第六章 电动汽车的车载能量源系统

辅助能源系统的能量可以直接取自主能源， 也可以在电动汽车刹车或下坡时回收可再 生的动能。选用超级电容作辅助能源已引 起广泛关注。
6.1 什么是超级电容
超级电容是近几年才批量生产的一种无 源器件，介于电池与普通电容之间，具 有电容的大电流快速充放电特性，同时 也有电池的储能特性，并且重复使用寿 命长，放电时利用移动导体间的电子 （而不依靠化学反应）释放电流，从而 为设备提供电源。
缺点
1）比能量低，在电动汽车中所占的 质量和体积较大，一次充电行驶里程 短。 2）使用寿命短，使用成本高。 3）充电时间长。 4）铅是重金属，存在污染。
3、电动汽车动力电池的性能
3.1 动力电池的性能参数
1）电池的放电制度
电池的放电率、放电形式、终止电压和温度称为 电池的放电制度。放电制度根据电池的使用情况而定。
快速充电接受能力差，充电时 间长；
电 池 价 格 昂 贵 ： 铅 酸 电 池 800.00RMB/ 12*85Ah, 锂离子电池 1200.00RMB/3.6* 100Ah;
汽车附件的使用受到限制；
难于兼顾功率密度和能量密度。
6、超级电容
由于电动汽车频繁起动和停车，使得蓄电池的放电过程变 化很大。在正常行驶时，电动汽车从蓄电池中吸取的平均 功率相当低，而加速和爬坡时的峰值功率又相当高，一辆 高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达到16﹕1。
放电反应：
充电反应：
5.2 镍氢电池
是一种取代镍镉蓄电池的产品。 NI-MH电池正极活性物质为氢氧化镍，负极活性物质为 贮氢合金，电解液为氢氧化钾溶液。 特点： 1、不含镉、铜，不存在重金属污染问题。 2、比能量高。
电动汽车发展中期目标的主要能源之一。
5.3钠硫电池 5.4 锌—空气电池 5.5 镍—锌电池 5.6 锂电池
(Depth of discharge)
即电池已经放出的电量与电池额定容量的比值。
8）电池的循环使用寿命
以电池充电一 次和放电一次为一 个循环，按一定的 测试标准，当电池 容量降到某一规定 值以前，电池经历 的充放电循环的总 次数。
9）抗滥用能力
电池对短路、过充电、过放电、机械 振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等 非正常使用情况的容忍程度。
解决蓄电池浓差极化最有效的方法是促 进电解液的流动。
（3）电化学极化
5、其它常用蓄电池
5.1 镉镍电池
应用广，其比能量可达55Wh/kg，比功率超过190W/kg。 特点： 1、快速充电快，循环使用寿命长。 2、购置成本高、使用成本低 注意：重金属镉造成环境污染
电池式： （－）Cd|KOH|NiOOH（＋）
2)锂聚合物电池
具有液态锂离子电池优良性能，聚合物锂 离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形 状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安 全上的问题。
优点：
解决了液态锂离子电池的安全性问题，生产 成本也较低。
缺点：
比功率差，快速充电性能差，制造工艺更 复杂，要求更高，仍为实验室产品，目前除了 寿命和价格外，其它性能可接近或达到USABC 的商业化目标。
由美国能源部、电能研究所、福特、通用、克莱斯勒
公司以及电池生产厂商联合成立的美国先进电池联合会 （USABC），制定了电动汽车用蓄电池的中、长期性能 指标。
蓄电池技术发展历史
1859年法国科学家普兰特发明了世界上第一 只可充电电池－铅酸电池；
1889~1901年瑞典的扬格纳和美国的爱迪生先 后研制成功镍铁电池和镍镉电池；
i小时率放电容量是在恒流放电条件下，正
好用i小时把充满电的电池放电到终止电压 时能够放出的电量，通常用Ci表示。起动电 池用C20表示，牵引电池用C5表示，电动汽 车用电池用C3表示。
额定容量是指在规定条件下电池应放出的
电量。额定容量是制造厂标明的安时容量， 作为验收电池质量的重要技术指标。
实际容量是指充满电的电池在一定条件下
（2）混合动力汽车对电池的工作要求
1）电池的峰值功率要大，能短时大功率 充放电。 2）循环寿命要长，达到1000次以上的深 度放电循环和40万次以上的浅度放电循 环。 3）电池的SOC应尽可能保持在 50%~85%的范围内。 4）需要配备电池管理系统和热管理系统。
2、铅蓄电池
2.1分类：
按蓄电池的使用方向可分为：
所能输出的电量，它等于放电电流和放电 时间的乘积。
剩余容量是指经过使用后，在指定的放电
率和温度状态下可以从电池中放出的电量。
3）电池的能量
电池的能量是指在标准规定的放电制度下，电池 所输出的电能，单位：W.h或kW.h。
4）能量密度
质量能量密度：电池单位质量所能输出的电能。 W.h/kg 体积能量密度：电池单位体积所能输出的电能。 W.h/L
事实上，电动汽车行驶中，用于加速和爬坡时所消耗的能 量占到总能耗的2/3。在现有的电池技术条件下，蓄电池必 须在比能量和比功率以及比功率和循环寿命之间作出平衡， 而难以在一套能源系统上同时追求高比能量、高比功率和 长寿命。为了解决电动汽车续驶里程与加速爬坡性能之间 的矛盾，可以考虑采用两套能源系统，其中由主能源提供 最佳的续驶里程，而由辅助能源在加速和爬坡时提供短时 的辅助动力。
（1）欧姆极化
欧姆极化也称为纯电阻压降，是由极板电阻、 隔板电阻、电解液电阻、桩头、连接条、汇流排 以及它们的接触面电阻构成，所产生的电压降也 称为内阻压降。
电池单体SOC-开路电压曲线
电池单体充放电全内阻曲线
（2）浓差极化
无电流通过时，蓄电池正负极的平衡电位 是根据电解液内的离子浓度确定的。有电流通 过时，由于发生电极反应，电极表面液层中的 浓度发生变化，使得电极电位和平衡电极电位 之间存在着一定的差距，这种电极电位的偏移 称为浓差极化。
5）电池的功率和功率密度
电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间 内电池输出的能量，单位：W或kW。 单位质量的电池输出的功率为质量功率密度。 W/kg 单位体积的电池输出的功率为体积功率密度。 W/L
6）电池的荷电状态
电池的荷电状态（SOC）描述电池剩余容量占额定容 量的百分比。
7）蓄电池的放电深度（DOD）
2.2 铅蓄电池的结构
2.3 铅蓄电池的工作原理
1）电池的化学表达式
电池式： （－）负极材料|电解质|正极材料（＋）
如： （－）Zn |H2SO4 |MnO2（＋） （－）Pb |H2SO4 |PbO2 （＋）
2）蓄电池的化学反应式
铅酸蓄电池
放电反应：
充电来自百度文库应：
（1） 铅酸蓄电池放电反应：
蓄电池的放电过程
4、蓄电池的工作特性
4.1 蓄电池的放电特性
即蓄电池放电时的电压~时间曲线。
4.2 蓄电池的充电特性
蓄电池在充电时外特性，即充电时的电压~时间曲线。
4.3 电动势
电池两极的电动势是根据电池反 应通过热力学方法进行计算的理论 值；开路电压是根据电池两极间电 位差进行测定的实际测量值。
常用蓄电池的电动势、开路电压
（2）铅酸蓄电池充电反应：
蓄电池的充电过程
2.4 铅蓄电池的特点
优点
1）单体电压高，为2.0V。 2）价格低廉。 3）可制成小至1A.h大至几千安时的各种尺 寸和结构的蓄电池。 4）高倍率放电性能好，可用于车辆起动。 5）高低温性能良好，可在-40C~60C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。 8）易于确定荷电状态。
1.1 动力电池分类
根据容量的大小和输出功率的能力，动力 电池可以分为能量型、功率型、能量/功率兼 顾型动力电池。
（1）能量型动力电池
具有比较大的容量，能够提供比较 持久的能源供给。
通常用于纯电动汽车、中度和重度 混合动力汽车。
这种电池总能量在整车能源配置中 占有较大的比列，常常超过10kW.h。
主要用于插电式混合动力汽车。
2、不同电动汽车电池的工作要求
（1）纯电动汽车电池的工作要求
1）电池要有足够的能量和容量。 2）电池要能够实现深度放电而不影响其寿命， 在必要时能实现满负荷甚至全负荷放电。 3）需要安装电池管理系统和热管理系统，以显 示电池组的剩余电量和实现温度控制。 4）由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设 计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。
20世纪80年代镍氢电池问世；
20世纪90年代锂离子电池出现；
目前，在电动车辆上普遍使用的电池有铅酸 电池、镍氢电池和锂离子电池。
e
充电
放电
–
+
N
E
P
离子移动
负电极 正电极
电解液
蓄电池技术存在问题
能量密度低：铅酸电池35~40Wh /kg、锂离子电池150Wh/kg、汽油 10000~12000 Wh/kg;
现代电动汽车技术
第六章 电动汽车的车载能量
源系统
主要内容
动力电池的种类及原理 铅酸蓄电池 电动汽车动力电池的性能 蓄电池的工作特性 其它常用蓄电池 超级电容 超高速飞轮
电动汽车 能量源
主要任务是提 供驱动电能
动力电池 超高速飞
轮 超级电容
燃料电池
能量存储系统 能量生成装置
1、动力电池的种类及原理
5.7 钠氯化镍电池（Na/NiCl2）
电池单体的额定电压2.5V。
NaNiCl2 电池也称为Zebra 电池, 是1978 年南非 ZebraPower System 公司的J . Coetzer 发明的。
比能量超过100Wh/ kg ,无自放电效应,耐过充、过放 电,可快速充电(30 min50 % SOC) ,安全可靠,但是工作温 度高(250～350 ℃) ,而且内阻与工作温度、电流和充电状 态SOC 有关,因此需要有加热和冷却管理系统。
（2）功率型动力电池
容量通常比较小，可以提供瞬间大 功率供电。
主要用于电动工具、轻度混合动力 电动汽车。
在电动汽车中主要用于吸收制动回 馈的能量，同时为车辆起动、加速工况 提供瞬间的额外能量。
（3）能量/功率兼顾型动力电池
能量密度高，同时在SOC低时提供 大功率的能力，在SOC高时能接受大功 率，即要求电池具有高能量、大功率兼 顾的特性。
即
4.5蓄电池的放电电压
蓄电池的放电电压可用开路电压、放电电流和内 阻表示：
4.6 蓄电池放电电流对电池容量的影响
蓄电池容量与放电电流的关系
4.7 温度对蓄电池容量的影响
4.8 自放电对电池容量的影响
4.9 极化现象
当电池充电或者放电时，正负极板和电解液 的平衡状态遭到破坏，正负极之间的工作电压U 偏离其电动势，这种现象叫做极化现象。
2）电池的容量
电池的容量是指充满电的电池在指定条件下放电到终 止电压时输出的电量，单位：A.h。 电池容量可分为：理论容量、i小时率放电容量、额 定容量、实际容量和剩余容量。
理论容量是假定电池中的活性物质全部参加
成流反应，根据法拉第定律计算所能给出的 电量。理论容量是电池容量的最大极限值。 实际上，电池放出的容量只是理论容量的一 部分。
6.3 超级电容与传统电容的不同
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。
根据电解质的不同,分为 锂离子电池L IB(Lithium-ion battery) 锂聚合物电池PLB(Polymer lithium-ion battery)
1)锂离子电池
优点：
工作电压高，比能量高，循环寿命长， 自放电率低，无记忆性，对环境无污 染，能够制造成任意形状。
缺点：
成本高，必须有特殊的保护电路，以防止 过充电。
4.4 蓄电池的内阻
（1）定义
电池内阻是电流通过电池内部时所受到的 阻力。电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻两种。
欧姆电阻：是电池内部本身固有的电阻， 与电池内部组成有关；
极化电阻：是由于电流通过时产生的， 与通过的电流强度有关。因此电池的内阻有 时也称为电池的全电阻。
（2）内阻的测量
电池内阻可表示为开路电压与放电电压之差 除以电流的商。
牵引电池（动力电池）和起动电池。
按电池的物理结构可分为：
密封电池、开口电池、胶体电池。
（1）开口电池
（2）密封电池
（3）胶体电池
电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。 胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单 的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。 特点：
1、比功率要比常规铅酸电池大 20% 以上； 2、寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右； 3、高温及低温特性要好得多。 不足：技术不够成熟、成本较高。