鋰離子電池電動汽車結構與原理演示文稿

鋰離子電池電動汽車結構與原理演示文稿第一頁，共一百二十二頁。優(yōu)選鋰離子電池電動汽車結構與原理第二頁，共一百二十二頁。第二章蓄電池電動汽車2.0概述

2.1電動汽車驅動系統(tǒng)

2.2驅動電機及其控制系統(tǒng)

2.3蓄電池結構及性能

2.4電動汽車能量管理系統(tǒng)

2.5電動汽車車輛管理系統(tǒng)

2.6純電動汽車實例分析第三頁，共一百二十二頁。第二章蓄電池電動汽車※重點純電動汽車的結構和性能各種類型的電動汽車用驅動電機各種類型的蓄電池及其性能※難點各種類型驅動電機的控制系統(tǒng)以蓄電池能量管理為核心的電動汽車能源管理系統(tǒng)、再生制動系統(tǒng)第四頁，共一百二十二頁。2.0

概述2.0.1定義

2.0.2特點

2.0.3基本組成

2.0.4關鍵技術

2.0.5發(fā)展趨勢第五頁，共一百二十二頁。

定義蓄電池電動汽車（純電動汽車）EV(ElectricVehicle)是僅由動力蓄電池向電機提供電能驅動車輛行駛的道路車輛。第六頁，共一百二十二頁。

定義結構示意圖第七頁，共一百二十二頁。

特點節(jié)能，不消耗石油；環(huán)保，無污染；噪聲和振動小。能量主要是通過柔性的電線而不是通過剛性聯(lián)軸器和轉軸傳遞，各部件的布置具有很大的靈活性。驅動系統(tǒng)布置不同會使系統(tǒng)結構區(qū)別很大；采用不同類型的電機(如直流電機和交流電機)會影響到純電動汽車的質量、尺寸和形狀；不同類型的儲能裝置也會影響電動汽車的質量、尺寸及形狀。不同的補充能源裝置具有不同的硬件和機構，例如蓄電池可通過感應式和接觸式的充電器充電，或者采用替換蓄電池的方式，將替換下來的蓄電池再進行集中充電。第八頁，共一百二十二頁。

基本組成1.車載電源2.電池管理系統(tǒng)3.

驅動電動機4.控制系統(tǒng)5.車身及底盤6.安全保護系統(tǒng)第九頁，共一百二十二頁。

基本組成1.車載電源組成以動力電池組作為車載電源，用周期性的充電來補充電能。重要性

動力電池組是EV的關鍵裝備，儲存的電能、質量和體積，對EV性能起決定性影響，也是發(fā)展EV的主要研究和開發(fā)對象。

EV發(fā)展的癥結在于電池，電池技術對EV的制約仍然是EV發(fā)展的瓶頸。

建立充電站系統(tǒng)、報廢電池回收和處理工廠，是推廣EV的關鍵問題。第十頁，共一百二十二頁。

基本組成1.車載電源發(fā)展

(1)第一代EV電池：鉛酸電池

優(yōu)點：技術成熟，成本低。

缺點：比能量和比功率低不能滿足EV續(xù)駛里程和動力性能的需求，但進一步發(fā)展了閥控鉛酸電池、鉛布電池等，使鉛酸電池的比能量有所提高。

第十一頁，共一百二十二頁。

基本組成1.車載電源發(fā)展

(2)第二代高能電池：鎳—鎘電池、鎳—氫電池、鈉—硫電池、鈉—氯化鎳電池、鋰離子電池、鋰聚合物電池、鋅—空氣電池和鋁—空氣電池等

優(yōu)點：比能量和比功率都比鉛酸電池高，大大提高了EV的動力性能和續(xù)駛里程。

缺點：有些高能電池需要復雜的電池管理系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，各種電池對充電技術有不同要求。而且電化學電池中的活性物質在使用一定的期限后，會老化變質以至完全喪失充電和放電功能而報廢，從而使EV的使用成本高。第十二頁，共一百二十二頁。

基本組成1.車載電源發(fā)展

(3)第三代電池：飛輪電池、超級電容器飛輪電池是電能—機械能—電能轉換的電池。超級電容器是電能—電位能—電能轉換的電池。這兩種儲能器在理論上都具有很大的轉換能力，而且充電和放電方便迅速，但尚處于研制階段。第十三頁，共一百二十二頁。

基本組成1.車載電源高壓電源

動力電池組提供約155~380V高壓直流電。

動力電池組是供電機工作的唯一動力電源。

空調系統(tǒng)的空壓機，動力轉向系統(tǒng)的油泵和制動系統(tǒng)的真空泵等，也需要動力電池組提供動力電能。低壓電源動力電池組通過DC/DC轉換器，供應12V或24V低壓電，并儲存到低壓電池組中，作為儀表、照明和信號裝置等工作的電源。第十四頁，共一百二十二頁。

基本組成2.電池管理系統(tǒng)管理

對動力電池組充電與放電時的電流、電壓、放電深度、再生制動反饋電流、電池溫度等進行控制。

個別電池性能變化后，會影響到整個動力電池組性能，故需用電池管理系統(tǒng)來對整個動力電池組及其每一單體電池進行監(jiān)控，保持各個單體電池間的一致性。充電動力電池組必須進行周期性的充電。高效率充電裝置和快速充電裝置，是EV使用時所必須的輔助設備?？刹捎玫孛娉潆娖鳌④囕d充電器、接觸式充電器或感應充電器等進行充電。第十五頁，共一百二十二頁。

基本組成3.

驅動電動機驅動電動機是驅動EV行駛的唯一動力裝置。類型

直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。再生制動

再生制動是EV節(jié)能的重要措施之一。制動時電動機可實現(xiàn)再生制動，一般可回收10%~15%的能量，有利于延長EV行駛里程。

在EV制動系統(tǒng)中，還保留常規(guī)制動系統(tǒng)和ABS制動系統(tǒng)，以保證車輛在緊急制動時有可靠的制動性能.第十六頁，共一百二十二頁。

基本組成4.控制系統(tǒng)EV的控制系統(tǒng)主要是對動力電池組的管理和對電動機的控制。將加速踏板、制動踏板機械位移的行程量轉換為電信號，輸入中央控制器，通過動力控制模塊控制驅動電動機運轉。計算動力電池組剩余電量和剩余續(xù)駛里程。對整車低壓系統(tǒng)的電子、電器裝置進行控制。采用各種各樣的傳感器、報警裝置和自診斷裝置等，對整個動力電池組—功率轉換器—驅動電動機系統(tǒng)進行監(jiān)控并及時反饋信息和報警。第十七頁，共一百二十二頁。

基本組成5.車身及底盤車身

EV車身造型特別重視流線型,以降低空氣阻力系數(shù)。底盤

由于動力電池組的質量大，為減輕整車質量，采用輕質材料制造車身和底盤部分總成。

動力電池組占據(jù)的空間大，在底盤布置上還要有足夠的空間存放動力電池組，并且要求線路連接、充電、檢查和裝卸方便，能夠實現(xiàn)動力電池組的整體機械化裝卸。第十八頁，共一百二十二頁。

基本組成6.安全保護系統(tǒng)高壓安全動力電池組具有高壓直流電，必須設置安全保護系統(tǒng)，確保駕駛員、乘員和維修人員在駕駛、乘坐和維修時的安全。故障處理必須配備電氣裝置的故障自檢系統(tǒng)和故障報警系統(tǒng)，在電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時自動控制EV不能起動等，及時防止事故的發(fā)生。第十九頁，共一百二十二頁。

基本組成小結操縱：在操縱裝置和操縱方法上繼承或沿用內燃機汽車主要的操縱裝置和操縱方法，適應駕駛員的操作習慣，使操作簡單化和規(guī)范化。控制：在EV控制系統(tǒng)中，采用全自動或半自動的機電一體化控制系統(tǒng)，達到安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保和靈活的目的。電池：提高電池的比能量和比功率，實現(xiàn)電池的高能化。電機：采用高效率的電能轉換系統(tǒng)和高效率的驅動電動機，提高電動機和驅動系統(tǒng)的效率。車身和底盤：采用流線型車身，降低迎風面積和空氣阻力系數(shù)。采用輕金屬材料、高強度復合材料和新型EV專用車身和底盤結構，實現(xiàn)車身和底盤的輕量化，減輕整備質量。采用低滾動阻力輪胎，降低行駛阻力。再生制動：回收再生制動能量，延長行駛里程。第二十頁，共一百二十二頁。

關鍵技術1.驅動電動機的選擇及功率匹配電動機應具有良好的轉矩—轉速特性，一般具有6000~15000r/min的轉速。根據(jù)車輛行駛工況，驅動電動機可以在恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)運轉。驅動電動機應經常保持在高效率范圍內運轉。在低速—大轉矩（恒轉矩區(qū)）運轉范圍內效率在0.75~0.85之間，在恒功率運轉范圍內效率在0.8~0.9之間。第二十一頁，共一百二十二頁。

關鍵技術2.動力電池組的選擇與特性3.減速器傳動比的確定由于電動機的轉速高，不能直接驅動車輛的車輪，通常在驅動系統(tǒng)中采用大速比的減速器或2檔變速器。作用：減速、增扭減速器或變速器中不設置倒檔齒輪，倒車是靠電動機的反轉來實現(xiàn)。第二十二頁，共一百二十二頁。

關鍵技術4.控制系統(tǒng)的設計目標：延長續(xù)駛里程續(xù)駛里程

續(xù)駛里程指電動汽車從動力蓄電池全充滿狀態(tài)開始到標準規(guī)定的試驗結束時所走過的里程。采用工況法按照一定的工況反復地循環(huán)行駛，是EV測定續(xù)駛里程的基本方法。

我國頒布的GB/T18386—2001《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》適用于EV最大總質量≤3500kg，最高車速≥70km/h的EV。第二十三頁，共一百二十二頁。

關鍵技術4.控制系統(tǒng)的設計延長續(xù)駛里程的方法

選用高比能量的電池。

減少EV在行駛中各種環(huán)節(jié)中的能量損耗。

減少EV輔助系統(tǒng)的電能消耗，對空調、動力轉向等進行自動控制。

設計新EV時，在造型、結構、材料和配件方面，應使G,f和CD等盡量降低。第二十四頁，共一百二十二頁。2.0.5發(fā)展趨勢當前EV主要向小型化、個性化、家庭化和休閑化方向開辟市場，可適當?shù)亟档蛯恿π阅?、最高車速和續(xù)駛里程方面的要求。世界各國都有各式各樣的微型和小型EV在使用。如日本豐田汽車公司E-com微型電動轎車和日產汽車公司的Hypermini微型電動轎車。NissanHypermini

(2000)第二十五頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)組成動力電池組驅動電動機傳動系統(tǒng)驅動輪控制裝置驅動系統(tǒng)第二十六頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式1.傳統(tǒng)的驅動系統(tǒng)

(1)電動機替代發(fā)動機。

(2)仍然采用內燃機汽車的傳動系統(tǒng)，包括離合器、變速器、傳動軸和驅動橋等總成。

(3)有電動機前置、驅動橋前置(F-F)，電動機前置、驅動橋后置(F-R)等各種驅動模式。

(4)結構復雜，效率低，不能充分發(fā)揮電動機的性能。M—電動機C—離合器GB—變速器D—差速器第二十七頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式2.簡化的傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)

采用固定速比減速器，去掉離合器，可減少機械傳動裝置的質量、縮小其體積。M—電動機FG—固定速比減速器D—差速器第二十八頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式3.電動機—驅動橋整體式驅動系統(tǒng)

(1)與發(fā)動機橫向前置、前輪驅動的內燃機汽車的布置方式類似。

(2)把電動機、固定速比減速器和差速器集成為一個整體，兩根半軸連接驅動車輪。

(3)傳動機構緊湊，傳動效率較高，安裝方便，在小型電動汽車上應用最普遍。M—電動機FG—固定速比減速器D—差速器第二十九頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式4.雙電動機驅動系統(tǒng)

(1)采用兩個電動機通過固定速比減速器分別驅動兩個車輪。

(2)每個電動機的轉速可以獨立的調節(jié)控制，便于實現(xiàn)電子差速，不必選用機械差速器。M—電動機FG—固定速比減速器第三十頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式4.雙電動機驅動系統(tǒng)

(3)電子差速器的優(yōu)點是體積小、質量輕，在汽車轉彎時可以實現(xiàn)精確的電子控制，提高電動汽車的性能；其缺點是由于增加了電動機和功率轉換器，增加了初始成本，而且在不同條件下對兩個電動機進行精確控制的可靠性需要進一步發(fā)展。機械差速器電子差速器第三十一頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式5.內轉子電動輪驅動系統(tǒng)

(1)電動機裝在車輪內，形成輪轂電動機，可進一步縮短從電動機到驅動輪的傳遞路徑。

(2)采用高速內轉子電動機(約10000r/min)，需裝固定速比減速器降低車速。一般采用高減速比行星齒輪減速裝置，安裝在電動機輸出軸和車輪輪緣之間，且輸入和輸出軸可布置在同一條軸線上。

M—電動機FG—固定速比減速器第三十二頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式5.內轉子電動輪驅動系統(tǒng)

(3)高速內轉子電動機具有體積小、質量輕和成本低的優(yōu)點，但它需要加行星齒輪變速機構。內轉子電動輪第三十三頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式6.外轉子電動輪驅動系統(tǒng)

(1)采用低速外轉子電動機，可完全去掉變速裝置。

(2)電動機外轉子直接安裝在車輪輪緣上，電動機轉速和車輪轉速相等，車輪轉速和車速控制完全取決于電動機的轉速控制。

M—電動機第三十四頁，共一百二十二頁。2.1

電動汽車驅動系統(tǒng)電驅動系統(tǒng)的結構形式6.外轉子電動輪驅動系統(tǒng)

(3)低速外轉子電動機結構簡單，無需齒輪變速傳動機構，但其體積大、質量大、成本高。外轉子電動輪第三十五頁，共一百二十二頁。2.2

驅動電機及其控制系統(tǒng)2.2.1電機類型

2.2.2電機性能要求與選用

2.2.3直流電機

2.2.4感應電機

2.2.5永磁電機

2.2.6開關磁阻電機

2.2.7各種電機的比較第三十六頁，共一百二十二頁。2.2.1電機類型驅動電機的基本類型直流交流特種直流電機異步電機同步電機鼠籠式感應電機永磁電機同步磁阻電機開關磁阻電機其它特種電機永磁無刷電機永磁同步電機繞線式感應電機第三十七頁，共一百二十二頁。

電機性能要求與選用對電動汽車用驅動電機的基本要求

較大范圍的調速性能。

高效率，低損耗。

在車輛減速時實現(xiàn)制動能量回收并反饋蓄電池。

電動機的質量、各種控制裝置的質量和冷卻系統(tǒng)的質量等盡可能小。

對電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性，都必須符合國家(或國際)有關車輛電氣控制的安全性能的標準和規(guī)定，裝置高壓保護設備。

可靠性好、耐溫和耐潮性能強，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。

結構簡單，適合大批量生產，運行噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。第三十八頁，共一百二十二頁。

電機性能要求與選用電動車用電機的選用

采用技術成熟，性能可靠，控制方便和價格便宜的電機，如感應電機和永磁電機。

電機在低速時應具有大的轉矩和超載能力，過載系數(shù)應達到3~4；在高速運轉時，應具有大的功率和有較寬闊的恒功率范圍。

有足夠的動力性能克服各種行駛阻力，保證電動汽車有良好的起動、加速性能和行駛速度及實現(xiàn)制動能量回收。電機驅動力與電動車行駛阻力平衡圖第三十九頁，共一百二十二頁。

直流電機分類

永磁直流電機

勵磁繞組直流電機它勵并勵串勵(多用于電動車)復勵第四十頁，共一百二十二頁。

直流電機優(yōu)點具有優(yōu)良的電磁轉矩控制特性，控制裝置簡單、價廉。缺點效率較低、質量大、體積大、可靠性低(有換向器和電刷).控制系統(tǒng)斬波器是在直流電源與直流電機之間的一個周期性的通斷開關裝置。一象限直流斬波控制直流斬波器控制下的輸出電壓第四十一頁，共一百二十二頁。

感應電機分類

繞線式感應電機

鼠籠式感應電機：多用于電動車優(yōu)點效率高、結構簡單、堅實可靠、免維護、體積小、重量輕、易于冷卻(可直接向定子和轉子噴油)、壽命長、能有效的實現(xiàn)再生制動等。控制方法脈沖寬度調節(jié)(PWM)；變頻變壓調節(jié)(VFVV)；矢量控制調節(jié)(VC)；直接轉矩控制(DSC)第四十二頁，共一百二十二頁。

永磁電機優(yōu)點高質量比功率，高效率等。缺點控制系統(tǒng)復雜，成本高，功率范圍較小等。第四十三頁，共一百二十二頁。

開關磁阻電機優(yōu)點

高起動轉矩、低起動電流

高效率、低損耗

電機結構簡單，適應于高速運轉，成本低

電機功率電路簡單

可靠性好

良好的適應性缺點控制系統(tǒng)復雜，輸出轉矩波動較大，振動大、噪聲大等。第四十四頁，共一百二十二頁。

各種電機的比較驅動電機的基本性能比較項目直流電機感應電機永磁電機開關磁阻電機比功率低中高較高峰值效率(%)85~8994~9595~9790負荷效率(%)80~8790~9285~9778~86功率因數(shù)(%)-82~8590~9360~65恒功率區(qū)-1:51:2.251:3轉速范圍(r/min)4000~600012000~150004000~10000可>15000可靠性

一般好優(yōu)良好結構的堅固性差好一般優(yōu)良電機外廓大中小小電機質量大中小小電機成本($/kW)108~1210~156~10控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般第四十五頁，共一百二十二頁。“十五”863計劃電動汽車重大專項成果展示電動汽車用電機及控制系統(tǒng)第四十六頁，共一百二十二頁。課外作業(yè)1比較各種驅動電機的性能優(yōu)缺點。第四十七頁，共一百二十二頁。2.3

蓄電池結構及性能2.3.1性能參數(shù)2.3.2工作原理2.3.3類型2.3.4鉛酸電池2.3.5鎳基電池2.3.6金屬空氣電池2.3.7鈉-β電池2.3.8常溫鋰電池2.3.9各種電池的比較2.3.10超級電容飛輪電池第四十八頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)能量(Wh)=u(t)—工作電壓(V)；i(t)—放電電流(A)；t—放電時間(h)容量(Ah)=截止電壓蓄電池放電曲線拐點對應的工作電壓。蓄電池工作電壓不應低于該值，此時蓄電池放電深度DOD(DeepnessOfDischarge)達到100%。放電電流開路電壓工作電壓截止電壓蓄電池端電壓0第四十九頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)可利用能量和容量

達到蓄電池截至工作電壓之前的放電總能量和總容量。

兩者通常是放電電流、放電環(huán)境溫度、電池老化程度的函數(shù)。第五十頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)放電率

蓄電池放電電流(A)I=kCnk—放電率；C—蓄電池的額定容量(Ah)；

n—與蓄電池額定容量對應的標定放電時間

例

額定容量5Ah的蓄電池以C/5放電率放電，則放電電流為kCn=(1/5)x5=1A。

額定容量10Ah的蓄電池以2A放電，則放電率為I/Cn=(2/10)C=0.2C，即C/5。

隨放電率的提高，蓄電池可利用能量和容量降低。在表示蓄電池的可利用能量或容量時，一定要指出放電率。第五十一頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)荷電狀態(tài)SOC(StateOfCharge)

定義：剩余容量與總容量的百分比。

用于描述蓄電池的剩余容量。

是蓄電池放電率、工作環(huán)境溫度和蓄電池老化程度的函數(shù)。理論上：SOC=Cr/Ct×100%Cr—蓄電池在計算時刻的剩余容量

Ct—蓄電池在計算時刻的總容量由于容量受放電率或放電電流的影響很大，則實際上：SOCI=CrI/CtI×100%SOCI—蓄電池以恒流I放電時在計算時刻的SOCCrI—蓄電池以恒流I放電時在計算時刻的剩余容量

CtI—蓄電池以恒流I放電時在計算時刻的總容量第五十二頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)Peukert方程蓄電池有效容量與放電電流之間的關系式：CtI=kI(1-n)

其中：n=lg(t2/t1)/lg(I1/I2)；k=I1nt1=I2nt2I1—最高的放電電流；I2—最低的放電電流

t1—與I1相對應的放電時間;t2—與I2相對應的放電時間第五十三頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)計算SOC的方法

密度法有些蓄電池電解液密度的變化取決于電解液濃度的變化，相應的會引起SOC變化，密度法適合于測量這些蓄電池。只有在蓄電池穩(wěn)定后才能用該方法來測量。

開路電壓法(OCV)SOC與開路電壓有對應關系。該方法只適用于SOC隨開路電壓變化明顯的蓄電池。開路電壓需要很長的時間才能穩(wěn)定(一般12h)。鉛酸電池SOC與OCV關系曲線圖第五十四頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)計算SOC的方法

恒定電流電壓法假定負載電流不變，則負載電壓與OCV成正比，由此可估計電池SOC。

安培小時法

CtI—蓄電池以恒流I放電時在計算時刻的總容量

t—放電時間第五十五頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)比能量(Wh/kg)

定義：單位質量的蓄電池所具有的能量，即蓄電池的質量能量密度。

影響電動汽車整車質量和續(xù)駛里程的重要指標。能量密度(Wh/L)

定義：單位體積的蓄電池所具有的能量，即蓄電池的體積能量密度。

只影響蓄電池的布置空間?！铍姵乇饶芰亢湍芰棵芏扰c蓄電池的放電率有關。第五十六頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)比功率(W/kg)

定義：單位質量的蓄電池所具有的輸出能量的速率，即質量比功率。

影響電動汽車加速和爬坡能力等動力性的重要指標。

與蓄電池放電深度DOD密切相關，在表示蓄電池比功率時要指出蓄電池DOD。功率密度(W/L)

定義：單位體積的蓄電池所具有的輸出能量的速率，即體積比功率。第五十七頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)能量效率

定義：放電過程的輸出電能與充電過程的輸入電能的百分比。

蓄電池能量效率通常為55%~75%。電量效率

定義：蓄電池放電Ah數(shù)與充電Ah數(shù)的百分比。

蓄電池電量效率通常為65%~90%。第五十八頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)循環(huán)壽命

定義：蓄電池失效前所允許的深放電次數(shù)。

受蓄電池放電深度DOD的影響，放電深度越大，循環(huán)壽命越短。表示循環(huán)壽命時要同時指出放電深度DOD，如：蓄電池循環(huán)壽命400次@100%DOD或1000次@50%DOD。成本

包括初始的生產成本和使用過程中的維護使用成本。初始成本具有決定意義，目前初始成本約為120~1200US$/kWh(960~9600RMB/kWh)。

正是因為成本問題使電動汽車不能與燃油車競爭。第五十九頁，共一百二十二頁。

性能參數(shù)對蓄電池性能的要求

高比能量滿足車輛續(xù)駛里程的要求。

高比功率滿足車輛動力性的要求。

與車輛使用壽命相當?shù)难h(huán)壽命。

高效率。

良好的性能價格比。

免維護。

充放電性能適合車輛使用要求。※蓄電池是純電動汽車發(fā)展的制約因素。第六十頁，共一百二十二頁。

工作原理多個單體電池串聯(lián)組成蓄電池。電化學電池單體的基本工作原理

電池正極和負極都浸在電解液中。

放電：負極發(fā)生氧化反應，向外電路釋放電子；正極發(fā)生還原反應，從外電路得到電子。

充電：與放電過程正好相反，負極得到電子發(fā)生還原反應；正極失去電子發(fā)生氧化反應。充電負電極正電極離子移動電解液-+放電e-第六十一頁，共一百二十二頁。

類型※類型鉛酸電池

閥控鉛酸電池(VRLA)(2V)鎳基電池

鎳—鎘電池(Ni-Cd)(1.2V)

鎳—鋅電池(Ni-Zn)(1.6V)

鎳氫電池(Ni-MH)(1.2V)金屬空氣電池

鋅空氣電池(Zn/Air)(1.2V)

鋁空氣電池(Al/Air)(1.4V)鈉-β電池

鈉硫電池(Na/S)(2V)

鈉鎳氯化物電池(Na/NiCl2)(2.5V)常溫鋰電池

鋰聚合物電池(Li-Polymer)(3V)

鋰離子電池(Li-Ion)第六十二頁，共一百二十二頁。

鉛酸電池性能單體額定電壓2V，比能量35Wh/kg，比功率200W/kg?；瘜W反應式

Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O

采用金屬鉛Pb作負電極，二氧化鉛PbO2作正電極，用硫酸H2SO4作電解液，為酸性蓄電池。閥控鉛酸電池VRLA

密封、免維護、不漏液。典型代表為Electrosource公司的Horizon電池。放電充電第六十三頁，共一百二十二頁。

鉛酸電池優(yōu)點技術可靠，生產工藝成熟，成本低，單體電池電壓高，適合電動汽車使用的良好的大電流輸出性能，良好的高溫和低溫性能，高的能量效率(75%~80%)以及多種多樣的型號和尺寸。缺點比能量和能量密度都比較低(通常為35Wh/kg和70Wh/L)，自放電率較高(每天降低1%@環(huán)境溫度25℃)，循環(huán)壽命相對較低(約為500次)，由于硫酸腐蝕電極不便于長期儲存等。第六十四頁，共一百二十二頁。2.3.5鎳基電池※Ni-Cd電池性能單體額定電壓1.2V，比能量56Wh/kg,比功率225W/kg。化學反應式

Cd+2NiOOH+2H2O

Cd(OH)2+2Ni(OH)2

采用金屬Cd作負極，NiOOH作正極，用堿性KOH溶液作電解液，為堿性蓄電池。放電充電第六十五頁，共一百二十二頁。2.3.5鎳基電池※Ni-Cd電池優(yōu)點比功率高于220W/kg，循環(huán)使用壽命高達2000次，抗電流沖擊能力強，機械強度高，在相當大的放電電流范圍內都具有比較平滑的電壓曲線，良好的快速充電能力(18min內達電池容量的40%~80%)，較寬的工作溫度范圍(-40℃~85℃)，自放電率小(<0.5%每天)，優(yōu)越的長期使用能力(電解液對電極的腐蝕作用可以忽略)以及較寬的尺寸和容量選擇范圍等。缺點生產成本高(為鉛酸電池的2~4倍)，具有記憶效應，相對較低的電池電壓以及金屬鎘具有致癌性等。第六十六頁，共一百二十二頁。2.3.5鎳基電池※Ni-Zn電池性能單體額定電壓1.6V,比能量60Wh/kg,比功率300W/kg。化學反應式

Zn+2NiOOH+2H2O

Zn(OH)2+2Ni(OH)2

采用鋅作負極，NiOOH作正極，用堿性KOH溶液作電解液，為堿性蓄電池。放電充電第六十七頁，共一百二十二頁。2.3.5鎳基電池※Ni-Zn電池優(yōu)點比能量高，比功率高，電池單體電壓高，設計成本低，無毒性，允許過充電和深度放電，可以大的放電率充/放電，工作溫度范圍寬(-20℃~60℃)等。缺點致命弱點是循環(huán)壽命短(大約僅為300次)。第六十八頁，共一百二十二頁。2.3.5鎳基電池※Ni-MH電池性能單體額定電壓1.2V，比能量65Wh/kg,比功率200W/kg。化學反應式

MH+NiOOH

M+2Ni(OH)2

采用金屬氫化物MH作負極，NiOOH作正極，用堿性KOH溶液作電解液，為堿性蓄電池。放電充電第六十九頁，共一百二十二頁。2.3.5鎳基電池※Ni-MH電池優(yōu)點高于其它任何鎳基電池的比能量和能量密度，環(huán)保(無鎘)，平坦的放電曲線和快速充電性能(與Ni-Cd電池類似)。缺點初始成本高，有記憶效應，充電發(fā)熱等。前景滿足電動汽車使用的近期目標。眾多電池生產廠家，如GMOvonic、GP、GS、Panasonic、SAFT、VARTA和YUASA等都致力于開發(fā)電動汽車用Ni-MH電池。第七十頁，共一百二十二頁。2.3.6金屬空氣電池特點采用金屬負電極和空氣正電極；具有很大的潛力提高比能量和能量密度。充電方式

電力充電方式：需要一個附加電極維持氧化作用或采用一個雙功能電極以允許氧氣的減少。

機械充電方式：采用更換金屬電極的方法。充電過程包括四步：(1)打開已放完電的電極盒，取出放電反應廢物氧化鋅或氧化鋁；(2)把氧化鋅或氧化鋁溶于氫氧化鉀溶液中形成鋅酸鹽或鋁酸鹽；(3)電解鋅酸鹽或鋁酸鹽溶液；(4)將電解產生的鋅粒或鋁粒重新裝入電極盒中。第七十一頁，共一百二十二頁。2.3.6金屬空氣電池優(yōu)點高比能量和能量密度、低價格(采用了常用金屬材料和空氣)、環(huán)保、平坦的放電曲線以及與負載和工作溫度無關的容量特性。機械充電方式采用加料方式實現(xiàn)了快速充電(與燃油車的加油方式相似)，集中充電/回收方式實現(xiàn)了高效環(huán)保的利用電能。缺點比功率低、工作溫度范圍有限、空氣中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和堿性電解液并釋放氫氣等。利用金屬空氣電池比能量和能量密度高的優(yōu)點，與其它類型電池(如高比功率的鉛酸電池)組合作為動力電源，可延長車輛續(xù)駛里程。第七十二頁，共一百二十二頁。2.3.6金屬空氣電池※Zn空氣電池性能單體額定電壓1.2V，比能量180Wh/kg,比功率95W/kg?；瘜W反應式

2Zn+O22ZnO

采用金屬Zn作負極，O2作正極，用堿性KOH溶液作電解液，為堿性蓄電池。放電充電第七十三頁，共一百二十二頁。2.3.6金屬空氣電池※Al空氣電池性能單體額定電壓1.4V,比能量250Wh/kg,比功率7W/kg。化學反應式

4Al+3O2+6H2O

4Al(OH)3

采用金屬Al作負極，O2作正極，用堿性KOH溶液或鹽溶液作電解液，為堿性蓄電池。放電充電第七十四頁，共一百二十二頁。

鈉-β電池※Na/S電池性能單體額定電壓2V,比能量170Wh/kg,比功率390W/kg,工作溫度范圍300~350℃。化學反應式

2Na+xS

Na2Sx(x=5~2.7)

采用熔鑄鈉作負極，熔鑄鈉多硫化合物作正極，用陶瓷β-Al2O3作電解液。放電充電第七十五頁，共一百二十二頁。

鈉-β電池※Na/S電池優(yōu)點高的比能量、比功率，80%的能量效率，靈活的工作特性和對環(huán)境條件改變不敏感。缺點安全問題(熔鑄活性物質具有腐蝕性并且反應活躍)，凍結—解凍耐久力技術未得到解決〔陶瓷電解液機械強度不夠)，需要對熱進行管理(多余能量和發(fā)熱的隔離)等。第七十六頁，共一百二十二頁。

鈉-β電池※Na/NiCl2電池性能單體額定電壓2.5V,比能量86Wh/kg,比功率150W/kg,工作溫度范圍250~350℃?；瘜W反應式

2Na+NiCl2Ni+2NaCl

采用熔鑄鈉作負極，固體鎳氯化物作正極，用陶瓷β-Al2O3和鈉鋁氯化物作電解液。放電充電第七十七頁，共一百二十二頁。

鈉-β電池※Na/NiCl2電池優(yōu)點更高的開路電壓、更寬的工作溫度范圍、化學反應物的安全性更好、更加可靠的失效模式、更好的耐凍結—解凍能力(更小的溫度差)。缺點成本高的難題(鎳成本較高)，比功率低。第七十八頁，共一百二十二頁。

鈉-β電池※Na/NiCl2電池性能單體額定電壓2.5V,比能量86Wh/kg,比功率150W/kg,工作溫度范圍250~350℃?；瘜W反應式

2Na+NiCl2Ni+2NaCl

采用熔鑄鈉作負極，固體鎳氯化物作正極，用陶瓷β-Al2O3和鈉鋁氯化物作電解液。放電充電第七十九頁，共一百二十二頁。

常溫鋰電池※Li聚合物電池性能單體額定電壓3V,比能量155Wh/kg,比功率315W/kg。化學反應式

xLi+MyOzLixMyOz

采用金屬鋰作負極，過渡金屬氧化物MyOz作正極，固態(tài)薄層電解液(SPE)。放電充電第八十頁，共一百二十二頁。

常溫鋰電池※Li聚合物電池優(yōu)點電池單體電壓高(3V)、比能量和能量密度高、自放電率低(0.5%/月)、形狀和尺寸多變，并且達到了安全設計(降低了鋰和固態(tài)電解液的活性)。缺點低溫性能較差。第八十一頁，共一百二十二頁。

常溫鋰電池※Li-Ion電池類型鎳基、鈷基、錳基(主要發(fā)展類型)Li-Ion電池性能鎳基單體額定電壓4V,比能量120Wh/kg,比功率260W/kg.化學反應式

LixC+Li1-xMyOzC+LiMyOz

采用鋰碳化合物LixC作負極，鋰化過渡金屬氧化物

Li1-xMyOz作正極，液體有機溶液或固體聚合物作電解液.放電充電第八十二頁，共一百二十二頁。

常溫鋰電池※Li-Ion電池優(yōu)點高電池單體電壓，高比能量和能量密度、非?？煽康脑O計(沒有使用金屬鋰)，長循環(huán)壽命(約1000次)。缺點自放電率高(10%/月)。第八十三頁，共一百二十二頁。

各種電池的比較※比較:性能參數(shù)a:C/3放電率;b:80%DOD;c:機械充電方式;d:僅供參考;NA:沒有數(shù)據(jù)電池類型比能量a

(Wh/kg)能量密度a

(Wh/L)比功率b

(W/kg)循環(huán)壽命b預計成本d(US$/kWh)VRLA30~4560~90200~300400~600150Ni-Cd40~6080~110150~350600~1200300Ni-Zn60~65120~130150~300300100~300Ni-MH60~70130~170150~300600~1200200~350Zn/Air230269105NAc90~120Al/Air190~250190~2007~16NAcNANa/S100150200800250~450Na/NiCl2861491501000230~350Li-Polymer155220315600NALi-Ion90~130140~200250~450800~1200>200USABC2003004001000<100第八十四頁，共一百二十二頁。

各種電池的比較※比較：特點電池類型主要優(yōu)缺點發(fā)展?jié)摿RLA技術成熟、成本低廉、可實現(xiàn)快速充電、比功率高近期目標比能量低潛力巨大Ni-Cd技術成熟、可實現(xiàn)快速充電、比功率高近期目標成本高、比能量低潛力大Ni-Zn比能量高、比功率高、成本低中期目標循環(huán)壽命短潛力大Ni-MH比能量高、比功率高、可實現(xiàn)快速充電近期目標成本高潛力巨大Zn/Air機械式充電、成本低廉、非常高的比能量中期目標比功率低、不能接受再生制動能量潛力巨大Al/Air機械式充電、成本低、豐常高的比能量中期目標非常低的比功率、不能接受再生制動能量潛力低第八十五頁，共一百二十二頁。

各種電池的比較※比較：特點電池類型主要優(yōu)缺點發(fā)展?jié)摿a/S比能量高、比功率高中期目標成本高、安全問題、需要熱管理系統(tǒng)潛力一般Na/NiCl2比能量高中期目標成本高、需要熱管理系統(tǒng)潛力大Li-Polymer非常高的比能量、高的比功率中期目標低溫性能差潛力大Li-Ion非常高的比能量、非常高的比功率中期目標成本高潛力巨大第八十六頁，共一百二十二頁。“十五”863計劃電動汽車重大專項成果展示鎳氫電池項目第八十七頁，共一百二十二頁?！笆濉?63計劃電動汽車重大專項成果展示電動汽車電池測試基地軟、硬件建設初具規(guī)模第八十八頁，共一百二十二頁。課外作業(yè)2比較各種動力蓄電池的性能優(yōu)缺點。第八十九頁，共一百二十二頁。

超級電容雙層電容

雙層電容技術是實現(xiàn)超級電容的主要措施。

當在電容器電極上加上電壓時，由于電解質分子的趨耦和排列作用，在兩電極的表面形成一個雙層電容。電容器的這種極化作用可以儲存電能。

電極：使用碳金屬纖維復合物或在碳纖維布料上涂導電聚合物以及采用在金屬箔上包裹金屬氧化物作為電極。

電解液：水有機溶液或固態(tài)聚合物等。

能量轉換：電能—電位能—電能++++----++++----+-極化電極極化電極電解液第九十頁，共一百二十二頁。

超級電容電容器的電容量C和電能量EC=εA/d；E=CU2/2ε—有效電介質常數(shù)；d—間隙距離；A—電極表面積；

U—外加電壓使用高ε的電介質材料，縮短分層間距d，增加電極表面積A可提高電容器的電容量C。特點

很高的比功率，但極低的比能量，故不可單獨用作電動汽車能量源。

作電動汽車輔助能量源起載荷均衡和制動能量回收作用.

成本高。

最佳組合為電池&超級電容混合能量系統(tǒng)，從而使得電動汽車對電池的比能量和比功率要求分離。第九十一頁，共一百二十二頁。2.3.11飛輪電池結構

轉子(飛輪)：復合材料；等應力設計，外形隨轉子半徑增加厚度遞減。

電機：永磁無刷，高能量密度，高效率，內部不產生熱量。

軸承：磁性軸承，無機械接觸，減小摩擦損耗。

真空室：減小風摩損耗。

外殼第九十二頁，共一百二十二頁。2.3.11飛輪電池飛輪儲能EE=Jω2/2J—轉動慣量；ω—飛輪轉速超高速飛輪質量輕而轉速極高，儲能量大，但受飛輪轉子材料抗張強度的限制，飛輪轉速不能無限提高。能量轉換

電能—機械能—電能主要技術

能承受超高速運行的高強度飛輪。

能將電能和機械能進行高效雙向轉換的電動機和功率變換器。第九十三頁，共一百二十二頁。2.3.11飛輪電池優(yōu)點

高比能量、高比功率、長循環(huán)壽命、高能量效率、能快速充電、免維護和良好的性能價格比。缺點用作電動汽車的儲能裝置面臨兩大問題：

陀螺力矩：當車輛轉彎或產生顛簸偏離直線行駛時，飛輪將會產生陀螺力矩，陀螺力矩將嚴重影響車輛的操縱性能。

故障抑制：若飛輪出現(xiàn)故障，以機械能形式存儲在飛輪中的能量就會在短時間內釋放出來，產生的大功率輸出將對車輛產生巨大破壞。第九十四頁，共一百二十二頁。2.3.11飛輪電池在電動汽車中的應用

輔助能量源在混合儲能系統(tǒng)中，作主能源的負載均衡裝置，在車輛勻速行駛和再生制動時以機械形式實施充電儲能，在車輛啟動、加速或爬坡時進行發(fā)電并輸出峰值功率。

單獨用作電動汽車的能量源。第九十五頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)蓄電池的充放電管理蓄電池管理系統(tǒng)具有保護和診斷蓄電池的作用。

防止蓄電池過電流放電(放電電流大于最大允許放電電流)

防止欠電壓放電(放電過程中蓄電池電壓低于截止電壓)

防止過電流充電(充電電流高于允許的最大充電電流)

防止過電壓充電(充電過程中蓄電池電壓高于發(fā)泡電壓)

上述限定值隨著蓄電池類型、樣式、充放電電流、工作溫度和蓄電池老化程度不同而有所變化。第九十六頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)單體電池均衡的方法

均衡充電法采用脈沖電流將所有電池都充滿，這種方法適用于所有種類蓄電池的正常充電。

分流電路法當電池組充滿時，分流電路就會分流對應的充電電流，這種方法適于蓄電池的快充，而且對過充敏感的電池如鋰離子電池尤為重要。

第九十七頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)單體電池均衡的方法

開關電容平衡器法開關電容平衡器的作用是平衡所有電池組之間的電壓。平衡器由與電池組并聯(lián)的電容器和用于改變電容器與電池組連接關系的開關電路組成。如果電池組1的電壓比電池組2的電壓高，電容器就會與電池組1連接，這樣電容器就會被充電直到與電池組1的電壓相等；接著電容器與電池組1斷開連接，與電池組2連接上，電容器給電池組2充電，直到電池組2的電壓與電容器的電壓相等。重復以上過程則兩個電池組的電壓會逐漸接近，最后達到電壓的平衡。第九十八頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)蓄電池的溫度管理在蓄電池的充放電過程中將電池組的溫度保持在正常的工作溫度變化范圍內。冷卻后或者加熱后的空氣進人到電池塊之間的空隙中，然后從電池托盤底部的縫隙中吹出來。根據(jù)蓄電池的溫度控制風扇轉速可減少能量消耗。第九十九頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)能量傳遞

EV由動力電池組提供直流電源，直流電經過控制器、逆變器等電子控制裝置，轉換成三相交流電來驅動電動機，然后通過減速器、驅動橋和車輪驅動車輛行駛。能量損耗

在電能輸送和轉換過程中，有各種電能損耗。

在機械驅動系統(tǒng)中，有各種機械損耗。

電動機輸出驅動功率=EV行駛時克服各種阻力功率+能量損耗功率，才能保證EV正常行駛。第一百頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)再生制動

制動時，驅動輪通過傳動系帶動以發(fā)電機狀態(tài)工作的電機發(fā)電向動力電池充電，從而將車輛制動時的動能轉換為電能回收存儲在動力電池中。

但再生制動回收的能量是不確定因數(shù)，因此不能作為EV可靠穩(wěn)定的能量來源參與動力性能計算，一般只能有助于延長續(xù)駛里程。第一百零一頁，共一百二十二頁。2.4

電動汽車能量管理系統(tǒng)EV能量傳遞和能量損耗流程

動力電池組驅動電動機傳動系統(tǒng)驅動輪控制裝置電能電能機械能機械能內阻損耗導線損耗導線損耗機械損耗機械損耗滾動阻力空氣阻力爬坡阻力加速阻力調控功率損耗能量轉換損耗制動能量反饋銅損鐵損摩擦損耗機械損耗第一百零二頁，共一百二十二頁。2.5

電動汽車車輛管理系統(tǒng)EV三個子系統(tǒng)1.電力驅動與傳動子系統(tǒng)：由電控單元、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置和驅動車輪組成。2.能源子系統(tǒng)：由主電源、能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)組成。3.輔助子系統(tǒng)：具有動力轉向、溫度控制和輔助動力供給等功能。第一百零三頁，共一百二十二頁。2.5

電動汽車車輛管理系統(tǒng)EV車輛管理

驅動：根據(jù)從加速踏板的輸入信號進行驅動，電控單元發(fā)出相應的控制指令來控制功率轉換器功率裝置的通斷，調節(jié)電動機和電源之間的功率流。

制動：根據(jù)從制動踏板的輸入信號進行制動，能量管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)共同控制再生制動及其能量的回收。

充電：能量管理系統(tǒng)和充電器共同控制充電并監(jiān)測電源狀況。

輔助動力供給：主電源供給EV輔助系統(tǒng)不同等級的電壓并提供必要的動力，主要給動力轉向、空調、制動及其它輔助裝置提供動力。

轉向：轉向盤輸入是一個重要的輸入信號，動力轉向系統(tǒng)根據(jù)轉向盤的角位置決定汽車的轉向。第一百零四頁，共一百二十二頁。2.5

電動汽車車輛管理系統(tǒng)EV車輛管理圖

電控單元功率轉換器電動機機械傳動裝置車輪車輪能量管理

系統(tǒng)動力電池輔助動力源動力轉向系統(tǒng)充電器空調轉向盤加速踏板制動踏板電力驅動與傳動子系統(tǒng)能源子系統(tǒng)交流電源輔助子系統(tǒng)控制信號線連接機械連接電氣連接第一百零五頁，共一百二十二頁。2.6

純電動汽車實例分析EV實車DaimlerChryslerSmartFortwoGEMlightEVsBluecarPandaEVbyMES-DEATheModecHeuliez-DassaultSVECleanova第一百零六頁，共一百二十二頁。2