《新能源汽車技術》課件-第二章 動力電池

新能源汽車技術NEWTECHNOLOGY知識目標：1、了解動力電池的分類2、掌握動力電池性能參數(shù)3、熟悉動力電池性能要求能力目標：1、能夠測量動力電池各個參數(shù)（1+x證書考點）2、能夠判斷動力電池好壞（1+x證書考點）職業(yè)素養(yǎng)目標：能夠具有責任意識和職業(yè)道德，規(guī)范操作的職業(yè)素養(yǎng)。能夠?qū)π履茉雌囘M行性能檢測，讀懂檢測數(shù)據(jù)。能夠具有改善環(huán)境和安全操作的基本知識、能力。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)物理電池化學電池動力電池生物電池一、動力電池分類第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)（1）化學電池能量轉(zhuǎn)化：化學能→電能組成：電極（正極、負極）、電解質(zhì)、隔膜和容器（外殼）化學電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲備電池。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)一、動力電池分類2）物理電池原理：利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池特點：在常溫常壓條件下進行能量轉(zhuǎn)換舉例：太陽能電池、超級電容、飛輪電池等。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)一、動力電池分類3）生物電池原理：利用生物酶、微生物或葉綠素做成的電池，利用生物化學反應發(fā)電。舉例：微生物電池、酶電池、生物太陽電池等第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)一、動力電池分類電池的性能指標電壓容量內(nèi)阻能量功率輸出效率自放電率使用壽命第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)電壓分為端電壓、開路電壓、額定電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。電池的端電壓是指電池正極與負極之間的電位差；開路電壓是指電池在沒有負載情況下的端電壓；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；蓄電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓；放電終止電壓是指電池放電時允許的最低電壓。（1）電壓第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（1）電壓端電壓測量負載電壓測量第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（2）容量電池在滿電狀態(tài)下以一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池的容量。常用單位為安時（A*H）或者毫安時（mA*H），它等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。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計算而得到的最高理論值。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。標稱容量是用來鑒別電池的近似安時值。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。電池容量測試儀第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（3）放電速率放電速率也稱為放電率，一般用時率或倍率表示。時率（小時率）：電池以某種電流強度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時，所需的時間。電池放電電流的大小也常用“放電倍率”表示，以某種電流強度放電，放完額定容量所需的小時數(shù)來表示，由此可見，放電時間越短，即放電倍率越高，則放電電流越大。放電倍率等于額定容量與放電電流之比。根據(jù)放電倍率的大小，可分為低倍率（<0.5C）、中倍率（0.5~3.5C）、高倍率（3.5~7.0C）、超高倍率（>7.0C）。電池放電測試儀第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（4）內(nèi)阻電池的內(nèi)阻是指電流流過電池內(nèi)部時所受到的阻力。充電電池的內(nèi)阻很小，需要用專門的儀器才可以測量到比較準確的結(jié)果。一般所知的電池內(nèi)阻是充電態(tài)內(nèi)阻，即指電池充滿電時的內(nèi)阻（與之對應的是放電態(tài)內(nèi)阻，指電池充分放電后的內(nèi)阻。一般說來，放電態(tài)內(nèi)阻比充電態(tài)內(nèi)阻大，并且不太穩(wěn)定）。電池內(nèi)阻越大，電池自身消耗掉的能量越多，電池的使用效率越低。內(nèi)阻很大的電池在充電時發(fā)熱很厲害，使電池的溫度急劇上升，對電池和充電器的影響都很大。隨著電池使用次數(shù)的增多，由于電解液的消耗及電池內(nèi)部化學物質(zhì)活性的降低，電池的內(nèi)阻會有不同程度的升高。電池內(nèi)阻測試儀第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（5）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。能量分為理論能量、實際能量、比能量和能量密度。理論能量是電池的理論容量與額定電壓的乘積，指一定標準所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量；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；比能量也稱質(zhì)量比能量，是指電池單位質(zhì)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)；能量密度也稱體積比能量，是指電池單位體積所能輸出的電能，單位是Wh/L。電池能量測試軟件第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（6）功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時間內(nèi)所輸出能量的大小，單位為W或kW。電池的功率決定了電動汽車的加速性能和爬坡能力。功率分為比功率和功率密度。比功率是指單位質(zhì)量電池所能輸出的功率，也稱質(zhì)量比功率，單位為W/kg或kW/kg；功率密度是指單位體積電池所能輸出的功率稱為功率密度，也稱體積比功率，單位為W/L或kW/L。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（7）電池輸出效率動力電池作為能量存儲器，充電時把電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。容量效率是指電池放電時輸出的容量與充電時輸入的容量之比；即：第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（8）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(shù)表示。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)（9）使用壽命與循壞壽命1）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(nèi)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(shù)。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。2）循環(huán)壽命：循環(huán)壽命是指在一定的充放電制度下，電池容量降低(衰減）到某一規(guī)定值之前，電池能經(jīng)受多少次充電與放電,(充電一次放電一次稱為一個周期或一次循環(huán))。同一個電池，在不同的充放電制度下，其循環(huán)壽命是不同的。例如,1C充/放電，某只電池的循環(huán)壽命為400次，但10C充/放電下，該電池的循環(huán)壽命可能只有150~180次(視具體放電深度和環(huán)境溫度還可以有很大的變化)。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)二、動力電池性能參數(shù)電動汽車對動力電池的要求1．比能量高2．比功率大3．循環(huán)壽命長4．均勻一致性好5．相對穩(wěn)定性好6．高低溫性能好、環(huán)境適應性強7．安全性好8．價格低廉9．綠色、環(huán)保持續(xù)穩(wěn)定的大電流放電，能夠保證汽車保持一定的行駛速度v。有短暫大電流放電的能力，保證汽車在加速、上坡時有足夠的動力a。能一次性提供足夠的能源，保持汽車有一定的行駛里程S。第一節(jié)動力電池分類及性能參數(shù)三、電動汽車對動力電池要求知識目標：1、掌握鉛蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池結(jié)構(gòu)。2、掌握鉛蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子工作原理3、熟悉鉛蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子的特點能力目標：

1、能夠掌握各種蓄電池的性能特點（1+x證書考點）2、能夠?qū)懗鲂铍姵氐墓ぷ髟恚?+x證書考點）職業(yè)素養(yǎng)目標：1、能夠具有責任意識和職業(yè)道德，規(guī)范操作的職業(yè)素養(yǎng)。2、能夠?qū)π履茉雌囘M行性能檢測，讀懂檢測數(shù)據(jù)。3、能夠具有改善環(huán)境和安全操作的基本知識、能力。第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理1）鉛酸蓄電池概述以酸性水溶液作為電解質(zhì)的蓄電池稱為酸蓄電池。由于酸蓄電池電極是以鉛及其氧化物作為材料，故又稱為鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池的應用歷史最長，也是最成熟、成本售價最低廉的蓄電池，是目前唯一大量使用的車載動力電池。優(yōu)點??放電電壓平穩(wěn)充電效率高性能可靠生產(chǎn)技術成熟價格便宜。。優(yōu)點??維護簡便或者免維護適用范圍廣原材料豐富自放電低回收技術成熟第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理一、鉛酸蓄電池按工作環(huán)境分類根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理不同分類鉛酸蓄電池移動式（汽車）固定式鉛酸蓄電池干荷電式濕荷電式閥控式免維護型膠體型水平板式第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理一、鉛酸蓄電池1—排氣栓；2—負極柱；3—電池蓋；4—穿壁連接；5—匯流條；6—電池外殼；7—負極板；8—隔板；9—正極板2）鉛酸蓄電池的構(gòu)造鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電池蓋、電解液、排氣栓和電池外殼組成。

鉛酸蓄電池的基本單元是單體電池，每個單體電池都是由正極板、負極板和裝在正極板和負極板之間的隔板組成。第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理一、鉛酸蓄電池12V—120Ah標稱容量標稱直流電壓3）鉛酸蓄電池的型號純電動汽車使用的蓄電池一般為牽引鉛酸蓄電池，型號為××V—××Ah。第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理一、鉛酸蓄電池充電過程：電能→化學能電解液密度↗4）鉛酸蓄電池的工作原理正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2），負極板上是海綿狀的純鉛（Pb），電解液是硫酸水溶液（H2SO4）。鉛酸蓄電池的充放電過程放電過程：化學能→電能電解液密度↘第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理一、鉛酸蓄電池1—正極板；2—接線柱；3—加液口蓋；4—絕緣導套；5—負極板；6—吊架；7—單體電池連接條；8—極板骨架；9—絕緣層；10—鍍鎳薄鋼板；11—殼體；12—通孔；13—活性物質(zhì)；14—正極板導管；15—氫氧化鎳鎳-鎘電池的每個單體電池都是由正極板、負極板和裝在正極板和負極板之間的隔板組成。將單體電池按不同的組合裝置在不同塑料外殼中，可得到所需要的不同電壓和不同容量的鎳-鎘電池總成（電池組）。1）鎳-鎘電池的構(gòu)造第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理二、鎳-鎘電池

以羥基氫氧化鎳為正極，金屬鎘為負極，水溶性氧化鉀溶液為電解質(zhì)。為了提高壽命和改善高溫性能，通常在電解液中加入氧化鋰。2）鎳-鎘電池的工作原理正極負極正極負極在鎳-鎘電池充電和放電的化學反應過程中，電解液基本上不會被消耗。第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理二、鎳-鎘電池3）鎳-鎘電池的特點可以進行快速充電有記憶效應回收鎘（有害的重金屬）使用性能比鉛酸蓄電池好第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理二、鎳-鎘電池1—帽蓋（+）；2—正極；3—密封板；4—負極片；5—隔離膜；6—正極片；7—外殼（-）；8—絕緣環(huán)1）鎳-氫電池的構(gòu)造單體電池都由正極板、負極板和裝在正極板和負極板之間的隔板組成。第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理三、鎳-氫電池

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，氫離子被負極吸收，負極從金屬轉(zhuǎn)化為金屬氫化物。

放電過程中，氫離子離開了負極，氫氧離子離開了正極，氫離子和氫氧離子在電解質(zhì)中結(jié)合成水并釋放電能。鎳-氫電池在堿性電解液中進行反應的模型2）鎳-氫電池的工作原理第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理三、鎳-氫電池3）鎳-氫電池的特點優(yōu)點??無污染比功率高快速補充充電時間短無“記憶效應”過充電和過放電性能好、循環(huán)次數(shù)多啟動加速性能好比功率和放電能力不及鎳-鎘電池成本很高充電過程中容易發(fā)熱缺點?第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理三、鎳-氫電池1）鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池正極負極隔膜板電解液安全閥鋰離子電池的結(jié)構(gòu)第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理四、鋰離子電池2）鋰離子電池的工作原理鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正極材料采用鋰化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，負極采用鋰-碳層間化合物LixC6，電解液為有機溶液。鋰離子電池的工作原理，電池在充電時，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負極中；放電時，鋰離子從負極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個充放電過程中，鋰離子往返于正負極之間。第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理四、鋰離子電池優(yōu)點??工作電壓高。比能量高。循環(huán)壽命長。自放電率低。無記憶性?？蓪崿F(xiàn)快速充電。對環(huán)境無污染。能夠制造成任意形狀。缺點?成本高單體電池需要保護線路控制，成組電池需要配套管理系統(tǒng)。3）鋰離子電池的特點補充：過充保護和過放保護第二節(jié)蓄電池結(jié)構(gòu)與工作原理四、鋰離子電池知識目標：1、了解燃料電池的含義和分類2、掌握燃料電池結(jié)構(gòu)3、掌握燃料電池工作原理4、了解燃料電池的特點能力目標：1、能夠掌握燃料電池結(jié)構(gòu)及工作原理2、能夠?qū)懗鋈剂想姵氐墓ぷ魈攸c職業(yè)素養(yǎng)目標：能夠具有責任意識和職業(yè)道德，規(guī)范操作的職業(yè)素養(yǎng)。能夠?qū)π履茉雌囘M行性能檢測，讀懂檢測數(shù)據(jù)。能夠具有改善環(huán)境和安全操作的基本知識、能力。第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理

在能源危機與環(huán)保的大背景下，新能源汽車毫無疑問受到了各國的高度重視，而作為新能源汽車中的新興代表，燃料電池汽車以其節(jié)能環(huán)保的前瞻性位列其中，并將離人們的生活越來越近。燃料電池是一種化學電池，能量密度極高，接近于汽油和柴油的能量密度，幾乎是零污染，號稱“終極電池”，代表著電動汽車未來的發(fā)展方向，也是各國重點研發(fā)的領域之一。1、燃料電池簡介一、燃料電池簡介第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理二、燃料電池分類第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜電極催化劑層集流板質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖三、質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理陰極：質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖陽極：電池總反應：第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理四、質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理優(yōu)點??節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高對環(huán)境污染小，排放基本達到零污染燃料適用范圍廣無振動和噪聲，壽命長結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)適用方便缺點?燃料種類單一要求高質(zhì)量的密封價格高需要配備輔助電池系統(tǒng)第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理五、燃料電池特點活性物質(zhì)不在其內(nèi)部，而是從外部輸入。放電過程所消耗的活性物質(zhì)無需通過充電來還原，只需要向電池內(nèi)不斷地輸入燃料及氧化劑，并將電化學反應產(chǎn)物及時排出。燃料電池本體只決定電池的輸出功率，而燃料電池能量的大小則取決于外部可輸入的燃料和氧化劑。內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的控制比較復雜，尤其是放電控制不如普通化學電池方便。第三節(jié)燃料電池結(jié)構(gòu)與工作原理六、燃料電池于蓄電池的區(qū)別知識目標：1、掌握超級電容、飛輪電池的結(jié)構(gòu)2、掌握超級電容、飛輪電池的工作原理3、了解超級電容、飛輪電池的特點能力目標：

1、能夠掌握超級電容和飛輪電池的結(jié)構(gòu)及工作原理2、能夠能夠掌握超級電容和飛輪電池的性能特點職業(yè)素養(yǎng)目標：能夠具有責任意識和職業(yè)道德，規(guī)范操作的職業(yè)素養(yǎng)。能夠?qū)π履茉雌囘M行性能檢測，讀懂檢測數(shù)據(jù)。能夠具有改善環(huán)境和安全操作的基本知識、能力。第四節(jié)輔助電源結(jié)構(gòu)及工作原理（1）超級電容的分類超級電容器簡稱超級電容，又稱為雙電層電容器是20世紀70～80年代發(fā)展起來的一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的物理二次電源。按儲能機理不同分類3采用金屬氧化物作為電極，在電極表面和體相發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生可逆化學吸附的法拉第電容。由導電聚合物作為電極而發(fā)生氧化還原反應的電容。由碳電極和電解液界面上電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容。21第四節(jié)輔助電源結(jié)構(gòu)及工作原理一、超級電容（2）超級電容的結(jié)構(gòu)電極要求內(nèi)阻小、導電率高、表面積大、盡量薄電解質(zhì)需要有較高的導電性和足夠的電化學穩(wěn)定性隔膜防止超級電容相鄰兩電極短路，保證接觸電阻較小，盡量薄集電極選用導電性能良好的金屬和石墨等第四節(jié)輔助電源結(jié)構(gòu)及工作原理一、超級電容（3）超級電容的工作原理當電壓加載到兩電極上時，加在正極板上的電勢吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，從而在兩電極的表面形成了一個雙電層電容器。隨著超級電容的放電，正、負極板上的電荷被外電路釋放，電解液界面上的電荷相應的減少。雙電層超級電容超級電容的充放電過程始終是物理過程，沒有化學過程，因而性能較化學蓄電池穩(wěn)定得多。第四節(jié)輔助電源結(jié)構(gòu)及工作原理一、超級電容優(yōu)點容量超高高放電電流高充放電效率循環(huán)壽命長工作溫度范圍寬環(huán)保、免維護可長時間放置您的標題線性放電的特性使它無法完全放電低能量密