新能源汽车中的电池技术.ppt

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1、新能源汽车中的电池技术,汇报人：X X X,新能源汽车中的电池技术,Contents,目,录,新能源汽车的发展背景,1,新能源汽车介绍,2,新能源汽车的电池技术,3,市售新能源汽车,4,汇报人：秦宁,新能源汽车中的电池技术,汽车工业面临的三大问题,标题框及正文框中的文字可直接改为您所需文字,更改文字,环境污染,温室效应,石油短缺,新能源汽车中的电池技术,根据欧洲JRC 的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中将占到30%以上；2040 年可再生能源将占总能耗50%以上，；到21 世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上。（图片由欧盟联合研究中心提供）,石油短缺,新能源汽车中的电池技术,我

2、国已连续3年成为世界机动车产销第一大国，机动车污染已成空气污染的重要来源。环境保护部将进一步加大工作力度，从行业发展规划、城市公共交通、清洁燃油供应等方面采取综合措施，协调推进“车、油、路”同步发展，大力防治机动车尾气排放对大气环境和人民群众健康的影响。,环境污染,新能源汽车中的电池技术,汽车的发展,01,汽车总量,02,数量增速,03,占全球比例,新能源汽车中的电池技术,新能源汽车的发展,从新能源汽车的发展来看，各国扶持补贴政策起到了重大作用，这与光伏行业扶持补贴具有类似性，只是新能源汽车比光伏行业落后一个阶段。随着第二阶段扶持补贴政策作用的逐渐显现，以及目前各国的持续性投入，新能源汽车逐渐

3、进入收获阶段。,指采用非常规车用燃料作为动力来源（或使用常规车用燃料、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。,新能源汽车概念,纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（油气混合、油电混合）、燃料电池电动汽车（FCEV）、燃气汽车（液化天然气、压缩天然气）、液化石油气汽车、氢能源动力汽车、太阳能汽车和其他新能源（如高效储能器）汽车等。,新能源汽车类型,电池技术、电机技术、电控技术。,新能源汽车的关键技术,铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、其他动力电池。,新能源汽车的电池种类,新能源汽车中的电池技术,新能源汽车

4、中的电池技术,纯电动汽车（BEV）,01,纯电动汽车概念纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶的车辆。一般采用高效率充电电池为动力源。电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱，由于电能是二次能源，可以来源于风能、水能、热能、太阳能等多种方式。,02,纯电动汽车结构电动汽车由底盘、车身、电池组、电动机、控制器和辅助设施蓄电池六部分组成。由电动机、电池组和控制器等组成的电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。,新能源汽车中的电池技术,03,纯电动车的工作原理纯电动汽车主要由蓄电池、电动/发电机等部件组成。蓄电池向电动机提供电能来驱动汽

5、车。在制动或减速时，电机作为发电机来回收能量。,新能源汽车中的电池技术,04,纯电动汽车的特点,一,二,三,四,无污染，噪音小。电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。,能源转化效率高。同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量的利用效率；在城市运行，电动汽车停车时不消耗电量，使其能源效率已超过汽油机汽车；同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高。,结构简单，维修方便。电动汽车较内燃机汽车结构简单，运

6、转、传动部件少，维修保养工作量小。当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵。,平抑电网的峰谷差。可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的作用。,五,动力电源使用成本高，续驶里程短。目前电动汽车尚不如内燃机汽车那样技术成熟，尤其是动力电源（电池）的寿命短使用成本高；电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想。,新能源汽车中的电池技术,电力驱动及其控制技术,电动汽车整车技术,电池及能量管理技术,电池技术,电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开

7、发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。电动汽车车用动力蓄电池经过3代发展，已取得了突破性的进展。,05,纯电动汽车的关键技术,能量管理技术,在电动汽车上实现能量管理的难点，在于如何根据所采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，来建立一个确定每块电池还剩余多少能量的较精确的数学模型。,新能源汽车中的电池技术,混合动力汽车（HEV）,01,混合动力汽车概念混合动力汽车多采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。使

8、用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。蓄电池使用的有铅酸电池、镍锰氢电池和锂电池，将来应该还能使用氢燃料电池。,新能源汽车中的电池技术,02,混合动力汽车的工作原理按发动机和电动机的耦合方式不问，可分为串联式混合动力汽车(SHFV)、并联式混合动力汽车(PHEV)、混联式（中、并联式）混合动力汽车（PSHEV）三种形式。,1,串联式混合动力汽车,新能源汽车中的电池技术,2,并联式混合动力汽车,新能源汽车中的电池技术,3,混联式混合动力汽车,新能源汽车中的电池技术,03,混合动力电动汽车的特点混合动力汽车是将原动机、电动机、能量存储装置等组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，

9、可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足。,由于有原动机作为辅助动力，蓄电池的数量和质量可以减少，因此汽车自身重量可以减小。,1,汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机水平。,2,借助原动机的动力，可带动空调、真空动力、转向助力及其它辅助电器，无需消耗蓄电池组有限的电能。,3,可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，使得发动机的排污和油耗大为降低。,1,在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放。,2,可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收制动、减速时的能量，进一步降低能耗和排污。,3,与纯电动汽车相

10、比,与内燃机汽车相比,先进车辆控制技术的应用,能量再生制动回收系统,新能源汽车中的电池技术,04,混合动力电动汽车的关键技术,动力传动系统匹配,动力电池及其管理系统,整车能量管理控制系统,驱动电动机及其控制技术,动力电池及其管理系统,动力电池是混合动力汽车的基本组成单元，其性能直接影响驱动电动机的性能，从而影响整车的燃油经济性和排放性能。能否开发适合混合动力汽车的专用动力电池是决定混合动力汽车能否大量推广使用的重要因素之一。如何全面、准确的对动力电池进行管理，是决定电池能否发挥最佳效能的重要因素。,整车能量管理控制系统,混合动力汽车的整车能量控制系统的主要功能是进行整车功率控制和工作模式切换的

11、控制。整车能量控制必须通过有效地控制混合动力系统的工作才能实现，此外，能量控制还需考虑其他车载电气附件和机械附件的能量消耗，如空调、动力转向、制动助力等系统的能耗，以综合考虑整车的能量使用。,新能源汽车中的电池技术,燃料电池电动汽车（FCEV）,01,燃料电池电动汽车的概念燃料电池电动汽车是采用燃料电池作为电源，是一种节能、无污染、环保型的汽车，是未来汽车发展的一条重要的技术路线。,新能源汽车中的电池技术,02,燃料电池汽车的结构燃料电池汽车主要由贮氢罐、燃料电池组、电机控制系统、驱动电机、超级电容或辅助蓄电池及热交换器等部件组成。,03,燃料电池电动汽车的工作原理使氢在汽车搭载的燃料电池中，

12、与大气中的氧发生化学反应，产生出电能发动电动机，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前后万象轴、后桥等行走机械结构，转动车轮驱动汽车。核心部件燃料电池采用的能源的直接来源就是石化裂解反应提取的纯液化氢；间接来源是甲醇、天然气、汽油等烃类化学物质。,新能源汽车中的电池技术,03,燃料电池电动汽车的特点,效率高,续驶里程长,设计方便灵活,制造成本和使用成本过高,辅助设备复杂,启动时间长,优缺点,低噪声,绿色环保,过载能力强,新能源汽车中的电池技术,燃料电池反应中需要使用贵金属铂作为催化剂，使得成本居高不下。,催化材料,在后续使用中，储存和运输氢成本高昂，氢的储存条件很严格，一般主要有高

13、压气态、低压液态两种储存方法，但这两种方法的单位能量所占体积都非常大，且设备昂贵。,氢的存储运输,加氢站等配套设施不够完善，如何提高加氢站安全性也需要高额的前期投入。,配套设施建设,04,燃料电池电动汽车的的发展瓶颈,新能源汽车中的电池技术,05,燃料电池电动汽车的关键技术,整车布置,车载储氢系统,车载蓄电系统,燃料电池系统,燃料电池系统,燃料电池是燃料电池汽车发展的最关键技术之一，燃料电池系统的核心是燃料电池堆。燃料电池堆技术发展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率以及制造成本4个要素来评判。,多能源动力系统的能量管理策略,电动机及其控制技术,整车与动力系统的参数选择与优化,整车热管理

14、,车载储氢系统,储氢技术是氢能利用走向规模化应用的关键。目前，常见的车载储氢技术系统有高压储氢、低温储氢和金属氢化物储氢3种基本方法。如何有效减小储氢系统的重量与体积，是车载储氢技术研发的重点。理想的方法是采用储氢材料与高压储氢复合的储氢新模式。该模式的难点在于开发吸、放氢性能好，成型加工型良好、质量轻的储氢材料。,新能源汽车中的电池技术,电动汽车用动力电池,电动汽车对动力电池的要求,车用动力电池,电动汽车,比能量高。以提高续驶里程，减小汽车重量，缩小安装电池的空间。,1,比功率大。以提高加速行驶、爬坡和负载行驶的性能。,2,循环寿命长。增加电池正常周期内的行驶里程数，降低成本。,3,均匀一致

15、性良好。以避免性能差的单节电池影响电池组的使用性能。,4,高低温性能好、环境适应性强。以适应不同的地理环境和气温条件。,5,安全性好。以避免泄漏、撞击等意外引起的起火或爆炸等危险事故。,6,价格低廉。降低电池制造成本，以提高市场竞争力。,7,绿色、环保。要求电池材料环境友好、无二次污染，且可再生利用。,8,新能源汽车中的电池技术,01,电池的分类,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,2）物理电池利用光、热、物理吸附等物理能量发电，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。,3）生物电池利用生物化学反应发电，如微生物电池、酶电池、生物太阳能电池等。,新能源汽车中的电池技术

16、,02,铅酸蓄电池,构造及工作原理,PbSO4+2H2O+PbSO4-PbO2+2 H2SO4+Pb(充电反应)(硫酸铅)(水)(硫酸铅)阳极：PbSO4+2H2O 2e=PbO2+4H+SO42阴极：PbSO4+2e=Pb+SO42,PbO2+2H2SO4+Pb-PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)(过氧化铅)(硫酸)(海绵状铅)负极：Pb+SO42 2e=PbSO4正极：PbO2+4H+SO42+2e=PbSO4+2H2O,新能源汽车中的电池技术,1）除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，为2.0V；2）价格低廉；3）可制成小至1Ah大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄

17、电池；4）高倍率放电性能良好，可用于引擎启动；5）高低温性能良好，可在-4060条件下工作；6）电能效率高达60%；7）易于浮充使用，没有“记忆”效应；,1）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积比较大，一次充电行驶里程短；2）使用寿命短；3）充电时间长；4）铅是重金属，存在污染。,铅酸蓄电池的特点,缺点,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，共同组成镍氢单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。,新能源汽车中的电池技术,M+Ni(OH)2 MH+NiOOH(充电反应)阳极：Ni(OH)2+OH-e-NiOOH+H2O 阴极：

18、M+H2O+e-MH+OH-,MH+NiOOH M+Ni(OH)2(放电反应)负极：MH+OH-e-M+H2O 正极：NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,03,镍氢电池,构造及工作原理,新能源汽车中的电池技术,镍氢电池的特点,能耐过充过放。,4,无污染。镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属。,3,比功率高。目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350W/kg。,1,循环次数多。目前电动车镍氢动力电池，80%放电深度可循环1000次以上，是铅酸蓄电池的3倍以上。,2,使用温度范围宽。正常使用温度范围宽-3055；储存温度范围-4070。,6,无记忆效应。,5,安全可靠。短路、挤压、针刺、

19、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。,7,镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅蓄电池相比，镍氢电池除具有比能量高、质量轻、体积小、循环寿命长的特点外，还具有以下特点。,新能源汽车中的电池技术,04,锂离子电池,工作原理,电池在充电时，锂离子从正极材料晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，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。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。,新能源汽车中的电池技术,锂离子电池的特点,优点：1)工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6V，是镍氢和镍镉电池工

20、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。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。,缺点：1)成本高。主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格计算，已经低于 镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸

21、蓄电池。2)必须有特殊的保护电路，以防止过充。,新能源汽车中的电池技术,05,燃料电池,燃料电池是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应（不是燃烧）时释放出的能量变换为电能，工作时需要连续地向其供给活物质燃料和氧化剂。,新能源汽车中的电池技术,燃料电池的特点,优点：1)节能、转换效率高。燃料电池的运转效率约为50%70%，低功率下的运转效率高，其短时间的过载能力可以达到额定功率的200%，非常适合于汽车在加速和爬坡时的动力性能特征。2)排放基本达到零污染。用碳氢化合物作为燃料的燃料电池主要生成物质为水、C02、CO等，属于“超低污染”；氢氧燃料电池的反应物只有清洁的水。3)无振动和噪声，寿命长

22、。由于发生的是电化学反应，所以整个过程中没有噪声和机械振动的产生，从而减少机械器件的磨损，延长了使用寿命。4)结构简单，运行平稳。能量转化在静态下完成，结构比较简单，构件的加工精度要求低。,缺点：1)燃料种类单一。主要是液态氢、气态氢以及碳水化合物经过重整后转换的氢，氢气的产生、存储、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求高。2)要求高质量的密封。燃料电池组中的单体电池间的电极连接时，必须要有严格的密封，否则氢气泄漏会降低氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。3)价格高。制造成本高，电池价格昂贵。4)需要配备辅助电池系统。通常在燃料电池汽车上还要增加辅助电池

23、，来储存燃料电池富裕的电能和汽车在减速时接受再生制动的能量。,新能源汽车中的电池技术,质子交换膜燃料电池,基本结构：质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板,质子交换膜：不仅是一种将阳极的燃料和阴极的氧化剂隔开的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底。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。目前多采用铂催化剂。双极板和流场：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。,新能源汽车中的电池技术,工作原理,2H2,4H+4e-（阳极）,4H+4e-+O2,2H2O（阴极）,2H2+O2,2H2O（总反应）

24、,导入的氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正电的氢离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应；氢离子穿过膜到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；在电池另一端，氧气通过阴极集流板经由阴极气体扩散层到催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应；电极反应生成的水大部分由尾气排出，小部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散。,新能源汽车中的电池技术,质子交换膜燃料电池的特点,（1）能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转 化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限

25、制。（2）可实现零排放。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排放，是环保型能源。（3）运行噪声低，可靠性高。PEMFC电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。（4）维护方便。PEMFC内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计。（5）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。（6）氢气来源极其广泛，氢是世界上最多的元素，是一种可再生的能源资源，取之不尽，用之不绝。可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢；也可通过电解水制氢、光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。,新能源汽车中的电池技术,市售新能源汽车及其动力电池,