《電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理 第4章動(dòng)力電池系統(tǒng)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理 第4章動(dòng)力電池系統(tǒng)（101頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第1頁，共101頁。4.1動(dòng)力電池簡介4.1.1動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)4.1.2動(dòng)力電池的基本參數(shù)4.1.3動(dòng)力電池分類第2頁，共101頁。4.1.1動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)電池是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。要實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的過程，必須滿足如下條件：必須把化學(xué)反應(yīng)中失去電子的氧化過程（在負(fù)極進(jìn)行），得到電子的還原過程（在正極進(jìn)行），分別在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行。兩電極間必須具有離子導(dǎo)電性的物質(zhì)?；瘜W(xué)變化過程中電子的傳遞必須經(jīng)過外線路。為滿足構(gòu)成電池的條件，電池需包含以下基本組成部分：正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、電解質(zhì)、隔膜、外殼以及導(dǎo)電柵、匯流體、端子、安全閥等零件。電池基本結(jié)構(gòu)如圖

2、4-1所示。圖4-1電池的基本結(jié)構(gòu)第3頁，共101頁。4.1.2動(dòng)力電池的基本參數(shù)(1)端電壓和電動(dòng)勢(2)容量(3)內(nèi)阻(4)能量與能量密度(5)功率與功率密度(6)荷電狀態(tài)(7)放電深度(8)循環(huán)使用壽命(Cycle(9)自放電率(10)輸出效率(11)抗濫用能力(12)成本(13)放電制度第4頁，共101頁。4.1.2動(dòng)力電池的基本參數(shù)端電壓和電動(dòng)勢端電壓：動(dòng)力電池正極和負(fù)極之間的電位差。動(dòng)力電池在沒有負(fù)載情況下的端電壓叫開路電壓。動(dòng)力電池接上負(fù)載后處于放電狀態(tài)下的電壓稱為負(fù)載電壓，又稱為工作電壓。電池充放電結(jié)束時(shí)的電壓稱為終止電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓。圖4-2所示為電池的充

3、放電曲線，由圖可知電池的充放電結(jié)束時(shí)都有一個(gè)電壓極限值，充電時(shí)的電壓極限值就是充電終止電壓；放電時(shí)的電壓極限值就是放電終止電壓。電動(dòng)勢（E）：組成電池的兩個(gè)電極的平衡電極電位之差。圖4-2電池充放電電壓變化曲線第5頁，共101頁。(2)容量容量是指電池在一定的放電條件下所能放出的電量，用符號C表示，單位常用 或表示。理論容量：假定電池中的活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所能提供的電量。理論容量可根據(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量，按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。法拉第定律指出：電流通過電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。數(shù)學(xué)式表達(dá)為理論容量是電池容量的

4、最大極限值，電池實(shí)際放出的容量只是理論容量的一部分計(jì)算公式。額定容量：也叫標(biāo)稱容量，是指按國家或有關(guān)部門規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下應(yīng)該放出的最低限度的容量。額定容量是制造廠標(biāo)明的安時(shí)容量，是驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。實(shí)際容量（C）：在實(shí)際應(yīng)用工作情況下放電，電池實(shí)際放出的電量。充滿電的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(shí)間的積分。第6頁，共101頁。(3)內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻的作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢和開路電壓。充電時(shí)充電的端電壓高于電動(dòng)勢和開路電壓。電池內(nèi)阻

5、是化學(xué)電源的一個(gè)極為重要的參數(shù)。它直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出能量與功率等，對于一個(gè)實(shí)用的化學(xué)電源，其內(nèi)阻越小越好。電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過程中由于活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度的變化以及放電時(shí)間而變化。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻，兩者之和稱為電池的全內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)由于極化所引起的內(nèi)阻。它是電化學(xué)極化和濃差極化所引起的電阻之和。極化內(nèi)阻與活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，尤其與電池的工作條件密切相關(guān)，放電電流和溫度對其影響很

6、大。第7頁，共101頁。(4)能量與能量密度 能量是指電池在一定放電制度下所能釋放出的電能，單位常用Wh或kWh表示。電池的能量分為理論能量和實(shí)際能量。能量密度是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，相應(yīng)地稱為質(zhì)量能量密度(Wh/kg)或體積能量密度(Wh/L)，也稱為質(zhì)量比能量或體積比能量。在電動(dòng)汽車應(yīng)用方面，電池的質(zhì)量比能量影響電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程，而體積比能量影響到電池的布置空間。第8頁，共101頁。(5)功率與功率密度 功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。功率密度又稱比功率，是單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。比功率

7、是評價(jià)電池及電池包是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。第9頁，共101頁。(6)荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）描述了電池的剩余電量，其值為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。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對量，一般用百分比的方式來表示，SOC的取值為：0SOC100%。第10頁，共101頁。(7)放電深度放電深度（Depth of Discharge,DOD）是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，與SOC之間存在如下數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系：第11頁，共101頁。(8)循環(huán)使用壽命(Cycle循環(huán)使用壽命是指以電池充電和放電一次為一個(gè)循環(huán)，按一定測試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降

8、到某一規(guī)定值（一般規(guī)定為額定值的80%）以前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)總次數(shù)。循環(huán)使用壽命是評價(jià)電池壽命性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。第12頁，共101頁。(9)自放電率自放電率是指電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，用單位時(shí)間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示。第13頁，共101頁。(10)輸出效率電池實(shí)際上是一個(gè)能量存儲(chǔ)器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來，放電時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?，供用電裝置使用。電池的輸出效率通常用容量效率和能量效率來表示。電池的容量效率指電池放電時(shí)輸出的容量與充電時(shí)輸入的容量之比，電池的能量效率指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能

9、量之比。通常，電池的能量效率為5575%，容量效率為6590%。對電動(dòng)汽車而言，能量效率是比容量效率更重要的一個(gè)評價(jià)指標(biāo)。第14頁，共101頁。(11)抗濫用能力指電池對短路、過充、過放、機(jī)械振動(dòng)、撞擊、擠壓以及遭受高溫和著火等非正常使用情況的容忍程度。第15頁，共101頁。(12)成本電池的成本與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開發(fā)的高比能量、高比功率的電池，如鋰離子電池，成本較高，使得電動(dòng)汽車的造價(jià)也較高。開發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。第16頁，共101頁。(13)放電制度放電制度是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度

10、等。放電電流：放電電流是指電池放電時(shí)電流的大小。放電電流的大小直接影響電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此，介紹電池的容量或能量時(shí)，必須說明放電電流的大小，指出放電的條件。放電電流通常用放電率表示，放電率是指電池放電時(shí)的速率，有時(shí)率或倍率兩種表示形式。放電終止電壓:電池放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止電壓，其值與電池材料直接相關(guān)，并受到電池結(jié)構(gòu)、放電率、環(huán)境溫度等多種因素影響。第17頁，共101頁。4.1.3動(dòng)力電池分類(1)按電解液種類分類(2)按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類(3)按電池所用正、負(fù)極材料分類第18頁，共101頁。(1)按電解液種類分類 堿性電池：電解質(zhì)主要以氫氧化鉀水溶液

11、為主的電池，如堿性鋅錳電池(俗稱堿錳電池或堿性電池)、鎘鎳電池、氫鎳電池等。酸性電池：主要以硫酸水溶液為介質(zhì)的電池，如鉛酸電池。中性電池：以鹽溶液為介質(zhì)的電池，如鋅錳干電池、海水激活電池等。有機(jī)電解液電池：主要以有機(jī)溶液為介質(zhì)的電池，如鋰離子電池等。第19頁，共101頁。(2)按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類 一次電池，又稱原電池，即不能再充電使用的電池，如鋅錳干電池、鋰原電池等。二次電池，即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。燃料電池，活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、金屬燃料電池等。儲(chǔ)備電池，儲(chǔ)備電池儲(chǔ)存時(shí)電極板不直接接觸電解液，直到電池使用時(shí)，

12、才加入電解液，如鎂氯化銀電池，又稱海水激活電池。第20頁，共101頁。(3)按電池所用正、負(fù)極材料分類 鋅系列電池，如鋅錳電池、鋅銀電池等。鎳系列電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池等。鉛系列電池，如鉛酸電池。鋰系列電池，如鋰離子電池、鋰聚合物電池和鋰硫電池。二氧化錳系列電池，如鋅錳電池、堿錳電池等?？諝?氧氣)系列電池，如鋅空氣電池、鋁空氣電池等。第21頁，共101頁。動(dòng)力電池分類圖圖4-2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池分類電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池分類第22頁，共101頁。4.2鋰離子動(dòng)力電池4.2.1概述4.2.2鋰離子動(dòng)力電池的工作原理4.2.3鋰離子動(dòng)力電池的失效機(jī)理4.2.4鋰離子動(dòng)力電池的性能4.2.5鋰離

13、子動(dòng)力電池的應(yīng)用第23頁，共101頁。4.2.1概述鋰離子電池根據(jù)正極材料的不同，分為鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池和三元材料鋰離子電池等；根據(jù)所用電解質(zhì)材料不同，分為液態(tài)鋰離子電池(Lithium-Ion Battery,LIB)和聚合物鋰離子電池(Polymer Lithium-Ion Battery,LIP)兩大類。相對于其他類型電池，鋰離子電池具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：(1)工作電壓高 (2)比能量高 (3)循環(huán)壽命長 (4)自放電小 (5)無記憶效應(yīng) (6)環(huán)保性高第24頁，共101頁。(1)工作電壓高鈷酸鋰鋰離子電池的工作電壓為，錳酸鋰鋰離子電池的工作電壓為，磷酸

14、鐵鋰鋰離子電池的工作電壓為，而鎳氫、鎳鎘電池的工作電壓僅為。第25頁，共101頁。(2)比能量高鋰離子電池正極材料的理論比能量可達(dá)200以上，實(shí)際應(yīng)用中由于不可逆容量損失，比能量通常低于這個(gè)數(shù)值，但也可達(dá)140，該數(shù)值仍為鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的倍。第26頁，共101頁。(3)循環(huán)壽命長目前，鋰離子電池在深度放電情況下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次以上；在低放電深度條件下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)上萬次，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他同類電池。第27頁，共101頁。(4)自放電小鋰離子電池月自放電率僅為總電容量的59%，大大緩解了傳統(tǒng)的二次電池放置時(shí)由自放電所引起的電能損失問題。第28頁，共101頁。(5)無記憶效應(yīng)無記

15、憶效應(yīng) 第29頁，共101頁。(6)環(huán)保性高相對于傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池甚至鎳氫電池廢棄可能造成的環(huán)境污染問題，鋰離子電池中不包含汞、鉛、鎘等有害元素，是真正意義上的綠色電池。第30頁，共101頁。4.2.2鋰離子動(dòng)力電池的工作原理圖4-3鋰離子電池的工作原理第31頁，共101頁。4.2.3鋰離子動(dòng)力電池的失效機(jī)理造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有：(1)正極材料的溶解(2)正極材料的相變化(3)電解液的分解(4)過充電造成的容量損失(5)自放電(6)SEI界面膜的形成(7)集流體的腐蝕第32頁，共101頁。(1)正極材料的溶解以尖晶石為例，Mn的溶解是引起可逆容量衰減的主要原因。Mn的溶解

16、沉積造成正極活性物質(zhì)減少；溶解的Mn游離到負(fù)極時(shí)會(huì)造成負(fù)極SEI（Solid Electrolyte Interface,SEI）膜的不穩(wěn)定，被破壞的SEI膜再形成時(shí)會(huì)消耗鋰離子，造成鋰離子的減少。Mn的溶解是尖晶石鋰離子電池容量衰減的重要原因，在這一點(diǎn)學(xué)界已經(jīng)基本達(dá)成共識，但是對于Mn的溶解機(jī)理卻存在多種不同的解釋。第33頁，共101頁。(2)正極材料的相變化一般認(rèn)為，鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹與收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體構(gòu)型。這種現(xiàn)象叫做Jahn-Teller效應(yīng)（或J-T扭曲）。在 電池中，J-T效應(yīng)所導(dǎo)致的尖晶石結(jié)構(gòu)不可逆

17、轉(zhuǎn)變，也是容量衰減的主要原因之一。J-T效應(yīng)多發(fā)生在過放電階段；在起始材料中加入過量的鋰、摻雜Ni、Co、Al等陽離子或者S等陰離子可以有效的抑制J-T效應(yīng)。第34頁，共101頁。(3)電解液的分解鋰離子電池中常用的電解液主要包括由各種有機(jī)碳酸酯(如PC、EC、DMC、DEC等)的混合物組成的溶劑以及由鋰鹽(如 、等)組成的電解質(zhì)。在充電的條件下，電解液對含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)。電解液還原消耗了電解質(zhì)及其溶劑，對電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響。第35頁，共101頁。(4)過充電造成的容量損失電池在過充電時(shí)，會(huì)造成負(fù)極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧的損失。這些副反應(yīng)或者消耗了活

18、性物質(zhì)，或者產(chǎn)生不溶物質(zhì)堵塞電極孔隙，或者正極氧損失導(dǎo)致高電壓區(qū)的J-T效應(yīng)，這些都會(huì)導(dǎo)致電池容量衰減。第36頁，共101頁。(5)自放電鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。造成不可逆自放電的原因主要有：鋰離子的損失（形成不可溶的 等物質(zhì)），電解液氧化產(chǎn)物堵塞電極微孔，造成內(nèi)阻增大等。第37頁，共101頁。(6)SEI界面膜的形成因界面膜的形成而損失的鋰離子將導(dǎo)致兩極間容量平衡的改變，在最初的幾次循環(huán)中就會(huì)使電池的容量下降。另外，界面膜的形成使得部分石墨粒子和整個(gè)電極發(fā)生隔離而失去活性，也會(huì)造成容量的損失。第38頁，共101頁。(7)集流體的腐蝕鋰離子電池

19、中的集流體材料常用銅和鋁，兩者都容易發(fā)生腐蝕，集流體的腐蝕會(huì)導(dǎo)致電內(nèi)阻增加，從而造成容量損失。第39頁，共101頁。4.2.4鋰離子動(dòng)力電池的性能(1)充放電特性(2)安全性第40頁，共101頁。(1)充放電特性 充電電流對充電特性的影響。以額定容量100Ah某鋰離子電池為例，在SOC=40%、恒溫20的情況下，采用不同充電率充電，充電曲線如圖4-5所示。C恒流限壓進(jìn)行充電。試驗(yàn)參數(shù)見表4-1，充電曲線如圖4-6所示。在圖4-6中，曲線從左到右放電容量依次增加。充電溫度對充電特性的影響。在不同環(huán)境溫度下對鋰離子電池進(jìn)行充電，以某額定容量200Ah鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條

20、件是充電電流下限為1A的充電參數(shù)，見表4-2。放電特性影響因素。第41頁，共101頁。(1)充放電特性圖4-4鋰離子電池基本充放電電壓曲線鋰離子電池充電從安全、可靠及兼顧充電效率等方面考慮，通常采用兩段式充電方法。第1階段為恒流限壓，第2階段為恒壓限流。鋰離子電池充電的最高限壓值根據(jù)正極材料不同而有一定的差別。第42頁，共101頁。以額定容量100Ah某鋰離子電池為例，在SOC=40%、恒溫20的情況下，采用不同充電率充電，充電曲線如圖4-5所示。圖4-5鋰離子電池充電曲線 充電電流對充電特性的影響充電電流對充電特性的影響第43頁，共101頁。C恒流限壓進(jìn)行充電。試驗(yàn)參數(shù)見表4-1，充電曲線如

21、圖4-6所示。在圖4-6中，曲線從左到右放電容量依次增加。表4-1不同放電深度充電試驗(yàn)參數(shù) 放電深度對充電特性的影響第44頁，共101頁。C恒流限壓進(jìn)行充電。試驗(yàn)參數(shù)見表4-1，充電曲線如圖4-6所示。在圖4-6中，曲線從左到右放電容量依次增加。放電深度對充電特性的影響第45頁，共101頁。在不同環(huán)境溫度下對鋰離子電池進(jìn)行充電，以某額定容量200Ah鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條件是充電電流下限為1A的充電參數(shù)，見表4-2。表4-2不同溫度電池充電參數(shù) 充電溫度對充電特性的影響第46頁，共101頁。放電特性影響因素。圖4-7鋰離子電池100A(0.5C)放電過程的曲線以某額定

22、容量200 鋰離子電池為例。在環(huán)境溫度20情況下，將電池充滿電，分別在-20，0，20進(jìn)行不同放電電流下的放電試驗(yàn)，100A（）放電過程的曲線如圖4-7所示。第47頁，共101頁。(2)安全性 材料穩(wěn)定性。鋰離子電池在一些濫用狀態(tài)下，如高溫、過充、針刺穿透以及擠壓等情況下，會(huì)導(dǎo)致電極和有機(jī)電解液之間的強(qiáng)烈作用，如有機(jī)電解液的劇烈氧化、還原或正極分解產(chǎn)生的氧氣進(jìn)一步與有機(jī)電解液反應(yīng)等。這些反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如不能及時(shí)散到周圍環(huán)境中，必將導(dǎo)致電池內(nèi)熱失控的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致電池的燃燒、爆炸。因此，正負(fù)電極、有機(jī)電解液相互作用的熱穩(wěn)定性是制約鋰離子電池安全性的首要因素。第48頁，共101頁。(2)安全性

23、 制造工藝。鋰離子電池的制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池。無論是什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，電極制造、電池裝配等制造過程都會(huì)對電池的安全性產(chǎn)生影響。如正極和負(fù)極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質(zhì)量控制，無一不影響電池的性能和安全性。漿料的均勻度決定了活性物質(zhì)在電極上分布的均勻性，從而影響電池的安全性。漿料細(xì)度太大，電池充放電時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)極材料膨脹與收縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出；漿料細(xì)度太小，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻過大。第49頁，共101頁。(2)安全性涂布加熱溫度過低或烘干時(shí)間不足，會(huì)使溶劑殘留，黏結(jié)劑部分溶解，造成部分活性物質(zhì)容易剝離；溫度過高可能造成黏

24、結(jié)劑炭化，活性物質(zhì)脫落形成電池內(nèi)短路。第50頁，共101頁。4.2.5鋰離子動(dòng)力電池的應(yīng)用(1)在便攜式電器方面的應(yīng)用(2)在交通行業(yè)的應(yīng)用(3)在軍事裝備及航空航天事業(yè)中的應(yīng)用(4)其他第51頁，共101頁。(1)在便攜式電器方面的應(yīng)用目前移動(dòng)電話、筆記本電腦、微型攝像機(jī)等需要便攜式電源的用電器已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。在電源方面，無一例外的選擇鋰離子電池作為市場的主流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年全球手機(jī)產(chǎn)量超過20億部，形成了龐大的鋰離子電池應(yīng)用市場。第52頁，共101頁。(2)在交通行業(yè)的應(yīng)用隨著社會(huì)文明的進(jìn)步，人們的保環(huán)意識提高并對環(huán)境的要求日益高漲。環(huán)保的交通工具已經(jīng)進(jìn)入人們的視野

25、。目前，我國以電動(dòng)自行車為主的電動(dòng)輕型車呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，鋰離子動(dòng)力電池已開始在部分高端車型應(yīng)用。在電動(dòng)汽車開發(fā)方面，鋰離子動(dòng)力電池已經(jīng)成為主流。在國內(nèi)眾多汽車研制和生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的電動(dòng)汽車車型大部分采用鋰離子電池。國際上，已經(jīng)進(jìn)入市場銷售的純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，如日產(chǎn)公司的LEAF，美國特斯拉（Tesla Motors）公司的Tesla Model S以及通用公司的VOLT均采用了鋰離子電池系統(tǒng)。第53頁，共101頁。(3)在軍事裝備及航空航天事業(yè)中的應(yīng)用在軍事裝備中，鋰離子電池主要用作動(dòng)力啟動(dòng)電源、無線通信電臺電源、微型無人駕駛偵察飛機(jī)動(dòng)力電源等。此外，諸如激光瞄準(zhǔn)器、夜視

26、器、飛行員救生電臺電源、船示位標(biāo)電源等現(xiàn)在也普遍采用鋰離子電池。在航天領(lǐng)域，鋰離子電池已經(jīng)用于地球同步軌道衛(wèi)星和低軌道通信衛(wèi)星，作為發(fā)射和飛行中校正、地面操作的動(dòng)力。第54頁，共101頁。(4)其他鋰離子電池由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和特殊的工作原理，決定了其原材料豐富、環(huán)保、比容量高、循環(huán)性能和安全性能好等特點(diǎn)，在醫(yī)療行業(yè)（例如，助聽器、心臟起搏器等）、石化行業(yè)（例如，采油動(dòng)力負(fù)荷調(diào)整）、電力行業(yè)（例如，儲(chǔ)能電源）等均具有廣闊的應(yīng)用前景。其在追求能源綠色化的今天，具有更加重要的意義。第55頁，共101頁。4.3其他電池4.3.1鉛酸電池4.3.2鎳氫電池4.3.3超級電容器4.3.4燃料電池第56頁

27、，共101頁。4.3.1鉛酸電池圖4-8鉛酸電池的結(jié)構(gòu)鉛酸電池外型各異，但主要構(gòu)成部件相似，主要包括正負(fù)極板、隔板、電解液、電池殼、電池蓋、排氣栓等。鉛酸電池單體內(nèi)還有鏈條、極柱、液面指示器等零部件。第57頁，共101頁。4.3.1鉛酸電池圖4-9鉛酸電池的反應(yīng)原理第58頁，共101頁。4.3.2鎳氫電池 鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型綠色電池，其正極主要成分為氫氧化物，負(fù)極主要成分為儲(chǔ)氫合金，電解質(zhì)為氫氧化鉀水溶液，隔膜主要有尼龍纖維、聚丙烯纖維和維綸纖維電池隔膜。鎳氫電池中沒有鉛、鎘等重金屬元素，不會(huì)對環(huán)境造成污染，能滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車所要求的高能量、高功率、長壽命和足夠

28、寬的工作溫度范圍要求。但是和鉛酸電池相比，鎳氫電池價(jià)格較高，而且自放電損耗大，對環(huán)境溫度敏感，還有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題。鎳氫電池以其高功率密度、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，曾在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用，如日本豐田公司的普銳斯（Prius）混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用的就是288V、的鎳氫動(dòng)力電池系統(tǒng)。第59頁，共101頁。4.3.3超級電容器圖4-10超級電容器的結(jié)構(gòu)超級電容器（Ultracapacitor）是一種介于電解質(zhì)電容器和電化學(xué)蓄電池之間的儲(chǔ)能裝置，其儲(chǔ)能方式與傳統(tǒng)電容器不同。第60頁，共101頁。4.3.4燃料電池圖4-11燃料電池的結(jié)構(gòu)與原理圖燃料電池與普通化學(xué)電池相類似，兩者均通過化學(xué)反應(yīng)將

29、化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能；但從實(shí)際應(yīng)用角度來看，兩者之間存在較大差別。第61頁，共101頁。4.4動(dòng)力電池管理系統(tǒng)4.4.1基本構(gòu)成4.4.2主要功能第62頁，共101頁。4.4.1基本構(gòu)成圖4-12電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4-12所示為主從式電池管理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它采用一個(gè)主控單元（BCU）、多個(gè)從控單元（HMU、BMU）的結(jié)構(gòu)形式。第63頁，共101頁。4.4.1基本構(gòu)成圖4-13電池管理系統(tǒng)的電氣連接電池管理系統(tǒng)也能通過CAN總線與組合儀表及充電機(jī)等進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示、充電監(jiān)控等功能。第64頁，共101頁。4.4.2主要功能(1)數(shù)據(jù)采集(2)電池狀態(tài)計(jì)算(3)能量管理(4)安全管理(5

30、)熱管理(6)均衡控制(7)通信功能(8)人機(jī)接口第65頁，共101頁。4.4.2主要功能圖4-14電池管理系統(tǒng)功能示意圖第66頁，共101頁。(1)數(shù)據(jù)采集電池管理系統(tǒng)的所有算法均以采集的動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于20Hz（50ms）。第67頁，共101頁。(2)電池狀態(tài)計(jì)算 電池狀態(tài)計(jì)算主要包括SOC和電池組健康狀態(tài)（State of Heath,SOH）兩方面。SOC用來提示動(dòng)力電池組剩余電量，是計(jì)算和估計(jì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的基礎(chǔ)。SOH用來提示電池技術(shù)狀態(tài)、預(yù)計(jì)可用壽命等健康狀態(tài)的參數(shù)。SOC

31、是防止動(dòng)力電池過充和過放的主要依據(jù)，只有準(zhǔn)確估算電池組的SOC才能有效提高動(dòng)力電池組的利用效率、保證電池組的使用壽命。在電動(dòng)汽車中，準(zhǔn)確估算蓄電池SOC主要有保護(hù)蓄電池、提高整車性能、降低對動(dòng)力電池的要求以及提高經(jīng)濟(jì)性等作用。第68頁，共101頁。(3)能量管理能量管理主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進(jìn)行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數(shù)為條件進(jìn)行放電功率控制兩個(gè)部分。第69頁，共101頁。(4)安全管理 安全管理主要用于監(jiān)視電池電壓、電流、溫度等是否超過正常范圍，防止電池組過充、過放?，F(xiàn)在在對電池組進(jìn)行整組監(jiān)控的同時(shí)，多數(shù)電池管理系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到對極端單體電池進(jìn)行過充、

32、過放、過溫等安全狀態(tài)管理。安全管理系統(tǒng)主要有以下功能：煙霧報(bào)警；絕緣檢測；自動(dòng)滅火；過電壓和過電流控制；過放電控制；防止溫度過高；在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。第70頁，共101頁。(5)熱管理 熱管理主要用于電池工作溫度超高時(shí)對電池進(jìn)行冷卻，低于適宜工作溫度下限時(shí)對電池進(jìn)行加熱，使電池處于適宜的工作溫度范圍內(nèi)，并在電池工作過程中保持電池單體間溫度均衡。對于大功率放電和高溫條件下使用的電池，電池的熱管理尤為必要。熱管理主要有以下功能：電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加熱；有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場的均勻分布。第71頁，共101頁。(6)

33、均衡控制由于電池的一致性差異導(dǎo)致電池組的工作狀態(tài)由最差電池單體決定。在電池組各個(gè)電池之間設(shè)置均衡電路，實(shí)施均衡控制是為了使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體電池組的工作性能。第72頁，共101頁。(7)通信功能通過電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)和信息與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信，為充放電控制、整車控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)是電池管理系統(tǒng)的重要功能之一，根據(jù)應(yīng)用需要，數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口，如：模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接口。第73頁，共101頁。(8)人機(jī)接口圖4-15某電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控信息顯示界面第74頁，共101頁。(8)人機(jī)接口圖4-16電池管理系統(tǒng)的實(shí)際安裝位置第7

34、5頁，共101頁。4.5動(dòng)力電池組的使用壽命4.5.1動(dòng)力電池單體壽命的影響因素4.5.2動(dòng)力電池的一致性與電池組壽命第76頁，共101頁。4.5.1動(dòng)力電池單體壽命的影響因素 充電截止電壓。動(dòng)力電池在充電過程中一般都伴隨有副反應(yīng)，提高充電截止電壓，甚至超過電池電化學(xué)電位后進(jìn)行充電一般會(huì)加劇副反應(yīng)的發(fā)生，并導(dǎo)致電池使用壽命縮短，并可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路損壞，甚至著火爆炸等危險(xiǎn)工況的出現(xiàn)。放電深度。深度放電會(huì)加速動(dòng)力電池的衰退。表4-3所示為某鋰離子動(dòng)力電池在不同放電深度下的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)。從中可以發(fā)現(xiàn)，淺充淺放可以有效地提高動(dòng)力電池的使用壽命。第77頁，共101頁。4.5.1動(dòng)力電池單體壽命的影響

35、因素C充電，1CC放電的嚴(yán)重；同樣是1C放電，1CC放電的嚴(yán)重。由此可知，動(dòng)力電池單體大倍率的充放電都會(huì)加快其容量的退化速度。如果充放電倍率過大，動(dòng)力電池單體還可能會(huì)出現(xiàn)直接損壞，甚至過熱、短路起火等極端現(xiàn)象。第78頁，共101頁。4.5.1動(dòng)力電池單體壽命的影響因素CC放電的方式進(jìn)行循環(huán)的容量衰減曲線。可以看出在高溫下運(yùn)行應(yīng)用的動(dòng)力電池容量衰減明顯大于常溫下工作的電池。第79頁，共101頁。4.5.1動(dòng)力電池單體壽命的影響因素 存儲(chǔ)條件。存儲(chǔ)過程中，由于電池的自放電、正負(fù)極材料鈍化、電解液分解蒸發(fā)、電化學(xué)副反應(yīng)等因素，將導(dǎo)致電池產(chǎn)生不可逆的容量損失。以鋰離子電池為例，在鋰離子電池存儲(chǔ)期間，石

36、墨負(fù)極的副反應(yīng)是引起鋰離子動(dòng)力電池容量衰減的主要原因。鋰離子電池電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)后，其負(fù)極表面會(huì)形成一層電子絕緣且離子可導(dǎo)的固體電解質(zhì)界面膜，這主要是由于電解液在負(fù)極表面的還原分解而形成的。這層膜的性質(zhì)和質(zhì)量直接影響著電極的充、放電性能和安全性。第80頁，共101頁。動(dòng)力電池在充電過程中一般都伴隨有副反應(yīng)，提高充電截止電壓，甚至超過電池電化學(xué)電位后進(jìn)行充電一般會(huì)加劇副反應(yīng)的發(fā)生，并導(dǎo)致電池使用壽命縮短，并可能導(dǎo)致電池內(nèi)部短路損壞，甚至著火爆炸等危險(xiǎn)工況的出現(xiàn)。圖4-17降低充電截止電壓對電池容量衰退影響比較圖 充電截止電壓第81頁，共101頁。充電截止電壓圖4-18提高充

37、電截止電壓對電池容量衰退影響比較圖第82頁，共101頁。放電深度表4-3放電深度與循環(huán)壽命的對應(yīng)關(guān)系深度放電會(huì)加速動(dòng)力電池的衰退。表4-3所示為某鋰離子動(dòng)力電池在不同放電深度下的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)。從中可以發(fā)現(xiàn)，淺充淺放可以有效地提高動(dòng)力電池的使用壽命。第83頁，共101頁。充放電倍率圖4-19不同充放電倍率下動(dòng)力電池的容量衰退情況C充電，1CC放電的嚴(yán)重；同樣是1C放電，1CC放電的嚴(yán)重。由此可知，動(dòng)力電池單體大倍率的充放電都會(huì)加快其容量的退化速度。如果充放電倍率過大，動(dòng)力電池單體還可能會(huì)出現(xiàn)直接損壞，甚至過熱、短路起火等極端現(xiàn)象。第84頁，共101頁。環(huán)境溫度圖4-20某10Ah鋰離子動(dòng)力電池不

38、同溫度條件下的容量衰減CC放電的方式進(jìn)行循環(huán)的容量衰減曲線?？梢钥闯鲈诟邷叵逻\(yùn)行應(yīng)用的動(dòng)力電池容量衰減明顯大于常溫下工作的電池。第85頁，共101頁。存儲(chǔ)條件存儲(chǔ)過程中，由于電池的自放電、正負(fù)極材料鈍化、電解液分解蒸發(fā)、電化學(xué)副反應(yīng)等因素，將導(dǎo)致電池產(chǎn)生不可逆的容量損失。以鋰離子電池為例，在鋰離子電池存儲(chǔ)期間，石墨負(fù)極的副反應(yīng)是引起鋰離子動(dòng)力電池容量衰減的主要原因。鋰離子電池電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)后，其負(fù)極表面會(huì)形成一層電子絕緣且離子可導(dǎo)的固體電解質(zhì)界面膜，這主要是由于電解液在負(fù)極表面的還原分解而形成的。這層膜的性質(zhì)和質(zhì)量直接影響著電極的充、放電性能和安全性。第86頁，共101

39、頁。4.5.2動(dòng)力電池的一致性與電池組壽命不一致性主要表現(xiàn)在兩方面：在制造過程差異引起的單體原始差異：由于工藝上的問題和材質(zhì)的不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率、連條、隔板等存在很微小的差別，這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性，就會(huì)使同一批次出廠的同一型號電池的容量、內(nèi)阻等參數(shù)不可能完全一致。在裝車使用時(shí)的環(huán)境差異引起的單體退化差異：由于電池組中各個(gè)電池的溫度、通風(fēng)條件、自放電程度、電解液密度等差別的影響，在一定程度上增加了電池電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)的不一致性。第87頁，共101頁。4.5.2動(dòng)力電池的一致性與電池組壽命(1)電池一致性的分類(2)電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)

40、律(3)提高電池一致性的措施(4)一致性對電池組壽命的影響第88頁，共101頁。(1)電池一致性的分類 電壓一致性：電壓不一致的主要影響因素在于并聯(lián)組中電池的互充電，當(dāng)并聯(lián)組中一節(jié)電池電壓低時(shí)，其他電池將給此電池充電。并聯(lián)電壓不一致性如圖4-21所示，設(shè)U1的端電壓低于U2，則電流方向如圖4-21所示，如同電池充電電路。這種連接方式，會(huì)使低壓電池容量小幅增加的同時(shí)高壓電池容量急劇降低，能量將損耗在互充電過程中而達(dá)不到預(yù)期的對外輸出。第89頁，共101頁。(1)電池一致性的分類 容量一致性：電池組在出廠前的分選試驗(yàn)可以保證單體電池初始容量一致性較好，在使用過程中可以通過電池單體單獨(dú)充放電來調(diào)整單

41、體電池初始容量，使之差異性較小，所以初始容量不一致不是電動(dòng)汽車電池成組應(yīng)用的主要矛盾。在電池組實(shí)際使用過程中，容量不一致主要是電池起始容量不一致和放電電流不一致綜合影響的結(jié)果。內(nèi)阻一致性：電池內(nèi)阻不一致使得電池組中每個(gè)單體在放電過程中熱損失的能量各不相同，最終會(huì)影響電池單體的能量狀態(tài)。第90頁，共101頁。(1)電池一致性的分類圖4-21并聯(lián)電壓不一致性電壓不一致的主要影響因素在于并聯(lián)組中電池的互充電，當(dāng)并聯(lián)組中一節(jié)電池電壓低時(shí)，其他電池將給此電池充電。并聯(lián)電壓不一致性如圖4-21所示 第91頁，共101頁。(2)電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)律圖4-22電壓不一致性統(tǒng)計(jì)結(jié)果隨使用時(shí)間和行駛里程的增

42、加，電池的不一致程度逐漸增加。最直觀的反映為運(yùn)行一段時(shí)間后，單體電池電壓不一致程度增加。以某鋰離子電池組為例，說明電池組在使用過程中電壓一致性的分布規(guī)律，如圖4-22所示。第92頁，共101頁。提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質(zhì)量，尤其是初始電壓的一致性。同一批次電池出廠前，以電壓、內(nèi)阻及電池化成數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)相關(guān)性分析，篩選相關(guān)性良好的電池，以此來保證同批電池的性能盡可能一致。在動(dòng)力電池成組時(shí)，務(wù)必保證電池組采用同一類型、同一規(guī)格、同一型號的電池。在電池組使用過程中檢測單電池參數(shù)，尤其是動(dòng)、靜態(tài)情況下（電動(dòng)汽車停駛或行駛過程中）的電壓分布情況，掌握電池組中單體電池不一致性的發(fā)展規(guī)律，對

43、極端參數(shù)電池進(jìn)行及時(shí)調(diào)整或更換，以保證電池組參數(shù)不一致性不隨使用時(shí)間而增大。對使用中發(fā)現(xiàn)的容量偏低的電池，進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)性充電，使其性能恢復(fù)。(3)提高電池一致性的措施第93頁，共101頁。間隔一定時(shí)間對電池組進(jìn)行小電流維護(hù)性充電，促進(jìn)電池組自身的均衡和性能恢復(fù)。盡量避免電池過充電，盡量防止電池深度放電。保證電池組良好的使用環(huán)境，盡量保證電池組溫度場均勻，減小振動(dòng)，避免水、塵土等污染電池極柱。采用電池組均衡系統(tǒng)，對電池組充放電進(jìn)行智能管理。(3)提高電池一致性的措施第94頁，共101頁。溫度差異：在電動(dòng)車輛上電池的安裝位置根據(jù)布置的需要可能在不同的位置，電池所處的熱環(huán)境存在差異，如某箱電池可能靠

44、近電機(jī)等熱源，而部分電池可能處于通風(fēng)狀況良好的區(qū)域?；蛘咴谕晃恢玫碾姵貎?nèi)由于通風(fēng)條件的差異導(dǎo)致單體間的溫差。充放電倍率差異：同一種電池都有相同的最佳放電率，容量不同，最佳放電電流就不同。在串聯(lián)組中電流相同，所以有的電池在最佳放電電流工作，而有的電池達(dá)不到或超過了最佳放電電流。即由于不一致性在工作過程中的放電率差異。(4)一致性對電池組壽命的影響第95頁，共101頁。放電深度差異：電動(dòng)汽車行駛距離相同，因容量不同，電池的放電深度也不同。在大多數(shù)電池還屬于淺放電情況下，容量不足的電池已經(jīng)進(jìn)入深放電階段，并且在其他電池深放電時(shí)，低容量電池可能已經(jīng)沒有電量可以放出，成為電路中的負(fù)載。即容量不一致導(dǎo)致

45、的放電深度差異。電池單體與電池組的可用容量差異：在充電過程中，小容量電池將提前充滿，為使電池組中其他電池充滿，小容量電池必將過充電，充電后期充電電壓偏高，甚至超出電池電壓最高限，形成安全隱患，影響整個(gè)電池組充電過程，并且過充電將嚴(yán)重影響電池的使用壽命。(4)一致性對電池組壽命的影響第96頁，共101頁。(4)一致性對電池組壽命的影響圖4-23動(dòng)力電池組不一致性的成因及其傳遞過程第97頁，共101頁。.1動(dòng)力電池的梯次利用4.6.2 動(dòng)力電池回收4.6 動(dòng)力電池的梯次回收和利用第98頁，共101頁。動(dòng)力電池的梯次回收圖4-22動(dòng)力電池的梯次回收第99頁，共101頁。4.6.2 動(dòng)力電池回收圖4-22鉛酸電池回收利用流程第100頁，共101頁。謝謝觀賞！2020/11/5101第101頁，共101頁。