稱容量標稱容量是用來鑒別電池的近似安時值。（4）額定容量額定容量也叫保證容量，是按國家或有關部門頒布的標準，保證電流在一定的放電條件下應該放出的最低限度的容量。（5）荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)(SOC)

7、是電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。反映電池容量的變化。SOC=1即表示電池充滿狀態(tài)。隨著電池的放電，電池的電荷逐漸減少，此時電池的充電狀態(tài)，可以用SOC的百分數的相對量來表示電池中電荷的變化狀態(tài)。一般電池放電高效率區(qū)為50%80%SOC。3內阻電流流過電池內部受到的阻力，使電池電壓降低，此阻力稱為電池內阻。由于電池內阻作用，電池放電時端電壓低于電動勢和開路電壓。充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。4能量電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，單位是W·h或kW·h。它影響電動汽車的行駛距離。（1）理論能量 理論能量是電池的理論容量與額定電

8、壓的乘積，指一定標準所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量。（2）實際能量 實際能量是電池實際容量與平均工作電壓的乘積，表示在一定條件下電池所能輸出的能量。（3）比能量 比能量是指電池單位質量所能輸出的電能，單位是Wh/kg。常用比能量來比較不同的電池系統(tǒng)。比能量有理論比能量和實際比能量之分。理論比能量是指1kg電池反應物質完全放電時理論上所能輸出的能量；實際比能量是指1kg電池反應物質所能輸出的實際能量。由于各種因素的影響，電池的實際比能量遠小于理論比能量。電池的比能量是綜合性指標，它反映了電池的質量水平。電池的比能量影響電動汽車的整車質量和續(xù)駛里程，是評價電動汽車的動力電池是否滿足預定的續(xù)駛

9、里程的重要指標。（4）能量密度能量密度是指電池單位體積所能輸出的電能，單位是Wh/L。5功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時間內所輸出能量的大小，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。電池的功率決定了電動汽車的加速性能和爬坡能力。（1）比功率 單位質量電池所能輸出的功率稱為比功率，單位為W/kg或kW/kg。（2）功率密度 單位體積電池所能輸出的功率稱為功率密度，單位為W/ l或kW/ l。 6輸出效率 動力電池作為能量存儲器，充電時把電能轉化為化學能儲存起來，放電時把電能釋放出來。在這個可逆的電化學轉換過程中，有一定的能量損耗。通常用電池的容量效率和能量效率來表示。（1）容量效率 容量效率

10、是指電池放電時輸出的容量與充電時輸入的容量之比，即 式中， 為電池的容量效率； 為電池放電時輸出的容量； 為電池充電時輸入的容量。（2）能量效率 能量效率也稱電能效率，是指電池放電時輸出的能量與充電時輸入的能量之比，即 式中， 為電池的能量效率； 為電池放電時輸出的能量； 為電池充電時輸入的能量。7自放電率 自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，即電池無負荷時自身放電使容量損失的速度。自放電率用單位時間容量降低的百分數表示，其表達式為 式中， 為電池存儲前的容量（Ah）； 為電池存儲后的容量（Ah）； 為電池存儲的時間，常用天、月計算。8放電速率（放電率）放電速率一般用電池在放電時的時間或放

11、電電流與額定電流的比例來表示。（1）時率（時間率） 電池以某種電流強度放電，放完額定容量所經過的放電時間。汽車用電池一般用20h率容量表示。（2）倍率（電流率） 電池以某種電流強度放電的數值為額定容量數值的倍數。 9使用壽命使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內部短路或損壞而不能使用，以及容量達不到規(guī)范要求時電池使用失效，這時電池的使用壽命終止。電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指電池可供使用的時間，包括電池的存放時間。使用周期是指電池可供重復使用的次數。除此之外，成本也是一個重要的指標。電動汽車發(fā)展的瓶頸之一就是電池價格高。電動汽車對動力電池的要求主要有：（1）

12、比能量高為了提高電動汽車的續(xù)駛里程，要求電動汽車上的動力電池盡可能儲存多的能量，但電動汽車又不能太重，其安裝電池的空間也有限，這就要求電池具有高的比能量； （2）比功率大為了能使電動汽車在加速行駛、爬坡能力和負載行駛等方面能與燃油汽車相競爭，就要求電池具有高的比功率；1991年，美國先進電池開發(fā)聯合體（USABC）對電動汽車用動力電池制定的開發(fā)目標三、鉛酸蓄電池的發(fā)展動態(tài)鉛酸蓄電池自1859年發(fā)明以來，其使用和發(fā)展已有100多年的歷史，廣泛用作內燃機汽車的起動動力源。電動汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動汽車提供動力，它的主要發(fā)展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用壽命。 作為電動汽車動力電源的鉛酸蓄電池

13、在比能量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面不能很好滿足電動汽車的要求，為了解決電動汽車用鉛酸蓄電池的這三大技術難題，國際鉛鋅組織（ILZO）于1992年聯合62家世界著名鉛酸蓄電池廠家成立了先進鉛酸蓄電池研制聯盟（ALABC），共同研制電動汽車用鉛酸蓄電池。ALABC開發(fā)的鉛酸蓄電池各項性能均取得了明顯的提高。日本GS公司生產的SER60電池比能量為34Wh/kg，能量密度為91Wh/L，比功率為300 W/kg（50%DOD）；日本松下公司生產的動力型鉛酸蓄電池循環(huán)壽命已突破1000次（80%DOD）；湯淺公司的動力型密封鉛酸蓄電池比能量已超過40Wh/ kg。美國BPC公司和Trojon公司

14、開發(fā)的雙極性密封鉛蓄電池，正負極位于同一片導體的兩側面，用吸液式纖維隔板貯存電解液組成密封電池。其額定電壓為180V，容量為60Ah，比能量50Wh/kg，峰值比功率>700W/kg，循環(huán)壽命1000次，預計使用壽命10年。國內研制開發(fā)的電動汽車用水平極板鉛酸蓄電池已經達到了以下性能指標：3h率比能量45Wh/kg，10min持續(xù)比功率80W/kg，快速充電性能45h100%充電,1520min70%充電，80%DOD壽命600次。鉛酸蓄電池作為純電動汽車動力電源在比能量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面均比鎳氫電池、鋰離子電池差，不適合于電動轎車。但由于其價格低廉，國內外將它的應用定位在

15、速度不高、路線固定、充電站設立容易規(guī)劃的車輛。四、鉛酸蓄電池的分類與結構1鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池分為免維護鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。（1）免維護鉛酸蓄電池 免維護鉛酸蓄電池由于自身結構上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。市場上的免維護鉛酸蓄電池也有兩種：1）在購買時一次性加電解液以后使用中不需要添加補充液；2）電池本身出廠時就已經加好電解液并封死，用戶根本就不能加補充液。（2）閥控密封式鉛酸蓄電池閥控密封式鉛酸蓄電池在使用期間不用加酸加水維護，電池為密封結構，不會漏酸，也不

16、會排酸霧，電池蓋子上設有溢氣閥（也叫安全閥），該閥的作用是當電池內部氣體量超過一定值，即當電池內部氣壓升高到一定值時，溢氣閥自動打開，排出氣體，然后自動關閉，防止空氣進入電池內部。閥控密封式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體）電池兩種：1）AGM采用吸附式玻璃纖維棉（Absorbed Glass Mat）作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，電池內無流動的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作；2）膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內，一般立放工作。無特殊說明，皆指AGM電池。電動汽車使用的動力電池一般是閥控密封式鉛酸蓄電池。五、鉛酸蓄電池的結構鉛酸蓄電池由正負極板、隔板、電

17、解液、溢氣閥、外殼等部分組成。極板是鉛酸蓄電池的核心部件，正極板上的活性物質是二氧化鉛，負極板上的活性物質為海綿狀純鉛。隔板是隔離正、負極板，防止短路；作為電解液的載體，能夠吸收大量的電解液，起動促進離子良好擴散的作用；它還是正極板產生的氧氣到達負極板的“通道”，以順利建立氧循環(huán)，減少水的損失。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成，主要作用是參與電化學反應，是鉛酸蓄電池的活性物質之一。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學反應，正、負極板間會產生約為2.1V的電動勢。 溢氣閥位于電池頂部，起動安全、密封、防爆等作用。六、鉛酸蓄電池的特點1鉛酸蓄電池的優(yōu)點 （1）除鋰離子電池外

18、，在常用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，為2. 0V；（2）價格低廉；（3）可制成小至lAh大至幾千Ah的各種尺寸和結構的蓄電池；（4）高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動；（5）高低溫性能良好，可在-4060條件下工作；（6）電能效率高達60%；（7）易于浮充使用，沒有“記憶”效應；（8）易于識別荷電狀態(tài)。 2鉛酸蓄電池的缺點（1）比能量低，在電動汽車中所占的質量和體積較大，一次充電行駛里程短；（2）使用壽命短，使用成本高；（3）充電時間長；（4）鉛是重金屬，存在污染 。七、鉛酸蓄電池的工作原理 鉛酸蓄電池使用時，把化學能轉換為電能的過程叫放電。在使用后，借助于直流電在電池內進行化學反應，把電

19、能轉變?yōu)榛瘜W能而儲蓄起來，這種蓄電過程叫做充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學反應式為 充電時，把鉛板分別和直流電源的正、負極相連，進行充電電解，陰極的還原反應為 陽極的氧化反應為 充電時的總反應為 隨著電流的通過， 在陰極上變成蓬松的金屬鉛，在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有 生成小結：（3分鐘）本節(jié)課我們主要學習電動汽車電池的分類、性能指標、鉛酸蓄電池分類、結構、工作原理。作業(yè)：（2分鐘）鉛酸蓄電池的特點？聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 聽課、思考、記錄 板

20、書設計教學隨記項目三 電動汽車用動力電池任務一 概述任務二 鉛酸蓄電池 一、電動汽車動力電池分類二、電動汽車用動力電池的性能指標三、鉛酸蓄電池的發(fā)展動態(tài)四、鉛酸蓄電池的分類與結構五、鉛酸蓄電池的結構六、鉛酸蓄電池的特點七、鉛酸蓄電池的工作原理學生基本掌握電動汽車電池的分類、性能指標、鉛酸蓄電池分類、結構、工作原理。課題項目三 電動汽車用動力電池任務三 鎳氫電池教學目標了解鎳氫電池的發(fā)展動態(tài)掌握鎳氫電池的分類、結構、特點、工作原理教學重點鎳氫電池的分類、結構、特點教學難點鎳氫電池的工作原理教學時間4課時 理論課教具準備無周次第 9 周教 學 組 織 與 實 施教 師 活 動學生活動新課導入：（5

21、分鐘）1清點人數，檢查著裝 2填寫教學日志3教學要求新課講授：（150分鐘） 一、鎳氫電池的發(fā)展動態(tài) 鎳氫電池是90年代發(fā)展起來的一種新型電池。它的正極活性物質主要由鎳制成，負極活性物質主要由貯氫合金制成，是一種堿性蓄電池。鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染，被譽為“綠色電源”。松下EV電池公司早在1997年就開始生產混合動力汽車用的圓型6.5Ah的鎳氫電池組，其質量比功率600W/kg。 三洋電機株式會社生產的圓柱型5.5Ah的鎳氫電池組，質量比功率1000W/kg。2001年為Escape配備，后來為本田Accord采用。美國的Cobasys公司的電池技術源

22、于世界著名的鎳氫電池研究單位Ovonic公司。該公司開發(fā)了容量為1260Ah的一系列高功率鎳氫電池。質量比功率達到550600W/kg，體積比功率達到12001400W/l，峰值比功率可達1000W/kg，比能量在5070Wh/kg，使用溫度在60時能量效率仍保持在8090%，充電功率也超過500W/kg。 我國鎳氫電池的技術正日趨成熟。在動力鎳氫電池方面，我國也有很多單位一直從事混合動力汽車用鎳氫電池的研究，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所長期從事鎳氫電池及相關材料的研究和開發(fā)，北京有色總院、中山電池公司、湖南神舟科技、春蘭集團、鞍山三普等單位均從不同角度做過大量積極有益的工作，取得了很大的

23、進展。二、鎳氫電池的分類與結構 1鎳氫電池的分類 按照外形，鎳氫電池可以分為（1）方形鎳氫電池；（2）圓形鎳氫電池。2鎳氫電池的結構 鎳氫電池主要由正極、負極、極板、隔板、電解液等組成。鎳氫電池正極是活性物質氫氧化鎳，負極是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質，在正負極之間有隔膜，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。 三、鎳氫電池的特點 鎳氫電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)異特性。與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池具有比能量高、重量輕、體積小、循環(huán)壽命長的特點：（1）比功率高（2）循環(huán)次數多（3）無污染（4）耐過充過放（5）無記憶效應（6）使用溫度范圍寬（7）短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動等安全性、可靠性試驗無爆炸、燃燒現象四、鎳氫電池的工作原理鎳氫電池是將物質的化學反應產生的能量直接轉化成電能的一種裝置。鎳氫電