課題二----新能源汽車動力電池課件(PPT 63頁)

1、課題二 汽車蓄電池第1頁，共63頁。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構原理。5.熟悉新能源汽車的發(fā)展現狀。 學習任務第2頁，共63頁。1.能夠描述各電池的機構組成；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。技能要求第3頁，共63頁。 任務一 電池概述第4頁，共63頁。一、電池的分類化學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、負極材料的不同。按工作性質和儲存方式的不同。第5頁，共63頁。二、電池的工作原理電池基本工作原理如圖2-3所示。第6頁，共63頁。三、電池的性能參數1. 電壓(V)電池電

2、壓參數包括電動勢、開路電壓、工作電壓、額定電壓和截止電壓等。電動勢：電池正負極之間的平衡電極電位差。開路電壓：電池在開路時的端電壓，等于正極電位與負極電位之差。工作電壓：分為放電電壓和充電電壓。額定電壓：電池在標準規(guī)定的條件下工作時應達到的電壓，可作為驗收電池質量和電池選用的依據。截止電壓：分為放電截止電壓和充電截止電壓。第7頁，共63頁。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輸出的電量。3. 能量（Wh，kWh）是指在按一定標準所規(guī)定的放電制度下電池所輸出的電能，它決定電動汽車的行駛距離。4. 功率(W，kW)指在一定的放電制度下，電池在單位時間內所輸出的能量。電

3、池的功率決定電動汽車的加速性能和最高轉速等。第8頁，共63頁。5. 電池的內阻電流通過電池內部時受到的阻力使電池的電壓降低，此阻力稱為電池的內阻。電池的內阻作用使得電池在放電時端電壓低于電動勢和開路電壓，在充電時充電的端電壓高于電動勢和開路電壓。6. 電池的放電深度指電池已經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間使用壽命和循環(huán)使用壽命兩種。時間使用壽命指從電池制成開始，包括儲存期和使用期在內的時間期限。循環(huán)使用壽命是電池容量降到某一規(guī)定值前，電池經歷的充放電循環(huán)次數。第9頁，共63頁。8. 放電速率（放電率）一般用電池在放電時的時間或放電電流與額定電流的比例來

4、表示。時率：電池以某種電流放電直到電池的電壓降低到終止電壓時，所經過的放電時間。倍率：電池以某種電流放電的數值為額定容量數值的倍數。9. 自放電率指電池在存放時間內，在沒有負荷的條件下自身放電，使得電池容量損失的速度。自放電率用單位時間（月年）內電池容量下降的百分數來表示。10. 成本電池的成本是與電池的技術含量、材料、制作方法和生產規(guī)模有關。第10頁，共63頁。四、電動汽車對動力電池的性能要求1. 電壓(V)電動汽車上的蓄電池需滿足以下基本要求。比能量高。充電時間短。連續(xù)放電率高，自放電率低。不需要復雜的運行環(huán)境。安全可靠。壽命長，免維修，制造成本低。第11頁，共63頁。 任務二 鎳基蓄電池

5、第12頁，共63頁。一、鎳基蓄電池簡介鎳基蓄電池是指用氫氧化亞鎳作正極活性物質的堿性蓄電池。第13頁，共63頁。二、鎳氫（Ni-MH）蓄電池的結構鎳氫（Ni-MH）蓄電池可以分為方形（圖2-4）和圓形（圖2-5）兩種類型。第14頁，共63頁。三、鎳氫（Ni-MH）蓄電池的工作原理放電時電化學反應式如下。充電時的電化學反應式如下。第15頁，共63頁。過放電的反應式如下。正、負極發(fā)生如下反應。第16頁，共63頁。四、鎳氫電池的正極材料鎳氫電池的正極以質量輕、孔隙率高的泡沫鎳作為電極基體，起導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：為增加活性物質填充量，要求有足夠高的孔隙率

6、。有合理的孔隙結構。有足夠的強度，好的延伸率，良好的反復彎曲性能。有大的比表面積，質量分布均勻，以利于基體與活性物質顆粒的接觸和電極反應的進行。良好的導電性。第17頁，共63頁。五、鎳氫電池的負極材料鎳氫電池負極材料為儲氫合金，在充電和放電過程中發(fā)生吸氫和放氫反應，涉及電極表面電化學及體相擴散過程。儲氫合金應滿足如下要求。合金的儲氫容量高。有良好的電催化活性。在強堿性電解質溶液中，化學性較穩(wěn)定，在氫的陽極氧化電位范圍內具有較強的抗氧化能力。充放電效率高。具有良好的電和熱的傳導性。循環(huán)使用壽命長，反復充放電過程中，合金不易粉化。第18頁，共63頁。六、鎳氫電池的充放電特性1. 充電特性圖2-7為

7、鎳氫電池的充電特性圖。第19頁，共63頁。2. 放電特性圖2-8為鎳氫電池的放電特性圖。第20頁，共63頁。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電特性。第21頁，共63頁。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?？赡墚a生自放電的機制如圖2-11所示。第22頁，共63頁。七、鎳氫電池的特性鎳氫電池的優(yōu)點如下：比能量達5070 Wh/kg，比功率達150300 W/kg。使用壽命較長，循環(huán)充放電達1 000次。耐過充、過放電能力較強。綠色環(huán)保，無鉛、鎘等對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

8、。鎳氫電池的缺點如下：自放電損耗較大，月損失20%40%。對溫度敏感，溫度對放電電壓和容量有較大影響。目前成本較高，是鉛酸電池價格的5倍以上。單體電池電壓較低，為1.2 V。第23頁，共63頁。 任務三 鋰電池第24頁，共63頁。一、鋰電池簡介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極材料、使用非水電解質溶液的電池。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極的二次電池體系。第25頁，共63頁。二、鋰電池的結構鋰離子電池的結構如圖2-13所示。第26頁，共63頁。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

9、。第27頁，共63頁。（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第28頁，共63頁。五、鋰離子電池的負極材料負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。對負極材，有以下要求。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，主體結構穩(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目的變化應盡可能少，以使電壓不發(fā)生顯著變化，保持穩(wěn)的充放電。有較好的電子電導率和離子電導率，減少極化，利于大電流充放電。L

10、i+在材料中有較大的擴散系數，利于快速充放電。容易獲得，成本不高，環(huán)保性好。第29頁，共63頁。（2）非石墨材料（1）石墨材料鋰離子電池負極材料主要有以下幾種。第30頁，共63頁。 任務四 鉛酸電池第31頁，共63頁。一、鉛酸電池簡介鉛酸電池自發(fā)明以來已有150余年的歷程，在基礎理論、性能等方面持續(xù)發(fā)展，很長時期內在化學電源中占據重要地位。目前形成了很大的產業(yè)鏈，在交通、通信、電力、航海、航空等領域有廣泛的應用。早期的電動車輛多以鉛酸電池為能量源。第32頁，共63頁。二、鉛酸電池的結構鉛酸蓄電池的主要部件有正負極板、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-

11、18為普通鉛酸電池結構圖。第33頁，共63頁。1. 極板正負極板是由板柵和活性物質組成。正極活性物質主要成分為二氧化鉛(PbO2)，呈棕紅色，負極活性物質主要成分為海綿狀鉛(Pb)，呈深灰色。第34頁，共63頁。2. 隔膜隔膜的主要作用：在正、負極板間起絕緣作用，防止正負極板短路，使電池結構緊湊；隔膜上有許多微孔，使電解液中正負離子順利通過；阻緩與隔離脫落的正負極板活性物質；防止正負極板因震動而損傷。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、無機械雜質。材料孔徑小、孔率高。優(yōu)良的吸附性能，保留電解液能力強。電阻小。具有一定強度，保證工藝上的可操作性。雜質少，

12、尤其是鐵、銅的含量低。第35頁，共63頁。3. 電解液膠體電解質鉛酸電池的優(yōu)點如下。電解質凝膠化，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，容量衰減慢，能量轉換效率高。自放電率小。循環(huán)壽命長，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、電池蓋第36頁，共63頁。三、鉛酸電池的工作原理1. 充放電電化學反應鉛酸電池放電過程，如圖2-19所示。第37頁，共63頁。2. 充電時的氧循環(huán)鉛酸電池充電過程，如圖2-20所示。第38頁，共63頁。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A

13、B段。第39頁，共63頁。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. 鉛酸電池的自放電第40頁，共63頁。五、鉛酸電池的特性鉛酸電池的優(yōu)點如下：技術成熟，原料易得，成本低。比功率較大，達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。鉛酸電池的缺點如下：比能量低，只有3045 Wh/kg。質量大，限制了攜帶的電池數量。使用壽命不長，循環(huán)使用壽命不到500次。第41頁，共63頁。 任務五 超級電容電池第42頁，共63頁。一、超級電容電池簡介二、超級電容電池的結構超級電容電池的結構如圖2-24

14、所示。第43頁，共63頁。三、超級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第44頁，共63頁。四、超級電容的電極材料1. 碳基材料電極（1）活性炭（2）活性炭纖維（3）碳氣凝膠（4）碳納米管2. 金屬氧化物材料電極3. 導電聚合物材料電極4. 復合材料電極第45頁，共63頁。五、超級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到其額定容量的95以上，而現在使用最廣泛的鉛酸蓄電池充電通常需要幾個小時。循環(huán)使用壽命長。深度充放電循環(huán)使用次數可達50萬次，如果對超級電容電池每天充放電20次，連續(xù)使用可達68年，且沒有“記憶

15、效應”。大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小。大電流能量循環(huán)效率90%。功率密度高。可達300 W/kg5 000 W/kg，相當于普通蓄電池的數十倍；比能量大大提高，鉛酸蓄電池一般只能達到0.02 kWh/kg，而超級電容電池目前研發(fā)已可達10 kWh/kg。產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。充放電線路簡單，無需像充電電池那樣的充電電路，安全系數高，長期使用免維護。超低溫特性好。使用環(huán)境溫度范圍寬達40 70 。檢測方便。剩余電量可直接讀出。單體容量范圍通常在0.1 F1 000 F。第46頁，共63頁。 任務六 金屬空氣電池第47頁，共

16、63頁。一、金屬空氣電池簡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。第48頁，共63頁。二、金屬空氣電池的結構及工作原理如圖2-26所示，金屬空氣電池主要由正極、負極、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. 負極（金屬電極）3. 電解液第49頁，共63頁。三、金屬空氣電池的類型和特點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。將燒結或粘接式活 性炭電極和板狀鋅電極組合成電極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。第50頁，共63頁。（2）鋅空氣電池的技術上存在的問題2.

17、 鋁空氣電池3. 鋰空氣電池第51頁，共63頁。 任務七 飛輪電池第52頁，共63頁。二、飛輪電池的結構飛輪電池是一種典型的機電一體化裝置，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）。第53頁，共63頁。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。第54頁，共63頁。四、飛輪電池特性飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點，主要表現在如下幾個方面。能量密度高。儲能密度可達100 200 Wh/kg，比功率可達5 000 W/kg 10 000 W/kg。能量轉換效率高。工作效率高達90%。體積小、重量輕。飛輪直徑約為20 cm多，總質量在10 kg多。工作溫度范圍寬。對環(huán)境溫度沒有嚴格要求。使用壽命長。不受重復深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預期壽命長達25年，可供電動汽車行駛500萬km。低損耗、低維護。磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護周期長。第55頁，共63頁。 任務八 氫燃料電池第56頁，共63頁。一、氫燃料電池簡介氫能源汽車的分類如圖2-35所示。第57頁，共63頁。二、氫燃料電池車的基本構成和工作原理如圖2-36所示，Mirai氫燃料電池車主要由高壓儲氫罐、氫燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動力蓄電池組、驅動電動機和動力控制單元等組