新能源汽車動力電池結(jié)構(gòu)與檢修-2-4其他類型動力電池的原理及應(yīng)用課件

1、2-4 其他類型的動力電池的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及應(yīng)用知識目標(biāo)：了解鋅空氣電池、飛輪電池、超級電容和燃料電池的應(yīng)用特點，掌握它們的儲電原理。能力目標(biāo)：能簡單闡述鋅空氣電池、飛輪電池、超級電容和燃料電池的工作原理。素質(zhì)目標(biāo)：1、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查找資料、制定計劃的能力；2、培養(yǎng)學(xué)生具備從事汽車行業(yè)工作的職業(yè)素養(yǎng)。學(xué)習(xí)檢測教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容學(xué)習(xí)小結(jié)教學(xué)重點：掌握其他新型動力電池的應(yīng)用及發(fā)展教學(xué)難點：理解其他新型動力電池的工作原理學(xué)習(xí)檢測教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容學(xué)習(xí)小結(jié)1.鋅空氣電池原理與應(yīng)用2.飛輪電池原理與應(yīng)用3.超級電容的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4.燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)檢測主要內(nèi)容教學(xué)目標(biāo)學(xué)習(xí)小結(jié)

2、一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用1、鋅空氣電池原理 鋅空氣電池主要由空氣電極、電解液和鋅陽極構(gòu)成；空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，金屬鋅作為負極活性物質(zhì)，多孔活性炭作為正極，鉑或其他材料作為催化劑，使用堿性電解質(zhì)。氧氣經(jīng)多孔電極擴散層擴散到達催化層，在催化劑微團表面的三相界面處與水發(fā)生反應(yīng)，吸收電子，生成OH-，陽極的鋅與電解液中的OH-發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO和H2O，并釋放出電子，電子被集電層收集起來，在外電路中產(chǎn)生電流。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用2、鋅空氣電池的分類 根據(jù)其充電的方式，以及在電動車輛應(yīng)用的特點可分為三類：直接再充式鋅空氣電池、機械充電式鋅空氣電池以及注入式鋅空氣電池。（1）直接再充

3、式鋅空氣電池容易出現(xiàn)電極變形、枝晶生長、自腐蝕及鈍化等現(xiàn)象，導(dǎo)致電極失效。因此，直接再充式鋅空氣電池的應(yīng)用受到了一定的限制。（2）機械式充電是指在電池完全放電后，將電池中用過的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者將整個電池組進行完全更換，整個過程控制在較短的時間內(nèi)(35min)。使用過的鋅電極或鋅空氣電池可在專門鋅回收利用廠進行回收再加工，實現(xiàn)綠色環(huán)保無污染生產(chǎn)。（3)注入式鋅空氣電池是將配制好的鋅膏源源不斷地通過擠壓或壓力輸送送入電池內(nèi)，同時將反應(yīng)完畢的混合物抽取到電池外，這樣在電動車輛上應(yīng)用時，電池系統(tǒng)只需攜帶盛放鋅膏的燃料罐，燃料罐加注足夠的鋅膏燃料就可實現(xiàn)車輛的連續(xù)行駛。一、鋅空氣電池的原

4、理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的應(yīng)用美、德、瑞典等都在EV上積極推廣鋅空氣電池。(1)美國Dreisback Electromotive公司開發(fā)的鋅空氣電池，已在公共汽車和總重9t的貨車上使用，公共汽車可連續(xù)行駛10h左右，貨車最大續(xù)駛里程達113km。(2)德國奔馳汽車公司的MB410型電動廂式車采用150kWh的鋅空氣電池，從法國的Chambery城越過阿爾卑斯山，連續(xù)爬坡150km，公路全程244km，到達意大利的都靈，僅消耗了65%的電量（97.5kWh）。該車從德國的不萊梅到波恩，最高車速達到120 km/h，一次充電后走完全程425km的路程。 (3)瑞典斯德哥爾摩市的電動貨車、客車和服務(wù)

5、車輛上的鋅空氣電池比能量180Wh/kg，比功率100Wh/L，續(xù)駛里程350425km之間。該市的鋅空氣電池廢料回收處理能力為250kg/h，可為150輛EV提供再生的鋅粒。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的應(yīng)用 1995年以色列電燃料（Electric Fuel）有限公司首次將鋅空氣電池用于載重1000kg、總重3500kg的電動郵車上，使得鋅空氣電池進入了實用化階段。實驗結(jié)果為：比能量達到207Wh/kg350kg的鋅空氣電池使電動郵車行駛了300km最高車速可達120km/h由靜止加速到80km/h為12s更換鋅粒匣和灌滿電解質(zhì)的時間為2min以色列設(shè)有每小時能處理10kg鋅的

6、再生處理廠，可以供給1015輛電動郵車更換鋅粒匣服務(wù)。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的應(yīng)用 國內(nèi)在注入式鋅空氣電池方面開展了多年的研究工作，在部分電動車輛上進行了實驗性裝車測試。2010年，北京市安排5輛電動大客車和環(huán)衛(wèi)車進行運行測試，另安排50輛電動大客車和環(huán)衛(wèi)車電池，在北京市政府指定的線路進行路試，投入市公交和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的試驗運行，為市場化運作提供可靠的依據(jù)。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用4、鋅空氣電池的優(yōu)點(1)容量大：空氣電極的活性物質(zhì)氧氣來自周圍的空氣，材料不占用電池空間，在相同體積、重量的情況下，鋅空氣電池就儲存了更多的反應(yīng)原料，因而容量就會高出很多。(2)能量密度高：理論可達

7、1350Wh/kg，目前已研制成功的鋅空氣電池比能量已經(jīng)可以達到200Whkg以上，是鉛酸電池的5倍。(3)價格低廉：陰極活性物質(zhì)氧氣來自空氣，除了空氣催化電極之外，不需要任何高成本組件；陽極活性物質(zhì)鋅來源充足，資源豐富，價格便宜，并且鋅可回收利用，價格可進一步降低。(4)儲存壽命好:鋅空氣電池在儲存過程中均采用密封措施，將電池的空氣孔與外界隔絕，因而電池的容量損失極小，儲存壽命好。(5)鋅可回收利用、制造成本低:鋅來源豐富，生產(chǎn)成本低、回收再生方便且再生成本較低。(6)綠色環(huán)保:鋅空氣金屬燃料電池負極物質(zhì)放電完畢后變成氧化鋅，可通過電解還原成鋅。在使用完畢后，正負極物質(zhì)容易分離，便于集中回收

8、，對于某些不便回收的場合，由于鋅空氣金屬燃料電池內(nèi)無有害物質(zhì)即使拋棄也不會造成環(huán)境污染。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用5、鋅空氣電池的應(yīng)用中存在的問題（1）防止電解液中水分的蒸發(fā)或電解液的吸潮。（2）避免鋅電極的直接氧化。（3）防止鋅枝晶的生長。（4）提高空氣電極催化劑活性。（5）控制電解液的碳酸化。（6）解決電池的發(fā)熱和溫升問題。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超高速飛輪的工作原理超高速飛輪電池儲能是基于飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，可以存儲動能:式中j飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與飛輪的形狀和重量有關(guān)； 飛輪轉(zhuǎn)動的角速度。充電時，飛輪電池中的電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電

9、給飛輪電池“充電”，增加了飛輪的轉(zhuǎn)速；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電能的轉(zhuǎn)換。飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速可達200000rmin飛輪電池技術(shù)主要涉及復(fù)合材料科學(xué)、電力電子技術(shù)、磁懸浮技術(shù)、超真空技術(shù)、微電子控制系統(tǒng)等學(xué)科，具有明顯的多學(xué)科交叉和集成特點。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、典型的飛輪儲能電池結(jié)構(gòu)飛輪電池主要由以下幾部分組成：復(fù)合材料飛輪、集成的發(fā)電機/電動機、支撐軸承、電力電子及其控制系統(tǒng)、真空腔、輔助軸承和事故屏蔽容器。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、飛輪電池的特性（1）能量密度高。儲能密度可達100200Wh

10、kg，功率密度可達500010000Wkg。（2）能量轉(zhuǎn)換效率高。工作效率高達90%。（3）工作溫度范圍寬。對環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。（4）使用壽命長。不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運行，預(yù)期使用壽命20年以上。（5）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。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、飛輪電池的應(yīng)用(1)交通運輸。飛輪電池充電快，放電完全，非常適合車輛應(yīng)用?，F(xiàn)在由于成本和小型化的問題，僅在部分電動汽車和火車上有示范性應(yīng)用，并且主要是混合動力電動車輛，車輛在正常行駛或制動時，給飛輪電池充電，在加速或爬坡時，飛輪電池則給車輛提供動力，保證發(fā)動機在最優(yōu)狀

11、態(tài)下運轉(zhuǎn)。(2)航空航天。航空航天方面包括在人造衛(wèi)星、飛船、空間站上的應(yīng)用等。飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負載的使用時間為化學(xué)電池的3l0倍。同時，因為它的轉(zhuǎn)速是可測可控的，故可以隨時查看剩余電能。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150kW的電能。(3)不間斷電源。飛輪電池作為穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時間足以保證工廠進行電源切換。德國GmbH公司制造了一種使用飛輪電池的UPS，在5s內(nèi)可提供或吸收5MW的電能。二、超高速飛輪的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用5、飛輪電池的應(yīng)用案例1987年，德國開發(fā)了飛輪電池混合動力汽車，利用飛輪電池吸收9

12、0%的制動能量，并在需要短時加速等工況下輸出電能補充內(nèi)燃機功率的不足。1992年，美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)采用纖維復(fù)合材料制造飛輪，并開發(fā)了飛輪電池電動汽車，該車一次充電續(xù)駛里程達到600km。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超級電容器工作原理 電容器是由兩個彼此絕緣的平板形金屬電容板組成，在兩塊電容板之間用絕緣材料隔開。電容器極板上所儲集的電量q與電壓成正比。電容的計量單位為“法拉”(F)。計算公式如上圖所示 式中電介質(zhì)的介電常數(shù)； A電極表面積； d電容器間隙的距離。 電容器的容量與電容板面積大小成正比，而與電容板的厚度無關(guān)。與電容板間的間隙大小成反比，當(dāng)電容元件充電時，電容元件上的電

13、壓增高，電場能量增大，電容器從電源上獲得電能，電容器存儲的能量E為三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超級電容器工作原理 當(dāng)外加電壓加到超級電容器的兩個極板上時，兩極板上電荷的電場作用下，在電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內(nèi)電場，這種正電荷與負電荷在兩個不同向之間的接觸面上，以正負電極之間極短間隙排列在相反的位置上，此電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、超級電容器分類 （1）按工作原理分：雙電層型超級電容器贗電容型超級電容器（2）按電解質(zhì)類型分：水性電解質(zhì)超級電容器有機電解質(zhì)超級電容器酸性電解質(zhì)，多采用36%H2SO4水溶液作為電解質(zhì)；堿

14、性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑；中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、超級電容器特性超級電容主要有以下特點：（1）輸出功率密度高。超級電容器的內(nèi)阻很小，輸出功率密度高達數(shù)千瓦每千克。（2）極長的充放電循環(huán)壽命。超級電容器循環(huán)壽命可達上萬次。（3）非常短的充電時間。完全充電時間只要1012min。（4）儲存壽命極長。理論上超級電容器的儲存壽命幾乎可以認(rèn)為是無限的。（5）比能量低。這一缺陷制約了超級電容的應(yīng)用。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、超級電容器在電動汽車上的應(yīng)用本田的

15、FCX燃料電池一超級電容混合動力汽車是世界上最早安現(xiàn)商品化的燃料電池轎車，該車已于2002年在日本和美國加州上市；日產(chǎn)公司于2002年6月24日生產(chǎn)了安裝有柴油機、電動機和超級電容的并聯(lián)混合動力卡車，此外還推出了天然氣超級電容混合動力客車，該車的經(jīng)濟性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的24倍；日本富士重工推出的電動汽車已經(jīng)使用了日立機電制作的鋰離子蓄電池和松下電器制作的儲能電容器的聯(lián)用裝置 國內(nèi)2004年7月，我國首部“電容蓄能變頻驅(qū)動式無軌電車”在上海張江投入試運行，當(dāng)電車停靠站時在30 s內(nèi)快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時速可達44 km/h； 哈爾濱工業(yè)大學(xué)和巨容集團研制的超級電容器電動公交車，

16、可容納50名乘客，最高速度20km/h； 2010年上海世博會期間，在世博園內(nèi)也運行了采用超級電容器驅(qū)動的電動客車。四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、燃料電池的工作原理燃料電池基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的可逆反應(yīng)燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，離子能通過兩電極間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰極、陽極間形成電壓。燃料電池的工作原理四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、燃料電池的工作原理以氫-氧型燃料電池為例，其基本原理是氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的吉布斯自由能直接轉(zhuǎn)化為電能。其化學(xué)反應(yīng)原理為：1)氫氣通入陽極，在催化劑作用下，一個氫分子分解為兩個氫離子，并釋放出兩個電子2)在電池另一端，氧氣或空

17、氣到達陰極，同時，氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極，電子通過外電路到達陰極。3)在陰極催化劑的作用下，氧氣和氫離子與電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為4)總的化學(xué)反應(yīng)為四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、燃料電池的分類不同類型的燃料電池特性對比四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)電池組（燃料電池堆）氣源（儲氫和供氫系統(tǒng)）溫度調(diào)節(jié)單元（排熱）電壓調(diào)整和功率變換單元系統(tǒng)控制單元四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展趨勢美國通用汽車，2003年的氫動三號，0100km/h加速時間為16秒，最高時速為160km/h，輸出功率達到94kW，基于歐寶賽飛利底盤平臺。美國通用汽車：雪佛蘭Equinox氫燃料電池汽車我國福田歐V燃料電池城市客車學(xué)習(xí)檢測學(xué)習(xí)小結(jié)教學(xué)目標(biāo)主要內(nèi)容鋅空氣電池具有容量大、能量密度高、價格低廉、儲存壽命好、鋅可回收和反復(fù)利用、綠色環(huán)保等優(yōu)點，但因其空氣電極在工作時暴露于空氣中，推廣應(yīng)用時仍存在很多問題，目前主要在試驗車上測試。飛輪電池具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度范圍寬、使用壽命長、低損耗、低維護等優(yōu)點，典型的應(yīng)用是作為混合動力車的能量回收裝置，作為車輛主要動力來源的應(yīng)用還不多。超級電容器的具有比功率高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、