新能源汽车教学概论PPT.ppt

书名：新能源汽车技术ISBN：978-7-111-45719-0作者：张金柱出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,第二章 电动汽车动力电池,蓄电池的分类 按蓄电池电解质分类可分为酸性电池、碱性电池、中性电池以及有机电解液电池等。按蓄电池正极和负极材料的不同，可将蓄电池分为锌系电池、镍系电池、铅系电池、锂系电池及金属空气（氧气）系列电池等。,概述,蓄电池的性能参数 电压：蓄电池的电压（端电压）是指其正极与负极之间的电位差。开路电压：蓄电池未向外电路输出电流时的端电压。放电电压：蓄电池向外输出电流时的端电压。充电电压：在充电电源对蓄电池进行充电时，蓄电池的端电压。,概述,蓄电池的性能参数 容量：蓄电池的容量是指在允许放电范围内所能输出的电量，包括理论容量、实际容量、i小时放电率容量以及额定容量等。能量：蓄电池的能量是指在一定的放电条件下，蓄电池所输出的电能，标称能量、实际能量、比能量、能量密度等。,概述,各种电池的比能量,概述,蓄电池的性能参数 功率：蓄电池的功率是指在规定的放电条件下，蓄电池单位时间所能输出的电能，包括比功率、功率密度。寿命：蓄电池的寿命通常用使用时间或循环寿命来表示。,概述,蓄电池常用术语 终止电压：终止电压是指充电或放电结束时的电压，分为充电终止电压和放电终止电压。充电终止电压：蓄电池在充电结束（充足电）时，其充电电压已上升至极限，继续充电就将使蓄电池过充电，这个高限电压就称为充电终止电压。放电终止电压：蓄电池在放完电时，其放电电压已下降至极限，继续放电将导致蓄电池过度放电，这个低限电压就称为放电终止电压。,概述,蓄电池常用术语 i小时放电率：i小时放电率是指蓄电池以恒定的电流放电，以该恒定电流放电i小时，正好使蓄电池放电至终止电压（放完电）。过充电：蓄电池已充足电后的充电即为过充电。此外，充电电流大于蓄电池充电可接受电流时，继续以该电流充电也属于过充电。,概述,蓄电池常用术语 过放电：蓄电池已放电至终止电压（已放完电）后，继续放电即为过放电。荷电状态：蓄电池的荷电状态SOC（State of Charge）在数值上等于蓄电池剩余的容量与蓄电池额定容量的比值，用于描述蓄电池在充放电过程中的存电状态。,概述,蓄电池常用术语 放电深度 蓄电池的放电深度DOD（Depth of Discharge）在数值上等于蓄电池已 放出的电量与蓄电池额定容量的比值，用于描述蓄电池在放电过程中所达到的放电深度。不一致性：是指蓄电池组中的各个蓄电池的电压、容量、内阻等存在差异。均衡充电：是针对有不一致性的蓄电池组所进行的特殊充电方法，旨在减小或消除 蓄电池组的不一致性。,概述,纯电动汽车对蓄电池的性能要求 1、蓄电池的容量要足够大 2、蓄电池可实现深度放电 3、蓄电池的比能量和能量密度要尽可能大 4、蓄电池的可接受充电电流要大,概述,混合动力电动汽车对蓄电池的性能要求 1、蓄电池的峰值功率要大 2、循环寿命要长 3、蓄电池在工作时，其SOC应尽可能保持在50%85%的范围之内,概述,插电式混合动力电动汽车对蓄电池的性能要求 1、在深度放电的情况下，仍然有较长的循环寿命。2、在低SOC状态下，能实现大功率电能输出。3、在高SOC状态下，能接受大电流充电。4、在保持高SOC状态的情况下，可延长其使用寿命。5、比能量及能量密度高，以减小蓄电池组的质量和体积。6、安全性好。,概述,铅酸蓄电池的种类 铅酸蓄电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类。固定型铅酸蓄电池按电池槽结构分为半密封式及密封式，半密封式又有防酸式及消氢式。依据排气方式，密封式铅酸蓄电池可分为排气式和非排气式两种。铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜，规格齐全。,蓄电池结构与原理,铅酸蓄电池的特点,蓄电池结构与原理,铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池的放电和充电的反应过程，是铅酸蓄电池活性物质可逆进行的化学变化过程。它们可以用下列化学反应方程式表示：,蓄电池结构与原理,铅酸蓄电池的构造 铅酸蓄电池的基本单元是单体电池（Battery cell）。每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。每个单体电池的基本电压为2V，然后将不同容量的单体电池按使用要求进行组合，装置在不同的塑料外壳中，来获得不同电压和不同容量的铅酸蓄电池。,蓄电池结构与原理,铅酸蓄电池的构造,蓄电池结构与原理,安装了排气阀的铅酸蓄电池的构造,蓄电池结构与原理,镍-镉电池的工作原理 镍-镉电池是以羟基氢氧化镍为正极，金属钢为负极，水溶性氧化钾溶液为电解质，在镍-镉电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。为了提高寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。,蓄电池结构与原理,镍-镉电池的构造 镍-镉电池的每个单体电池都是由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成。将单体电池按不同的组合装置在不同塑料外壳中，可得到所需要的不同电压和不同容量的镍-镉电池总成，在市场上有多种不同型号规格的镍-镉电池总成可供选择。在灌装电解液，并经过充电后，就可以从电池的接线柱上引出电流。,蓄电池结构与原理,镍-镉电池的构造,蓄电池结构与原理,镍-镉电池的特点 镍-镉电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为1.2V。比能量为55Wh/kg，比功率可以超过225W/kg，循环使用寿命2000次以上。可以进行快速充电，充电15min可恢复50%的容量，充电1h可恢复100%的容量，但一般情况下完全充电需要6h。深放电达100%，自放电率低于0.5%/天。可以在-4080的环境温度条件下正常工作。快速充电能力强，充电18min 即可从40%达到80%容量。同时，镍-镉电池具有记忆效应。,蓄电池结构与原理,镍-氢（Ni-MH）电池 镍-氢电池也是一种碱性电池，镍-氢电池的标称电压为1.2V，比能量可达到7080Wh/kg，比功率可达到 200W/kg。具有高倍率的放电特性，短时间可以以3C放电，瞬时脉冲放电率很大。镍-氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电，并可以快速充电。采用全封闭外壳，可以在真空环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。镍-氢电池中没有Pb和Cd等重金属元素，不会对环境造成污染。镍-氢电池可以随充随放，不会出现镍-镉在没有放完电后即充电而产生的“记忆效应”。,蓄电池结构与原理,镍-氢（Ni-MH）电池的工作原理 镍-氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末与添加剂钴等金属、塑料和黏合剂等制成的涂膏，涂在正极板上经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。镍-氢电池的负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定的经受反复的储气和放气的循环。电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。,蓄电池结构与原理,镍-氢电池的构造 镍-氢电池正极是活性物质氢氧化镍，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，在正负极之间有隔膜，共同组成镍-氢单格电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。镍-氢电池的特性与镍-镉电池基本相同，但氢气是没有毒性的物质，无污染，安全可靠。使用寿命长，而且不需要补充水分。,蓄电池结构与原理,镍-氢电池的构造,蓄电池结构与原理,镍-氢电池的充、放电特性 放电特性 D型镍-氢电池（由6个单电池组件）放电时，2C（C为按额定电流放电时的实际放电容量）的功率输出时的质量比功率可达到600W/kg以上，3 C的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对电动汽车的动力性能的控制十分有利，电池的寿命可以达到100000km以上。,蓄电池结构与原理,镍-氢电池的充、放电特性 充电特性 D型镍-氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到l00%，能够有效地接受电动汽车在制动时反馈的电能。另外，由于能量损耗较小，镍-氢电池的发热量被抑制在最小的极限范围内，可以有效地控制荷电状态，并用电流来显示电池的荷电状态。,蓄电池结构与原理,镍-氢电池的充、放电特性 寿命 电动汽车动力电池组是经常处于充电、放电状态，而且充电、放电是不规则地进行，这对电池的寿命带来严重的影响，松下电气公司，用模拟电动汽车行驶工况对镍-氢电池进行仿真试验，证实镍-氢电池的特性几乎不发生变化，镍-氢电池用于电动汽车是比较合适的。,蓄电池结构与原理,镍-氢电池的特点 镍-氢电池的单体电池的电压力l.2V，3h比能量7580Wh/kg，能量密度达到200Wh/L，比功率160230W/kg，功率密度400600W/kg。充电18min可恢复40%80%的容量，应急补充充电性能好，一次充电后行驶里程长，而且起动加速性能较好。可以在环境温度-2880条件下正常工作。循环寿命可达到6000次或7年。但在高温条件下使用时电荷量急剧下降，自放电损耗较大，价格较贵。,蓄电池结构与原理,锂离子电池 锂离子电池是目前世界最新一代的充电电池。与其他蓄电池比较，锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，它已成为未来电动汽车较为理想的动力电源。相比于镍-氢电池，混合动力汽车采用锂离子电池，可使电池组的质量下降40%50%，体积减小20%30%，能源效率也有一定程度的提高。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的分类 按照锂离子电池的外形形状可分为：方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。按照锂离子电池正极材料的不同，汽车用锂离子电池主要分为：锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的结构 锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。圆柱形锂离子电池结构如图所示。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的优点 1、工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6 V，是镍-氢和镍-镉电池工作电压的3倍。2、比能量高。锂离子电池比能量已达到150Wh/kg，是镍-镉电池的3倍，镍-氢电池的1.5倍。3、循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的优点 4、自放电率低。锂离子电池月自放电率仅为6%8%，远低于镍-镉电池（25%30%）和镍-氢电池（15%20%）。5、无记忆性。可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。6、对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。7、能够制造成任意形状。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的工作原理 锂离子电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液。典型的电池体系为（-）C|LiPF6EC+DEC|LiCoO2（+）电池充电，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的工作原理,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充放电特性 在电压方面，锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的1%。终止电压过高，会影响锂离子电池的寿命，甚至造成过充电现象，对电池造成永久性的损坏；终止电压过低，又会使充电不完全，电池的可使用时间变短。充电电流方面，锂电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用。虽然某些电池充电率可达2C，但常用的充电率为0.51C。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充放电特性 放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在23C左右。更大的放电电流会使电池发热严重，对电池的组成物质造成损坏，影响电池的使用寿命。同时，由于大电流放电时，电池的部分能量转变成热能，因此电池的放电容量将会降低。在造成过放电（低于3.0V）时，还会造成电池的失效。对于过放电的锂离子电池，在充电前需要进行预处理，即使用小电流充电，使电池内部被过放电的单元被激活。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法 兼顾充电过程的安全性、快速性和电池使用的高效性，锂离子电池通常都采用恒流恒压充电方法，其充电过程可分为预充电、恒流充电、恒压充电三个阶段。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法 预充电阶段 在该状态下，首先检测单节锂离子电池电压是否较低（3.0V），如果是则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电直至电池电压上升到一个安全值。否则可省略该阶段，这也是最普遍的情况。因为预充电主要是完成对过放的锂电池进行修复。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法 恒流充电阶段 涓流充电后，充电器转入恒流充电状态。充电电流保持不变的较大的值，电池的最大充电电流决定于电池的容量。在恒流充电和预充电状态下，可以采用以下两种恒流充电终止法。1）电池最高电压终止法。当单节锂电池电压达到4.2V，恒流充电状态应立即终止；2）电池最高温度终止法。在恒流充电过程中，当电池的温度达到60时，恒流充电状态应立即终止。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法 恒压充电阶段 恒流充电结束后，则转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压保持恒定。因为锂离子电池对充电电压精度的要求比较高，单节电池恒压充电电压应在规定值的1%之间变化，因此要严格控制锂离子电池的充电电压。在恒压充电过程中，充电器连续监控电池的电压、温度、充电电流和充电时间。,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法常用的恒压充电终止方法有以下四种方法：1、电池最高电压。当单节锂离子电池的电压达到4.25V时，恒压充电状态自动终止；2、电池最高温度。当锂离子电池的最高温度达到60时，恒压充电状态自动终止；,蓄电池结构与原理,锂离子电池的充电方法 3、最长充电时间。为了确保锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和最高温度外，还应设置最长恒压充电时间，在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电；4、最小充电电流。在恒压充电过程中，锂离子电池的充电电流逐渐减小，当充电电流下降到一定数值（通常为恒流充电电流的1/10）时，恒压充电状态自动终止。,蓄电池结构与原理,超级电容 超级电容器简称超级电容，又叫做双电层电容器（Electrical Double Layer Capacitor）。它具有超强的储存电荷能力，是一种介于蓄电池和普通电容器之间的新型蓄能装置。超级电容的工作原理 超级电容的主要组成部件是集电极（电容板）、电解质和绝缘层。,蓄电池结构与原理,超级电容工作原理,蓄电池结构与原理,超级电容的特点 1、充放电循环寿命很长。2、可以提供很大的放电电流。3、可以实现快速充电。4、工作温度范围很宽。5、安全无毒。,蓄电池结构与原理,飞轮电池 飞轮电池主要由飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器等组成。当飞轮以一定的角速度旋转时，就具有了一定的动能。飞轮是整个蓄能装置的核心部件，它直接决定了整个装置的蓄能量。对飞轮电池充电时，通过电能而使电机旋转，电机驱动飞轮加速旋转，飞轮储存动能（机械能）。飞轮电池向外放电时，由高速旋转的飞轮带动电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置将电能转换为负载所需的频率和电压。,蓄电池结构与原理,飞轮电池工作原理,蓄电池结构与原理,飞轮电池特点 1、能量密度高。2、其能量转换效率高、充电快。3、体积小、质量轻。4、工作温度范围宽。5、使用寿命长。6、维护周期长。,蓄电池结构与原理,电动汽车的电池组管理系统 电动汽车除动力电池组提供主要电源外，还有一个发动机-发电机组向动力电池组通过转换器不断地补充电能 根据电动车辆所采用的电池的类型和动力电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括：热（温度）管理系统；电池组管理系统；电线线路管理系统。,蓄电池的管理系统,蓄电池的管理系统,热管理系统 电动汽车上使用的动力电池组在工作时都会有发热现象，不同的蓄电池的发热程度各不相同，有的蓄电池可以采用自然通风即可满足电池组的散热要求，但有的蓄电池则必须采取强制通风来进行冷却，才能保证电池组正常地工作和延长蓄电池的寿命。,蓄电池的管理系统,热管理系统 根据动力电池组在电动车辆上的布置，动力电池组的温度管理系统中，首先应合理安排动力电池组的支架，要求便于动力电池组或其分组能够便于安装，能够实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组的支架的位置和形状确定后设计通风管道、风扇，动力电池组ECU和温度传感器等,蓄电池的管理系统,热管理系统 根据动力电池组在电动车辆上的布置，动力电池组的温度管理系统中，首先应合理安排动力电池组的支架，要求便于动力电池组或其分组能够便于安装，能够实现机械化装卸，便于各种电线束的连接。在动力电池组的支架的位置和形状确定后设计通风管道、风扇，动力电池组ECU和温度传感器等。,蓄电池的管理系统,热管理系统,蓄电池的管理系统,热管理系统,蓄电池的管理系统,蓄电池管理系统 蓄电池管理系统的作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电池组中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理。使电池组能够提高工作效率，保证正常运转并达到最佳状态，避免发生电池的过充电和过放电，有效地延长电池的寿命，以及动力电池组的安全管理和保洁等。,蓄电池的管理系统,蓄电池管理系统主要包括：1、电池的技术性能 2、电池状态的管理 3、动力电池组的组合 4、动力电池组的安全管理,蓄电池的管理系统,动力电池组管理系统 动力电池组管理系统要承担动力电池组的全面管理，一方面保证动力电池组的正常运作，显示动力电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握动力电池组的情况。另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。,蓄电池的管理系统,动力电池组管理系统的基本功能 1、动力电池组管理 2、单节电池管理 3、荷电状态的估计和故障诊断,蓄电池的管理系统,动力电池组管理系统的组成,蓄电池的管理系统,动力电池组管理系统的组成（带有温度测量装置）,蓄电池的管理系统,