新能源汽车结构与检修课件.ppt

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1、XINGNENGYUAN QICHEJIEGOUYUJIANXIU新能源汽车结构与检修,目 录,学习单元一 新能源汽车的认知学习单元二 动力电池的认知与使用学习单元三 驱动电机的认知与检修学习单元四 纯电动汽车的认知与使用学习单元五 混合动力汽车的认知与使用学习单元六 其他新能源汽车的认知,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务一： 新能源汽车基础知识,一、新能源的定义与特点新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式，是指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。例如2012年6月14日，黑龙江省颁布条例称探测出来的资源属国有

2、；2012年8月20日，国家气象局表示支持风能太阳能归国有。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务一：新能源汽车基础知识,新能源具有下列典型的特点： 1资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用；比如，陆上估计可开发利用的风力资源为253GW, 而截止2003年只有0.57GW被开发利用，预计到2010年可以利用的达到4GW, 到2020年到20GW，而太阳能光伏并网和离网应用量预计到2020年可以从的0.03GW增加1至2个GW。 2能量密度低，开发利用需要较大空间； 3不含碳或含碳量很少，对环境影响小； 4分布广，有利于小规模分散利用； 5间断式供应，波动性大，对继续供能不利； 6除

3、水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务一：新能源汽车基础知识,二、新能源的类型（一）太阳能 太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换光电转换以及光化学转换三种主要方式。 （二）海洋能海洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。 （三）核能核能俗称原子能，它是原子核里的核子中子或质子，重新分配和组合时释放出来的能量。（四）风能 风能是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及

4、边远地区尤为重要。（五）氢能氢气无味无毒，不会造成人体中毒，燃烧产物仅为水，不污染环境。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务一：新能源汽车基础知识,三、未来的新能源1波能即海洋波浪能。这是一种取之不尽，用之不竭的无污染可再生能源。2可燃冰这是一种甲烷与水结合在一起的固体化合物，它的外型与冰相似，故称“可燃冰”。3煤层气煤在形成过程中由于温度及压力增加，在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。从4微生物世界上有不少国家盛产甘蔗、甜菜、木薯等，利用微生物发酵，可制成酒精，酒精具有燃烧完全、效率高、无污染等特点，用其稀释汽油可得到“乙醇汽油”，而且制作酒精的原料丰富，成本低廉。据报道，巴西已改装

5、“乙醇汽油”或酒精为燃料的汽车达几十万辆，减5第四代核能源世界科学家已研制出利用正反物质的核聚变，来制造出无任何污染的新型核能源。正反,一、新能源汽车的定义新能源汽车英文为“New energy vehicles”。我国2009年7月1日正式实施了新能源汽车生产企业及产品准入管理规则，明确指出：新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车的定义因国家不同其提法也不相同，在日本通常被称为“低公害汽车”，2001年以日本国土交通省、环境省和经济产业省制定

6、了“低公害车开发普及行动计划”。该计划所指的低公害车包括5 类，即：以天然气为燃料的汽车、混合动力汽车、电动汽车、以甲醇为燃料的汽车、排污和燃效限制标准最严格的清洁汽油汽车。在美国通常将新能源汽车称作“代用燃料汽车”。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二：新能源汽车的认知,二、新能源汽车的分类新能源汽车包括五大类型混合动力电动汽车(HEV)、纯电动汽车(BEV，包括太阳能汽车)、燃料电池电动汽车(FCEV)、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气、液化石油气、乙醇汽油、二甲醚之外的燃料。1混合动力汽车混合动力是指那些采用传统燃料的，同时

7、配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照燃料种类的不同，主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种。目前国内市场上，混合动力车辆的主流都是汽油混合动力，而国际市场上柴油混合动力车型发展也很快。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二： 新能源汽车的认知,2纯电动汽车电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二： 新能源汽车的认知,纯电动汽车,3燃料电池汽车燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反

8、应产生电流，依靠电机驱动的汽车。从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种最理想的车辆。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二：新能源汽车的认知,广汽燃料电池汽车（上海车展）,4氢动力汽车氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富等优势，因此，氢动力汽车是传统汽车最理想的替代方案。力概念跑车“氢程”。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二：新能源汽车的认知,中国长安“氢程”氢动力汽车,5燃气汽车燃气汽车是指用压缩天然气(CNG)液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为燃料的汽车。近年来，世界上各国政府都积极寻求解决这一难题，开始

9、纷纷调整汽车燃料结构。燃气汽车由于其排放性能好，可调正汽车燃料结构，运行成本低技术成熟安全可靠，所以被世界各国公认为当前最理想的替代燃料汽车。目前，燃气仍然是世界汽车代用燃料的主流，在我国代用燃料汽车中占到90左右。截止到2010年，美国公共汽车领域有7%的汽车使用天然气，50%的出租车和班车改为专用天然气的汽车；德国天然气汽车数量将达到10万至40万辆，加气站将达到300座。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二： 新能源汽车的认知,6生物乙醇汽车 乙醇俗称酒精，通俗些说，使用乙醇为燃料的汽车，也可叫酒精汽车。用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长，无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟

10、，近来由于石油资源紧张，汽车能源多元化趋向加剧，乙醇汽车又提到议事日程。 目前世界上已有40多个国家，不同程度应用乙醇汽车，有的已达到较大规模的推广，乙醇汽车的地位日益提升。在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量，使汽车缸内燃烧更完全，可以降低尾气的害物的排放。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二： 新能源汽车的认知,7其它新能源汽车（1）空气动力汽车利用空气作为能量载体，使用空气压缩机将空气压缩到30MP以上，然后储存在储气罐中。需要开动汽车时将压缩空气释放出来驱动启动马达行驶。优点是无排放维护少。缺点是需要电源空气压力（能量输出）随着行驶里程加长而衰减高压气体的安全性不稳

11、定。（2）飞轮储能汽车利用飞轮的惯性储能，储存非满负载时发动机的余能以及车辆长大下坡减速行驶时的能量，反馈到一个发电机上发电，再而驱动或加速飞轮旋转。飞轮使用磁悬浮方式，在70000r/min的高速下旋转。在混合动力汽车上作为辅助，优点是可提高能源使用效率重量轻储能高能量进出反应快维护少寿命长，缺点是成本高机动车转向会受飞轮陀螺效应的影响。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二： 新能源汽车的认知,（3）超级电容汽车 超级电容器是利用双电层原理的电容器。在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之

12、间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。目前新能源汽车具有良好的市场，但毕竟是处于发展阶段，如：成本，价格，销售和技术等还面临着很都困难。,学习单元一 新能源汽车的认知,学习任务二： 新能源汽车的认知,一、动力电池的性能指标1电动势电池的电动势，又称电池标准电压或理论电压，为电池断路时正负两极间的电位差。电池的电动势可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算而得。2额定电压额定电压(或公称电压)，系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸蓄电池为2V。3开路电压电池的开路电压是无负荷

13、情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势。必须指出，电池的电动势是从热力学函数计算而得到的，而电池的开路电压则是实际测量出来的。4工作电压 指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围。例如，铅酸蓄电池的工作电压在2V1.8V；镍氢电池的工作电压在1.5V1.1V；锂离子电池的工作电压在3.6V2.75V。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,5终止电压指放电终止时的电压值，视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例：电动势为2.1V，额定电压为2V，开路电压接近2.15V，工作电压为2V1.8V，放电终止电压为1.8V1.5V(放电终止电压根据放电率的

14、不同，其终止电压也不同)。6充电电压系指外电路直流电压对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压，通常在一定的范围内。例如，镍镉电池的充电压在1.45V1.5V；锂离子电池的充电压在4.1V4.2V；铅酸蓄电池的充电压在2.25V2.5V。7容量电池的容量单位为库仑(C)或安时(Ah)。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,8比能量和比功率电池的输出能量是指在一定的放电条件下，电池所能作出的电功，它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时(Wh)表示。9内阻蓄电池的内阻包括：正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等。10贮

15、存性能和自放电电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后，其容量会自行降低，这个现象称自放电。所谓“贮存性能”是指电池开路时，在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,11寿命电池的寿命有“干贮存寿命”和“湿贮存寿命”两个概念。电池的真正寿命是指电池实际使用的时间长短。对一次电池而言，电池的寿命是表征给出额定容量的工作时间(与放电倍率大小有关)。对二次电池而言，电池的寿命分充放电循环寿命和湿搁置使用寿命两种。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,二、动力电池的分类电动汽

16、车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1化学电池将化学能直接转变为电能的装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。化学电池按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,（1）原电池是利用两个电极之间金属性的不同，产生电势差，从而使电子的流动，产生电流。如图2-1所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,图2-1 原电池的工作原理,（2）蓄电池蓄电池又称二次电池，是指电池在放电后可通过充电的方法使活性物质复原而继续使用的电池，而这种充放电可以达数十次

17、到上千次循环。如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。如图2-2所示,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,图2-2 蓄电池,（3）燃料电池电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。如图2-3所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,图2-3 燃料电池工作原理,（4）储备电池储备电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触，使用前注入电解液或者使用其它方

18、法使电液与正负极接触，此后电池进入待放电状态，如镁电池、热电池等。 化学电池按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。 化学电池按电池的特性分为高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池等。 化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉镍氢系列、铅酸系列、锂电池系列等。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,2物理电池 物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。 （1）太阳能电池太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”通过光电效应或者光化学效应直接把光能转

19、化成电能的装置。如图2-4所示利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,图2-4 太阳能电池,3生物电池 生物电池（bio-fuel cells），是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。如图2-5所示.,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,图2-5 生物电池,三、混合动力汽车对动力电池的要求作为电动汽车用的动力电池,必须满足下列要求:1体积小、重量轻、贮存能量密度高,使电动汽车的一次充电续驶里程长;2能量输出密度高,使电动汽车

20、的加速性能和爬坡性能好;3能够快速启动和运行,可靠性高;4循环次数高,使用寿命长;5环境适应性强,能在一定湿度下正常工作,抗振动冲击性能好;6环保性能好,无二次污染,并有可再生利用性;7维修方便,保养费用低;8安全性好,能够有效防止因泄露或短路引起的起火或爆炸;9价格低,经济性好;10燃料储存、处理和输送方便,能够利用现有的燃油加油系统。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务一： 动力电池的认知,一、铅酸电池的组成铅酸蓄电池由3只或6只单格电池串联而成，如图2-6所示，每只单格电池电压约为2V，串联成6V或12V以供汽车选用，如图2-7所示，它主要由极板、隔板、电解液、外壳、联条和极柱等

21、组成，下面分别加以介绍。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,图2-6 单格电池 图2-7 蓄电池的结构,二、铅酸电池工作原理蓄电池的工作原理就是化学能和电能的相互转化。它分为充电和放电两个过程。如图2-8所示。当铅蓄电池接通外电路负载放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb都变成了PbSO4，电解液中的硫酸变成了水。充电时，正极板上的Pb、SO4分别恢复成原来的PbO2和Pb，电解液中的水变成了硫酸。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,图2-8 蓄电池的工作原理,三、蓄电池的正确使用与维护1三抓（1）抓及时、正确充电：放

22、完电的电池24h内送充电间；装车使用的电池应定期补充充电，放电程度，冬季不超过25%，夏季不超过50%；带电解液存放的蓄电池应定期补充充电。（2）抓正确使用操作每次启动时间不超过5s，启动间隔时间15s，最多连续启动3次；车上蓄电池应固定牢靠，安装搬运时应轻搬轻放。（3）抓清洁保养保持蓄电池表面清洁；及时清除蓄电池表面的酸液；经常疏通通气孔。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,2五防防止过充和充电电流过大；防止过度放电；防止电解液液面过低；防止电解液密度过大；防止电解液内混入杂质。3冬季使用蓄电池时的注意事项应特别注意保持其处于充足电状态，以防结冰； 冬季补

23、加蒸馏水应在充电时进行，以防结冰； 冬季容量降低，发动机启动前应进行预热，每次启动时间不超过5s，每次启动间隔应有15s；冬季气温低，蓄电池充电困难，应经常检查蓄电池存电状况,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,四、蓄电池技术状况的检查1外部检查（1）检查蓄电池封胶处有无开裂和损坏，极桩有无破损，壳体有无泄露，否则应修理或者更换。（2）疏通加液孔盖的通气孔。（3）清洁蓄电池外壳，并用钢丝刷或极柱接头清洗器清洁极柱和电缆卡子上的氧化物，清洁后涂抹一层凡士林或润滑脂，如图2-9所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,图2-9

24、蓄电池的清洁,2检查电解液液面高度 一般每行驶1000km或冬季行驶1015天、夏季行驶56天，应检查电解液液面高度。橡胶外壳蓄电池电解液液面高度应高出极板1015mm，可用玻璃观管测量，如图2-10所示。塑料外壳蓄电池呈半透明状，液面应在厂方标明的上下刻线之间，如图2-11所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,图2-10 电解液液面检查方法,图2-11 透明壳体液位检查,3检查电解液密度电解液密度的大小，是判断蓄电池容量的重要标志。测量蓄电池电解液密度时，蓄电池应处于稳定状态。蓄电池充、放电或加注蒸馏水后，应静置半小时后再测量。电解液密度的大小拆用吸式

25、密度计进行检测，方法见图2-12。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,图2-12 蓄电池电解液密度检测,五、铅酸电池的检修蓄电池在使用过程中，所出现的故障，包括外部故障和内部故障。外部故障有外壳裂纹、封口胶干裂、接线松脱、接触不良、极柱腐蚀、电池爆炸等，如图2-13所示。内部故障则包括极板硫化、活性物质脱落、自行放电、极板短路和栅架短路等。铅蓄电池的外部故障容易察觉，现象比较明显，可通过简单的修补、除污、紧固等方法进行修复；而内部故障则不易察觉，只有在使用或充电时才出现一定症状，一旦产生就不易排除。因此在使用中应以预防为主，尽量避免内部故障产生。,学习单元二

26、 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务二: 铅酸电池的使用与检修,图2-13 普通铅蓄电池的外部故障,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务三: 锂离子电池的使用,图2-14 锂离子聚合物电池和液态锂离子电池,1锂离子电池的结构组成锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成，正负极及电解质材料的不同和工艺的差异使电池具有不同的性能，如图2-15所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-15 锂离子电池的结构组成,学习任务三: 锂离子电池的使用,2锂离子电池的工作原理锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，

27、没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务三: 锂离子电池的使用,当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，如图2-16所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-16 锂离子电池的工作原理

28、图,学习任务三: 锂离子电池的使用,如图2-17所示，充电时锂离子从氧化物正极晶格脱出，通过锂离子传导的有机电解液后迁移嵌入到碳负材料负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡；放电时则恰好相反，锂从碳材料中脱出回到氧化物正极中，正极处于富锂态。,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-17 锂离子电池的充放电过程,学习任务三: 锂离子电池的使用,二、锂离子电池的应用（一）锂离子电池具有优越的性能1单体电池工作电压高达3.7V，是镍电池的3倍，铅酸电池的2倍。2质量比能量高达150Wh/Kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍, 因此重量是相

29、同能量铅酸电池的四分之一。3体积比能量高达到400Wh/L，因此体积是相同能量铅酸电池的二分之一到三分之一。4循环寿命长，循环次数可达10002000次。5自放电率低，每月不到10%。6无记忆效应，充电前不必像镍镉电池一样需要完全放电，可以随时随地的进行充电。电池深度充放电，对电池的寿命影响不大，放电深度可达95。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务三: 锂离子电池的使用,（二）锂离子电池的不足主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池；必须有特殊的保护电路，以防止过充。（三）锂离子电池在电动汽车上的运用1日产聆风聆

30、风是日产推出的纯电力驱动零排放汽车，它采用由层叠式紧凑型锂离子电池驱动，电池组容量24千瓦时、最大输出功率90千瓦。图2-18所示。在完全充电的情况下，可以实现160公里的续航里程。另外，聆风提供了多种充电方式，如果在家中给聆风充电，需要8个小时可将车完全充电；如果在快速充电站充电，只需30分钟即可充80%的电量。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务三: 锂离子电池的使用,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-18 日产聆风用锂离子电池,学习任务三: 锂离子电池的使用,2现代的Blue On现代的Blue On电动车已经应用了高能聚合物锂离子电池（图2-19）,容量达到16.4千瓦时

31、。聚合物锂离子电池是从液态锂离子电池基础上发展来的新一代高比能电池。聚合物锂离子电池在与液态锂离子电池相同容量情况下，具有体积更小、重量更轻、工作范围更广、寿命更长等优点，更重要的是其电解质为固态或凝胶状，不会出现液态电池电解液泄漏所造成的危险。,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-19 现代的Blue On电动车,学习任务三: 锂离子电池的使用,3奔驰S400 Hybrid奔驰明确表示S400是车厂第一款采用锂电池的大规模量产车型。它一共由35个电池单元组成，可以提供19千瓦的输出功率，容量为6.5安时。体积不大，可以直接放置在发动机舱里。图2-20所示。,学习单元二 动力电池的认知与使

32、用,图2-20 奔驰S400 Hybrid及电池,学习任务三: 锂离子电池的使用,一、镍氢电池的认知 镍金属氢化物电池是由Stanford Ovshinsky发明的，在他50年的工作生涯中，共为美国提供了400多项技术专利，涵盖镍氢电池，氢燃料电池，和薄膜太阳能电池等各方面。当然，在斯坦福所有的发明中，最优秀的莫过于镍氢反应电池（Ni-MH电池）。这是一款可用于为混合型汽车充电的便携电池（图2-23所示），同时它也非常地环保。通用EV1汽车就采用了这种镍氢电池。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,图2

33、-23 镍氢电池组,1镍氢电池的定义镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍氢（Ni-MH）电池与Ni-Cd电池有许多相同的特性，但由于无镉，因此不存在重金属污染问题，被称为“绿色电池”，批量生产的成本约为铅酸电池的四倍。Ni-MH电池单体额定电压为1.2V，其负电极为经吸氢处理后的储氢合金，正电极为氢氧化镍，电解液为KOH溶液。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,2镍氢电池（Ni-MH）的材料构成镍氢电池的材料构成主要由电极材料、电解液、金属材料及隔膜组成，正负极及电解液

34、材料上不同工艺上的差异使电池有不同的性能，其中正极材料决定了电池的容量，负极材料决定了大电流或高温工作时，电池充放电的稳定性。图2-24所示。目前正极材料多用高密度氢氧化镍，负极材料为贮氢合金粉。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,图2-24 镍氢电池的材料构成,3Ni-MH 电池工作原理（1）电解质 主要用KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）。（2）充电时 正极反应：Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O + e- 负极反应：M + H2O + e- MH + OH- 总反应：M + Ni(OH)2 MH + NiOOH（3

35、）放电时 正极：NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH- 负极：MH + OH- M + H2O + e- 总反应：MH + NiOOH M + Ni(OH)2 以上式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为LaNi5。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,4镍氢动力电池的不足自放电率高，常温下30天不使用时，电池的放电容量只有额定容量的6570%；比能量较小，极限值为80kw/kg，较小的比能量值使得镍氢动力电池续航能力较低，只能用在混合动力汽车上，电动汽车必须选用锂电等高比能量的材料。,学习单元二 动力电池的认知与使用,

36、学习任务四： 镍氢电池的使用,5镍氢电池在汽车上的应用（1）混合动力车辆方面大功率的镍氢电池也使用在油电混合动力车辆中，最佳的例子就是丰田的prius，该车使用了特别的充放电程序，使电池充放电寿命可足够车辆使用十年。其他使用镍氢电池的混合动力车辆包括有：本田洞察者、福特汽车的Ford Escape、雪佛兰的Chevrolet Malibu、本田的Honda Civic Hybrid、,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,（2）纯电池动力车方面虽然在重量上比锂离子电池重，但仍然有部份纯电池动力车使用镍氢电池，例如：通用汽车的Honda Civic Hybrid、本田的

37、Honda EV Plus、福特汽车的Ford Ranger EV、Vectrix等。（3）怠速停止车用能量再生系统目前各厂家研发采用镍氢充电电池的怠速停止车用能量再生系统，该系统是在通常配备的铅蓄电池的基础上组合使用镍氢充电电池，将减速时产生的能量存储在镍氢充电电池中再利用，这样不但能提高燃效，还能减轻铅蓄电池的负担，延长铅蓄电池的寿命。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务四： 镍氢电池的使用,一、燃料电池简介1燃料电池的历史1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料

38、电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,2燃料电池定义燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释出的能量变

39、换为电能，工作时需要连续地向其供给活物质（起反应的物质）燃料和氧化剂。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。3燃料电池的特点燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,4燃料电池的性能参数电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小

40、时作单位。在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,5电动汽车用燃料电池的基本要求（1）提高车用燃料电池单位质量(或体积)、电流密度及功率，提高车辆所必需的快速起动和动力响应的能力；（2）必须开发质量轻、体积更小、能储存更多氢能的车载氢储存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高续驶里程和载质量；（3）必须解决好氢气的安全问题，在一定的条件下，氢气

41、比汽油具有更大的危险性，所以无论采用什么储存方式，储存器具及其安全措施都必须满足使用要求；（4）电池组件必须采用积木化设计，开发有效的制造工艺，并进行高效的自动化生产，从而降低材料和制造费用；（5）发展结构紧凑及性能可靠的质子交换膜燃料电池的同时开发应用其它燃料，像甲烷、柴油等驱动的质子交换膜燃料电池，这将会拓宽质子交换膜燃料电池的应用范围。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,二、燃料电池的工作原理由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。与其

42、它形式的发电方式相比具有以下一些特点：（1）不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；（2）不管装置规模大小均能保持高发电效率；（3）具有很强的过负载能力；（4）通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；（5）发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大；（6）电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式；（7）用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优良。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-25 燃料电池原理,学习任务五： 燃料电池的使用,三、燃料电池的类型（一）质子交换膜燃料电

43、池（PEMFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。 1质子交换膜燃料电池的基本结构 PEMFC由质子交换膜，催化剂层，扩散层、集流板（又称双极板）组成，如图2-26所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,图2-26 质子交换膜燃料电池的基本结构示意图,学习任务五： 燃料电池的使用,（1）质子交换膜质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）是PEMFC中最重要的部件之一，其性能好坏直接影

44、响电池的性能和寿命。它不只是一种将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开的隔膜材料，它还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只允许H+穿过，其它离子、气体及液体均不能通过。（2）电催化剂为了加快电化学反应速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。PEMFC电催化剂主要有铂系和非铂系电催化剂两类。目前多采用铂催化剂。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,（3）电极PEMFC电极是一种多孔气体扩散电极，一般由扩散层和催化层构成。扩散层是导电材料制成的多孔合成物，起着支

45、撑催化层，收集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用。催化层是进行电化学反应的区域，是电极的核心部分，其内部结构粗糙多孔，因而有足够的表面积以促进氢气和氧气的电化学反应。（4）膜电极膜电极(Membrane and Electrode Assembly，简称MEA)是通过热压将阴极、阳极与质子交换膜复合在一起而形成的。 （5）双极板与流道双极板又称集流板，是电池的重要部件之一，其作用是分隔反应气体，收集电流，将各个单电池串联起来和通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,2质子交换膜燃料电池的工作原理PE

46、MFC在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜为电解质。质子交换膜燃料电池的工作原理如图2-27所示。,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-27 PEMFC的工作原理,学习任务五： 燃料电池的使用,3质子交换膜燃料电池的特点 PEMFC的优点主要有：（1）能量转化效率高；（2）可实现零排放；（3）运行噪声低，可靠性高；（4）维护方便；（5）发电效率受负荷变化影响很小；（6）氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资源；（7）氢气的生产、储存、

47、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,PEMFC的缺点主要有： （1）成本高； （2）这种电池需要纯净的氢，因为它们极易受到一氧化碳和其它杂质的污染。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动汽车被业内公认为是电动汽车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,（二）碱性燃料电池 1碱性燃料电池的结构与工作原理碱性燃料电池（alkaline fuel cell，简称AFC）以强碱（如氢氧化钾、氢氧化钠）

48、为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂。采用对氧电化学还原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等为电催化剂制备的多孔气体扩散电极为氧化极，以Pt-Pd/C、Pt/C、Ni或硼化镍等具有良好催化氢电化学氧化的电催化剂制备的多孔气体电极为氢电极。如图2-28所示的为碱性石棉膜型氢氧燃料电池单池的工作原理。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,学习单元二 动力电池的认知与使用,图2-28 碱性石棉膜型氢氧燃料电池单池的工作原理,学习任务五： 燃料电池的使用,在阳极，氢气与碱中的OH-在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通过外

49、电路达到阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成的OH-通过饱浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极。阳极和阴极发生的电化学反应为：,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,2碱性燃料电池的特点AFC与其它类型燃料电池相比，具有以下特点：（1）AFC具有较高的效率(50 %55 %)；（2）工作温度大约80，因此它们的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍；（3）性能可靠，可用非贵金属作催化剂；（4）是燃料电池中生产成本最低的一种电池；（5）是技术发展最快的一种电池，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水，用于交通工具，具有一定的发展和应用

50、前景；（6）使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性和容易造成环境污染，为解决CO2毒化所采用的一些方法，如使用循环电解液，吸收CO2等增加了系统的复杂性。,学习单元二 动力电池的认知与使用,学习任务五： 燃料电池的使用,（三）磷酸燃料电池 1磷酸燃料电池的结构PAEC的电池片由基材及肋条板触媒层所组成的燃料极、保持磷酸的电解质层、与燃料极具有相同构造的空气极构成。在燃料极，燃料中的氢原子释放电子成为氢离子。氢离子通过电解质层，在空气极与氧离子发生反应生成水。将数枚単电池片进行叠加，每数枚电池片中叠加进为降低发电时内部热量的冷却板，从而构成输出功率稳定的基本电池堆。再加上用于上下固定的构件