第章动力电池系统课件.pptx

1、第第4章章 动力电池系统动力电池系统 4.1 动力电池简介动力电池简介 4.2 锂离子动力电池锂离子动力电池 4.3 其他电池其他电池 4.4 动力电池管理系统动力电池管理系统 4.5 动力电池组的使用寿命动力电池组的使用寿命 4.6 动力电池的梯次利用与回收动力电池的梯次利用与回收4.1 动力电池简介动力电池简介电池：化学能直流电能，直流电能化学能电池的组成部分电池的组成部分正极活性物质正极活性物质电解质电解质负极活性物质负极活性物质隔膜隔膜外壳及导电栅外壳及导电栅汇流柱汇流柱极柱极柱安全阀安全阀4.1.1 动力电池的基本结构动力电池的基本结构铅蓄电池的结构图6-6单体铅蓄电池的结构1单格电

2、池2盖3负极接线柱4电解液加入口5外壳6电极连接板7负极板8隔板9正极板10沉淀物存储槽11外隔板12极板连接板13单格电池正极接线柱14单格电池负极接线柱15活性物质几种蓄电池的种类及外形。图2-11 蓄电池的类型1、端电压和电动势、端电压和电动势（1）端电压端电压：动力电池正极和负极之间的电位差。（2）开路电压开路电压：没有负载情况下的端电压。（3）负载电压负载电压：接上负载后处于放电状态下的电压。又称工作电压。（4）终止电压终止电压：电池充放电结束时的电压，分为充电终止电压和放电终止电压。（5）电动势（电动势（E）：组成电池的两个电极的平衡电极电位之差。4.1.2 动力电池的基本参数动力

3、电池的基本参数2、容量：、容量：电池在一定的放电条件下所能放出的电量，用C表示，单位A.h或mA.h（1）理论容量理论容量：计算得出，是电池容量的最大极限值。（2）额定容量额定容量：也叫标称容量，是验收电池质量的重要技术指标。（3）实际容量实际容量：在实际工作中，放出的电量。3、内阻、内阻（1）放电时，端电压低于电动势和开路电压；充电时，端电压高于电动势和开路电压。（2）内阻越小越好。（3）电池内阻不是常数。包括欧姆内阻欧姆内阻和极化内阻极化内阻。4、能量与能量密度、能量与能量密度（1）能量能量：电池在一定放电制度下所能释放出的电能。单位W.h或kW.h。（2）理论能量理论能量（W0）：电池的

4、理论容量与其电动势的乘积。（3）实际能量实际能量（W）：电池放电时实际输出的能量。（4）能量密度能量密度：单位质量或单位体积的电池所输出的能量，也称为比能量比能量，分为质量比能量和体积比能量。5、功率与功率密度、功率与功率密度（1）功率功率：电池在一定放电制度下，单位时间内输出的能量。单位W或kW。（2）功率密度功率密度：单位质量或单位体积电池输出的功率，也称为比功率比功率，单位W/kg或W/L。u电动汽车，质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，体积比能量影响电池的布置空间。u比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。6、荷电状态：、荷电状态：SOC（1）描述电池

5、的剩余电量。（2）值为：值为：剩余电量与相同条件下额定容量的比值。（3）是相对量，是相对量，一般用百分比的方式表示，SOC取值为：0SOC 100%。7、放电深度：、放电深度：DOD，是放电容量与额定容量之比的百分数。8、循环使用寿命、循环使用寿命（1）电池充电和放电一次为一个循环。（2）按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值，（一般规定为额定值的一般规定为额定值的80%）以前，电池经历的充放电循环总次数。（3）是评价电池寿命性能的重要指标。9、自放电率、自放电率（1）在没有负荷的条件下自身放电。（2）用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数表示。（1）常用容量效率和能量效率表示。（2）通

6、常，能量效率为55%-85%，容量效率为65%-95%。（3）对电动汽车，能量效率比容量效率更重要。10、输出效率、输出效率（1）一般以电池单位容量或能量的成本表示。（2）单位为：元/(A.h)或元/(kW.h)。12、成本、成本11、抗滥用能力：、抗滥用能力：对非正常使用情况的容忍程度。13、放电制度：、放电制度：电池放电时所规定各项条件。（1）放电电流放电电流：放电时电流的大小，通常用放电率表示，即放电时的速率，有时率和倍率两种。u时率：以放电时间（h）表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的时间（h），常用C/n表示。u倍率：在规定时间内放出其额定容量所输出的电流值。数值上等

7、于额定容量的倍数。如：3C放电。（2）放电终止电压放电终止电压：放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。1、按电解液种类分、按电解液种类分（1）碱性电池碱性电池：电解质主要为KOH水溶液。（2）酸性电池酸性电池：电解质主要为H2SO4水溶液。（3）中性电池中性电池：电解质主要为盐溶液。（4）有机电解液电池有机电解液电池：以有机溶液为介质。4.1.3 动力电池的分类动力电池的分类2、按工作性质和储存方式分、按工作性质和储存方式分（1）一次电池一次电池：即原电池，不能再充电不能再充电使用的电池，如：锌-锰干电池、锌-汞电池、锂电池。（2）二次电池二次电池：可充电电池可充电电池，如：铅酸电池

8、、镉-镍电池、氢-镍电池、锂离子电池。（3）燃料电池燃料电池：又称“连续电池连续电池”，即将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。如：氢-氧燃料电池。（4）储备电池储备电池：又称“激活电池激活电池”，使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活。如：镁-氯化银电池。3、按电池所用正、负材料分、按电池所用正、负材料分（1）锌系列电池（2）镍系列电池（3）铅系列电池（4）锂系列电池（5）二氧化锰系列电池（6）空气（氧气）系列电池4.2 锂离子动力电池锂离子动力电池1、分类、分类4.2.1 概述概述（1）根据正极材料不同：）根据正极材料不同：钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池和

9、三原材料锂离子电三原材料锂离子电池池。（2）根据所用电解质材料不同：）根据所用电解质材料不同：液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（LIP）。2、优点优点：（1）工作电压高（2）比能量高（3）循环寿命长（4）自放电小（5）无记忆效应（6）环保性高锂离子电池锂离子电池优点优点无环境污染，绿色电池无环境污染，绿色电池输出电压高输出电压高能量密度高能量密度高安全，循环性好安全，循环性好自放电率小自放电率小快速充放电快速充放电充电效率高充电效率高锂离子电池工作原理4.2.2 工作原理工作原理锂离子浓差电池锂离子浓差电池锂离子电池工作原理锂离子电池工作原理 锂离子电池的工作原理锂离子电池的工作原理

10、锂离子电池工作原理图锂一次电池锂一次电池(又称锂原电又称锂原电池池,Primary LB)锂电池锂电池(Lithium Battery,简写成简写成LB)锂二次电池锂二次电池(又称锂可充又称锂可充电电池，电电池，Rechargeable LB)备注：锂电池与锂离子电池备注：锂电池与锂离子电池锂一次电池发展史当前当前70年代年代60年代的能源危机年代的能源危机20世纪世纪50年代年代多种材料应用于锂一次电池多种材料应用于锂一次电池锂一次电池商品化锂一次电池大发展开始锂一次电池的研究手表、计算器、植入式医疗设备手表、计算器、植入式医疗设备Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2

11、、Li-Ag2CrO4等等 在商业化锂一次电池的同时，人们发现许多层状无机硫族化合物可以同碱金属发生可逆反应，这样的化合物统称为嵌入化合物。在嵌入化合物基础上，锂二次电池诞生了，其中最具有代表性的是1970年埃克森公司的M.S.Whittingham利用Li-TiS体系，制成首个锂电池。但由于其枝晶所产生严重的安全隐患而未能成功实现商品化。循环循环100100次形成的锂枝晶图次形成的锂枝晶图锂二次电池的产生锂二次电池的产生u1941年出生，于牛津大学BA(1964),MA(1967),和 DrPhil(1968)学位，目前就职于宾汉姆顿大学。Dr.Whittingham是发明嵌入式锂离子电池重

12、要人物发明嵌入式锂离子电池重要人物，在与Exxon公司合作制成首个锂电池之后，他又发现水热合成法能够用于电极材料的制备，这种方法目前被拥有磷酸铁锂专利的独家使用权的Phostech公司所使用。u由于他所作出的卓越贡献，他于1971年被电化学会授予青年作家奖，于2004年被授予电池研究奖，并且被推举为会员。Manley Stanley Whittingham锂与过渡金属的锂与过渡金属的复合氧化物复合氧化物锂离子电池的产生锂离子电池锂离子电池比能量比能量层状结构的石墨层状结构的石墨120-150Wh/kg是普通镍镉电池是普通镍镉电池的的2-3倍倍高达高达3.6V正极正极20世纪世纪80年代末，日本

13、年代末，日本Sony公司公司提出者锂离子电池区别于锂电池锂离子电池区别于锂电池【早期的锂电池早期的锂电池】锂离子电池锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来是锂电池发展而来。所以在介绍之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放电循环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。一般情况下这种电池是禁止充电的。【锂离子电池：炭材料锂电池锂离子电池：炭材料锂电池】后来，日本索尼公司发明了以炭材

14、料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。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。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池。“摇椅式电池摇椅式电池”20世纪80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌锂化合物代替二次锂电池中金属锂负极的构想。在新的系统中，正极和负极材

15、料均采用锂离子嵌入/脱嵌材料。当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极正极负极负极正极正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们把这种电化学储能体系形象地称为“摇椅式电池”（Rocking-chair C

16、ell）。Armand教授是锂离子电池的奠基人之一，是国际学术和产业界公认的、在电池领域具有原始创新成果的电池专家。Armand教授主要原创性学术贡献有：1.1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物作为二次电池的电极材料。在此基础上，于1980年首次提出“摇椅式电池”（RockingChair Batteries）概念，成功解决了锂负极材料的安全性问题。2.1978年，首次提出了高分子固体电解质应用于锂电池。3.1996年，提出离子液体电解质材料应用于染料敏化太阳能电池。4.提出了碳包覆解决磷酸铁锂（LiFePO4）正极材料的导电性问题，为动力电池及电动汽车的产业化奠定了基础。M.Armand

17、锂离子电池的商品化锂离子电池的商品化u1990年日本年日本SONY公司正式推出公司正式推出LiCoO2/石墨这种锂离子石墨这种锂离子电池，电池，该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属锂作为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的锂作为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的缺点，缺点，锂离子电池得以商品化锂离子电池得以商品化。标志着电池工业的一次革。标志着电池工业的一次革命。命。锂离子电池特点与镍镉（Ni/Cd）、镍氢（Ni/MH）电池相比，锂离子电池的主要特点如下：镍镉电池镍氢电池铅酸电池锂离子电池聚合物锂离子电池重量能量密度（Wh/

18、kg）45-8060-12030-50110-160100-130循环寿命（至初始容量80%）1500300-500200-300500-2000300-500单体额定电压(V)1.251.2523.63.6过充承受能力中等低高非常低低月自放电率（室温）20%30%5%10%10%4.2.3 失效机理失效机理理想：理想：除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外，不发生其他副反应，不出现锂离子的不可逆消耗。实际：实际：每时每刻都有副反应存在，也有活性物质的不可逆消耗，如电解液分解、活性物质溶解、金属电解液分解、活性物质溶解、金属锂沉积锂沉积等，只是程度不同。造成锂离子电池容量衰退的主要原因：造成锂离子

19、电池容量衰退的主要原因：（1）正极材料的溶解（2）正极材料的相变化（3）电解液的分解（4）过充电造成的容量损失（5）自放电（6）SEI界面膜的形成（7）集流体的腐蚀4.2.4 电性能电性能（1）两段式充电：）两段式充电：第一阶段，恒流限压；第二阶段，恒压限流。（2）从电动汽车实际应用的角度看，恒流时间越长，充电时间越短，更有利于应用。（3）要防止电池过放电，避免对电池造成不可逆损害。1、充放电特性、充放电特性u充电电流对充电特性的影响u放电深度对充电特性的影响u充电温度对充电特性的影响u放电特性影响因素u滥用情况：滥用情况：热冲击、过充电、过放电、短路等。u危害：危害：电池内部压力升高，可导致

20、电池着火，甚至爆炸。2、安全性、安全性主要原因：主要原因：（1 1）材料稳定性：材料稳定性：正负电极、有机电解液相互作用正负电极、有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。（2 2）制造工艺：制造工艺：分为液态和聚合物锂离子电池分为液态和聚合物锂离子电池消费类电子消费类电子4.2.5 典型应用典型应用消费类电子消费类电子消费类电子消费类电子消费类电子消费类电子交通运输业交通运输业交通运输业交通运输业工业工具类电子工业工具类电子新型电子产品新型电子产品仪器仪表产品仪器仪表产品仪器仪表产品仪器仪表产品仪器仪表产品仪器仪表产品医用设备仪

21、器产品医用设备仪器产品行政办公产品行政办公产品 DC 600 V客车电池系统采用锂离子电池，由独立的客车电池系统采用锂离子电池，由独立的25.6 V/40Ah锂离子电池模块锂离子电池模块串并联串并联组成组成110 V/120Ah电池组。同容量锂离子电池的质量、体积电池组。同容量锂离子电池的质量、体积只有镉镍电池的只有镉镍电池的1/3左右；低温不同倍率放电性能，左右；低温不同倍率放电性能，锂离子电池大大优于镉镍电池；锂离子电池充电不锂离子电池大大优于镉镍电池；锂离子电池充电不需要温度补偿等优点得到社会的关注和研究！需要温度补偿等优点得到社会的关注和研究！(1)电池串联方式：通常用于满足高电压的工

22、作需要。(2)电池并联方式：通常用于满足大电流的工作需要。(3)串并结合：就是要求满足电池组既提供高电压又要有大电流放电的工作条件。EV车的应用车的应用 呼唤采用呼唤采用“绿色绿色”电池为动力的电池为动力的EV车。为此车。为此,世界各世界各先进国家如美国、日本、德国、法国等积极开展了先进国家如美国、日本、德国、法国等积极开展了EV车的研究试制工作。美国早在车的研究试制工作。美国早在90年代初就成立了年代初就成立了“先进电池联合会先进电池联合会(US-ABC)”负责为负责为EV车提供电池。车提供电池。为扶持为扶持EV车用电池车用电池(主要是锂离子电池主要是锂离子电池)的研制的研制,先后先后投资投

23、资2.6亿美元亿美元,其中向美国其中向美国SAFT公司投资公司投资1180万美元万美元,用以开发锂离子电池用以开发锂离子电池,向加拿大魁北克公司投入向加拿大魁北克公司投入8500万美元万美元,用以开发锂离子电池和锂聚合物电池用以开发锂离子电池和锂聚合物电池;另外另外,还还向美国向美国Duracell及其合作伙伴德国及其合作伙伴德国Varta公司投入了公司投入了1450万美元万美元,开发以开发以LiMn2O4为正极的锂离子动力电为正极的锂离子动力电池。日本政府池。日本政府 投资了投资了1亿美元亿美元,并制定了一项叫做并制定了一项叫做LIBES的计划的计划,开发用于开发用于EV车。车。德固赛正致力

24、于开发新材料以应用于锂离子电池生德固赛正致力于开发新材料以应用于锂离子电池生产，从而使产，从而使起动电池仅重起动电池仅重2.5千克千克。目前，这一新型电池。目前，这一新型电池已在标准严苛的赛车场上亮相，应用于英国莲花汽车公已在标准严苛的赛车场上亮相，应用于英国莲花汽车公司的新一代莲花赛车上。司的新一代莲花赛车上。北大先行科技产业采用磷酸铁锂正极材料的动力北大先行科技产业采用磷酸铁锂正极材料的动力电池首次应用于奥运大巴。电池首次应用于奥运大巴。奔驰及宝马奔驰及宝马09年推出锂电池混合动力车！年推出锂电池混合动力车！梅塞德斯梅塞德斯-奔驰汽车公司与宝马汽车公司在日内瓦国际奔驰汽车公司与宝马汽车公司

25、在日内瓦国际车展上展出了车展上展出了S400 BlueHubrid混合动力车型，并宣布混合动力车型，并宣布在在2009年实现量产。年实现量产。丰田汽车日前开始批量生产车载锂离子充电电池，丰田汽车日前开始批量生产车载锂离子充电电池，用于用于2003年年2月份上市的小型车月份上市的小型车“Vitz”的型号的型号 4.3 其他电池其他电池4.3.1 铅酸电池铅酸电池1、在镍镉电池的基础上发展起来的，新型绿色电池。、在镍镉电池的基础上发展起来的，新型绿色电池。4.3.2 镍氢电池镍氢电池2、组成、组成（1）正极：氢氧化物）正极：氢氧化物（2）负极：储氢合金）负极：储氢合金（3）电解质：）电解质：KOH

26、水溶液水溶液（4）隔膜：尼龙纤维、聚丙）隔膜：尼龙纤维、聚丙烯纤维、维纶纤维。烯纤维、维纶纤维。正极片、负极片、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘层。3、镍氢电池的原理、镍氢电池的原理 镍氢电池采用Ni氢氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱液（主要为KOH）作为电解液。镍氢电池充电时：正极反应：Ni(OH)2+OH-NiOOH+H2Oe-负极反应：M+H2O+e-MH+OH-镍氢电池放电时：正极反应：NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-负极反应：MH+OH-M+H2O+e-途锐混合镍氢电池透视图镍氢电池的安装位置镍氢电池组的主要组成部分宝马宝马X6混合动力新技术剖析混合动力新技术剖析镍氢蓄电池

27、镍氢蓄电池 镍氢蓄电池结构如图2 所示。镍氢蓄电池是全混合动力驱动装置最重要的组件之一，因为它决定了功率和可达里程。由于这种类型的蓄电池存储容量较大且比较成熟，因此目前所有全混合动力车型均采用这种蓄电池。宝马ActiveHybrid X6 采用的288V 蓄电池重83kg，容量为2.4kWh。高电压蓄电池通过冷却液散热，必要时还通过空调系统冷却。因此高电压蓄电池的冷却效率比雷克萨斯RX450h 等车辆采用的传统风冷系统高得多。因此，宝马ActiveHybrid X6的蓄电池可以更加高强度地使用并实现更长久的功率输出，特别是在极端车外温度情况下。4、优点：功率密度高、耐久性好、优点：功率密度高、

28、耐久性好5、缺点（与铅酸型比）、缺点（与铅酸型比）（1）价格较高）价格较高（2）自放电损耗大）自放电损耗大（3）对环境温度敏感）对环境温度敏感（4）有记忆效应）有记忆效应（5）充电发热）充电发热6、应用：丰田普锐斯、应用：丰田普锐斯1、介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的储能装置，、介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的储能装置，储能方式与传统电容器不同。储能方式与传统电容器不同。4.3.3 超级电容器超级电容器1)固体介质，包括纸、塑料薄膜、云母、陶瓷和或固态聚合物等。2)液体电解质，为水解有机溶液。3)绝缘层，即在两个绝缘平板上的氧化层。2、电容器的结构、电容器的结构3、超级电容的基本原理、

29、超级电容的基本原理 又叫双电层电容、黄金电容、双电层电容、黄金电容、法拉电容法拉电容，即通过外加电场极化电解质，使电解质中荷电离子分别在带有相反电荷的电极表面形成双电层，从而实现储能。双电层电容原理 双电层电容原理是指由于正负离子在固体电极与电解液双电层电容原理是指由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附之间的表面上分别吸附,造成两固体电极之间的电势差造成两固体电极之间的电势差,从而实现能量的存储。从而实现能量的存储。这种储能原理允许大电流快速充放电这种储能原理允许大电流快速充放电,其容量大小随所其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大。选电极材料的有效比表面积的增大而增大

30、。充电时充电时 ,在固体电极上电荷引力的作用下在固体电极上电荷引力的作用下 ,电解液中电解液中阴阳离子分别聚集两个固体电极的表面阴阳离子分别聚集两个固体电极的表面;放电时放电时 ,阴阳离子离开固体电极的表面阴阳离子离开固体电极的表面 ,返回电解液返回电解液本体。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。本体。双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。双电层原理示意图双电层原理示意图 储能过程是物理过程，没有化学反应，且过程完全可逆，这与蓄电池电化学储能过程不同。具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电池的储能特性。性能特点性能特点-介于电池与物理电容器之间介于电池与物理电容器之间电容量大电容量

31、大，采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3-4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。充放电寿命很长充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次，4、超级电容的特点、超级电容的特点可以提供很高的放电电流可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的

32、蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。可以数十秒到数分钟内快速充电可以数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。可以在很宽的温度范围内正常工作可以在很宽的温度范围内正常工作（-40-+70）而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作。超级电容器用的材料是安全的和无毒材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池多具有毒性。等效串联电阻等效串联电阻ESR相对常规电容器大相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为110m）。可以任意并联使用一增加电容量可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用。5、超级电容的性能指标、超级电容的性能指

33、标 额定容量额定容量：以规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持2-3分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值。额定电压额定电压：可使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V）额定电流额定电流：5秒内放电到额定电压一半的电流。等效串联电阻等效串联电阻：以：以规定的恒定电流和频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。漏电流漏电流：一般为10A/F 寿命寿命：在25环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60的环境温度下为4 00

34、0小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。循环寿命循环寿命：20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍 功率密度（功率密度（kW/kg）和能量密度（）和能量密度（wh/kg）6、超级电容与传统电容、超级电容与传统电容的的比较比较电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的，储存电荷的面积越大，电荷被隔离的距离越小，电容越大。电容

35、值为：C=A/3.6 d 其中A为极板面积，d为介质厚度，为相对介电常数传统电容传统电容是从平板状导电材料得到其储存电荷面积的，只有将一很长材料缠绕起来才能获得大的面积，从而获得大的电容。另外传统电容是用塑料薄膜、纸张或陶瓷等将电荷板隔开。这类绝缘材料的厚度不可能做得非常簿。超级电容超级电容是从多孔碳基电极材料得到其储存电荷面积的，这种材料的多孔结构使它每克重量的表面积可达2000平方米。而超级电容中电荷分隔的距离是由电解质中的离子大小决定的，其值小于10埃。由于活性碳材料具有1200m2/g的超高比表面积（即获得了极大的电极面积A），而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm（即获得了极小的

36、介质厚度d），这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。一个超级电容单元的电容值，实现电容量 0.5-5000F，工们电压 12-400v，最大放电电流 400-2000A。超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较之低。超级电容能量密度较传统电容高，但功率密度较之低。7、超级电容与电池的比较、超级电容与电池的比较超低串联等效电阻，功率密度是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，（一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上）。超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的10

37、00倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应，免维护，可密封。温度范围宽-40+70，一般电池是-2060。4.3.4 燃料电池燃料电池1、燃料电池：、燃料电池：是一种能够持续的通过发生在阳极和阴是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不

38、断提供电能。应，燃料电池就会不断提供电能。2 2、燃料电池、燃料电池原理原理 燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。燃料燃料氧化剂氧化剂阳极阳极阴极阴极电电 解解 质质导电离子导电离子燃料：氢气燃料：氢气氧化剂：氧气氧化剂：氧气质子交换膜燃料电池的工作原理单体PEMFC的基本结构PEMFC电池组(堆)结构3 3、燃料电池优点、燃料电池优点1）由于输出功率单位由堆的输出功率定，故机组容量）由于输出功率单位由堆的输出功率定，故机组容量具有自由度；部分负荷时也能保持高的效率；具有自

39、由度；部分负荷时也能保持高的效率；2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料；3）没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿的效率仿的效率；4)4)转换效率高，可达转换效率高，可达60%60%；5)5)没有运转部件，噪音小没有运转部件，噪音小；6)NOx6)NOx及及SOxSOx等的排出量少，有利环保等的排出量少，有利环保,若以氢为燃料，若以氢为燃料，排放是水，电池部分可实现排放是水，电池部分可实现“零排放零排放”。4 4、燃料电池分类、燃料电池分类（1）根据工作温度分：）根据工作温度分：低温型、

40、中温型和高温型低温型、中温型和高温型。（2）根据电解质的种类分：）根据电解质的种类分：u碱性燃料电池碱性燃料电池(AFC)(AFC)u磷酸燃料电池磷酸燃料电池(PAFC)(PAFC)u熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)(MCFC)u固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)(SOFC)u聚合物离子膜燃料电池聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)(PEMFC)。（3）按燃料电池的运行机理分）按燃料电池的运行机理分：酸性燃料电池和碱性燃料电池酸性燃料电池和碱性燃料电池 （4）按燃料类型分）按燃料类型分：u氢燃料电池氢燃料电池u甲烷燃料电池甲烷燃料电池 u甲醇燃料电池甲醇燃料电池 u

41、乙醇燃料电池乙醇燃料电池通用Hy-wire氢动三号 由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程分别可达400公里和270公里。同济大学参与研制的燃料电池发动机。能在14秒内加速到80公里，最高时速达110公里，可连续行驶210公里。行李箱内，放置的是可充气的氢气瓶，燃料氢气从这里沿管道进入反应器，和空气中的氧气结合释放能量，提供汽车前进的动力。为防止氢气从瓶中逃逸，氢气瓶采用了铝板碳纤维的特殊材料，里面层层设防。

42、为安全起见，在后厢内还安装了监测器，一旦氢气浓度升高，它会及时报警。经测试该车在污染排放、CO2排放、噪声、蛇行和燃料经济性方面达到A级水平。超越二号燃料电池汽车尚需解决的问题燃料电池汽车尚需解决的问题1、整车的开发设计；2、车用燃料氢，其制备、储存和分配等环节都存在问题；3、电池系统性能有待提高，有小型化和轻型化要求；4、成本高，现有50KW质子交换膜燃料电池发动机的成本为300美分/KW，是内燃机的10倍。4.4 动力电池管理系统动力电池管理系统1、电池管理系统（、电池管理系统（BMS）：）：对蓄电池组进行安全监控及有效管理、提高蓄电池使用效率。2、是电动汽车必不可少的核心部件之一。4.4

43、.1 基本构成基本构成 如图4-12所示为主从式电池管理系统的拓扑结构，它采用一个主控单元（主控单元（BCU）、多个从控单元（）、多个从控单元（HMU、BMU）的结构形式。图4-13电池管理系统的电气连接 电池管理系统也能通过CAN总线与组合仪表及充电机等进行通讯，实现参数显示、充电监控等功能。图4-14电池管理系统功能示意图4.4.24.4.2主要功能主要功能（1）数据采集）数据采集n电池管理系统的所有算法均以采集的动力电池数据动力电池数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标。n电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于大于20Hz（50ms）。（2）电池状态计

44、算）电池状态计算u主要包括SOC和电池组健康状态（和电池组健康状态（SOH）两方面。uSOC：提示动力电池组剩余电量，是计算和估计电动汽车续驶里程的基础。uSOH：提示电池技术状态、预计可用寿命等健康状态的参数。u在电动汽车中，准确估算蓄电池SOC主要有保护蓄电池、提高整车性能、降低对动力电池的要求以及提高经济性等作用。（3）能量管理）能量管理 能量管理主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电过程控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。（4）安全管理）安全管理u安全管理主要用于监视电池电压、电流、温度等是否超过正常范围，防止电池组过充、过放。u安全管理

45、系统功能：安全管理系统功能：烟雾报警；绝缘检测；自动灭火；过电压和过电流控制；过放电控制；防止温度过高；在发生碰撞的情况下关闭电池。（5）热管理）热管理 主要用于电池工作温度超高时对电池进行冷却，低于适宜工作温度下限时对电池进行加热，使电池处于适宜的工作温度范围内，并在电池工作过程中保持电池单体间温度均衡。热管理功能：热管理功能：电池温度的准确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热和通风；低温条件下的快速加热；有害气体产生时的有效通风；保证电池组温度场的均匀分布。（6）均衡控制）均衡控制 由于电池的一致性差异导致电池组的工作状态由最差电池单体决定。在电池组各个电池之间设置均衡电路，实施均衡控制

46、是为了使各单体电池充放电的工作情况尽量一致，提高整体电池组的工作性能。（7）通信功能）通信功能l 通过电池管理系统实现电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信，为充放电控制、整车控制提供数据依据是电池管理系统的重要功能之一，根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，l如：模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口。（8）人机接口）人机接口图4-15某电池管理系统的监控信息显示界面图4-16电池管理系统的实际安装位置4.5.1动力电池单体寿命的影响因素 充电截止电压充电截止电压。提高充电截止电压，甚至超过电池电化学电位后进行充电一般会加剧副反应的发生，并导致电池使用寿命缩短，并可能导致

47、电池内部短路损坏，甚至着火爆炸等危险工况的出现。放电深度放电深度。深度放电会加速动力电池的衰退。4.5动力电池组的使用寿命动力电池组的使用寿命单体电池通过串、并联的方式组成电池组单体电池通过串、并联的方式组成电池组 充放电倍率充放电倍率u动力电池单体的充放电倍率是其在使用工况下最直接的特征参数，其大小直接影响着动力电池单体的衰退速度。u充放电倍率越高越高，动力电池单体的容量衰退越快容量衰退越快。u动力电池单体大倍率大倍率的充放电充放电都会加快其容量的退化速度。u如果充放电倍率过大过大，动力电池单体还可能会出现直接损坏，甚至过热、短路起火等极端现象。环境温度环境温度u不同的动力电池均有最佳的工作

48、温度范围，过高或过低的温度都将对电池的使用寿命产生影响。u在高温下运行应用的动力电池容量衰减明显大于常温下工作的电池。存储条件存储条件u存储过程中，由于电池的自放电、正负极材料钝化、电解液分解蒸发、电化学副反应等因素，将导致电池产生不可逆的容量损失。u以锂离子电池为例，在锂离子电池存储期间，石墨负极的副反应是引起锂离子动力电池容量衰减的主要原因。图4-17降低充电截止电压对电池容量衰退影响比较图图4-18提高充电截止电压对电池容量衰退影响比较图表4-3放电深度与循环寿命的对应关系 表4-3所示为某锂离子动力电池在不同放电深度下的循环寿命数据。从中可以发现，浅充浅放可以有效地提高动力电池的使用寿

49、命。图4-19不同充放电倍率下动力电池的容量衰退情况图4-20某10Ah锂离子动力电池不同温度条件下的容量衰减4.5.2动力电池的一致性与电池组寿命不一致性主要表现在两方面：在制造过程差异引起的单体原始差异在制造过程差异引起的单体原始差异：由于工艺上的问题和材质的不均匀 在装车使用时的环境差异引起的单体退化差异在装车使用时的环境差异引起的单体退化差异：由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响。(1)电池一致性的分类 电压一致性：电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互充电，当并联组中一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。容量一致性：初始容量不一致不是电动

50、汽车电池成组应用的主要矛盾。在电池组实际使用过程中，容量不一致主要是电池起始容量不一致和放电电流不一致综合影响的结果。内阻一致性：电池内阻不一致使得电池组中每个单体在放电过程中热损失的能量各不相同，最终会影响电池单体的能量状态。图4-21并联电压不一致性(2)电池组电压一致性的发展规律图4-22电压不一致性统计结果n随使用时间和行驶里程的增加，电池的不一致程度逐渐增加。n最直观的反映为运行一段时间后，单体电池电压不一致程度增加。n以某锂离子电池组为例，说明电池组在使用过程中电压一致性的分布规律，如图4-22所示。提高电池制造工艺水平，保证电池出厂质量，尤其是初始电压的一致性。在动力电池成组时，