3.电动汽车动力储能装置

第三章电动汽车动力储能装置

3.1 车用动力电池概述

电动汽车动力储能装置定义：电动汽车中安装能够储存能量的装置。电动汽车的发展关键技术是提高动力电池性能，既是当前普及应用电动汽车的瓶颈，也是电动汽车能否与传统内燃机汽车竞争的重要因素之一。

3.1.1 电池的种类（车用动力电池）

生物电池：利用生物分解反应过程中表现出来的带电现象所进行的能量交换。

物理电池：物理原理制成的电池，在一定条件下直接实现能量交换。

化学电池：化学反应产生的能量直接转换成电能。

3.1.2 化学电池的基本组成

化学电池一般由电极（正极和负极）、电解质、隔膜与外壳构成。

1）电极：电池的核心部分。

⑴活性物质：能够通过化学反应释放电能的物质。

要求：在电解液中的化学稳定性好和电子导电性好。

权重：决定化学电池基本特性的重要部分。

⑵导电骨架：传导电子和支撑活性物质的作用。

2）电解质：电池内部阴、阳极之间担负传递电荷的作用。包括液体电解质与固体电解质。

要求：化学性质稳定，使得贮存期间电解质与活性物质界面间的电化学反应速率小（自放电容量损失小）。

3）隔膜：为避免内部阴、阳极之间距离很近而产生内部短路造成严重的自放电现象而添加的绝缘隔膜。形状一般为薄膜、板材或胶状物。

要求：化学性能稳定，具备一定机械强度、对电解质离子运动阻力小、电的良好绝缘体。

4）外壳：盛放和保护电池其它成分的容器。

要求：足够的机械强度、耐振动、耐冲击、耐腐蚀、化学性能稳定。

3.1.3 电池的基本常识和术语

⑴电池的组合：蓄电池作为动力源，一般要求具有较高的电压和电流，需要将若干单体电池通过串联、并联、复联方式组合成电池组使用。

⑵电池的放电：蓄电池向外部负载输送电流。

放电参数：

放电深度（DOD）：电池当前的放电状态，用实际放电容量与额定容量的百分比表示。

放电率：放电的速率，时率或倍率表示。

时率：一定的放电电流（恒流）放完额定容量所需要的小时数；

倍率：规定时间内放出其额定容量时所输出的电流的数值与额定值的倍数。

放电时间：蓄电池满容量开始不间断放电至终止电压时所能持续的时间。

放电方式：

①工况放电：模拟实际运行时的负载，用相应的负载进行放电的过程；

②倍率放电：蓄电池以额定电流倍数值进行放电；

③深度放电：蓄电池50%或以上的容量被释放（程度）；

④恒流放电：蓄电池以受控的恒定电流进行放电；

⑤恒功率放电：蓄电池以受控的恒定功率进行放电。

⑶电池的充电：输入蓄电池的电能转换为化学能贮存起来的过程。

充电参数：

充电特性：充电时蓄电池的电流、电压与时间之间的关系；

完全充电：蓄电池内所有可利用活性物质都已转换成完全电荷状态；

充电率：充电时的速率，时率和倍率表示。

时率：在一定电流下，充到额定容量所需要的时间；

倍率：规定时间内，充到额定容量所需电流数值与额定值的倍数。

蓄电池荷电状态（SOC）：蓄电池放电后剩余电池容量与额定容量的百分比。

充电方式：

①恒压充电：保持充电器端电压始终不变的充电方法；

②恒流充电：充电电流保持不变的充电方法；

③涓流充电：为补充自放电，蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电；

④浮充电：随时对蓄电池采用恒压充电，确保其一定的荷电状态。

⑷电池的极化：电池由静止（i=0）转入工作状态（i>0）产生的电池电压、电极电位的变化现象。

极化现象反映的是电池由静止状态转入工作状态能量损失的大小。（Q=UIt）

阳极极化（阴极极化）：电池进入工作状态后阳极、阴极实际电位偏离静止状态值的现象；

欧姆极化（电阻极化）：电池或电解液存在电阻，使电位发生偏离平衡值的现象；

浓差极化：电化学反应过程中，作用物浓度变化造成的电极电位对平衡值的偏差；

⑸电池的记忆效应（镍-镉电池）：记忆效应指电池在没有完全放电之前就再次充电，电池会储存这一放电平台并在下次循环过程中作为放电的终点。尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上，但在之后的放电过程中，电池将只会记忆这一低容量。在使用过程中，每一次不完全放电均会加深该效应，使电池容量逐渐变低。

3.1.4 电池的性能指标

⑴电池的容量

完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总能量。字母“C”表示，单位为安培时（A·h）。

1）理论容量：活性物质完全利用，蓄电池可释放的最高容量；

2）额定容量（保证容量）：规定条件下测得的蓄电池最低容量；

3）可用容量（实际容量）：规定条件下完全充电的蓄电池释放的电量；

4）剩余容量：蓄电池使用后，在指定放电率和温度状态下可以从电池中放出的电量。

⑵电池的能量

标准规定的放电条件下，电池对外做功所输出的电能。单位为瓦时（W·h）或千瓦时（KW·h）。

1）总能量：蓄电池在其寿命周期内，电能输出的总和；

2）充电能量：通过充电器输入蓄电池的电能；

3）放电能量：蓄电池放电时输出的电能；

⑶能量密度与功率密度

能量密度（能量比）：从蓄电池单位质量所获取的电能。

功率密度（功率比）：从蓄电池单位体积所获取的输出功率。

区别：

蓄电池功率一定程度上决定了电动汽车的加速度、爬坡性能、最高车速；蓄电池的能量决定了电动汽车充电一次后所具备的续航里程。

一般而言，蓄电池的功率密度增加时能量密度要下降：

①蓄电池内的高电流化学反应限制了能量密度；

②为了得到大电流，需要大量集电器，占用了空间，使得储存电能的电极材料减少。

⑷电池的开路电压

蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差。主要取决构成电池的材料特性。即便同一材料，晶体结构稍存差异，均会造成开路电压的差异。

开路电压是电池体系的一种特征数据，随着电池存放时间的延长，开路电压有所降低（自放电引起）。若短时间内开路电压有较大下降，说明电池内部存在慢性短路，电池性能趋近于报废。

⑸电池的内阻

电池放电时的内阻包括欧姆内阻和极化内阻。电池内阻越小，电池工作时内部压降就越小，电池就能输出较高电压和较大电流，输出能量和容量就越大。

⑹电池的工作电压、放电终止电压、放电曲线

电池工作电压：电池放电时电池的端电压。

放电终止电压：电池放电时端电压下降到不宜继续放电的最低工作电压。一般在低温或大电流放电时，终止电压要求低（电极极化大，活性物质不能充分利用，电压下降较快）；小电流放电时，终止电压就较高（放电极化小，活性物质充分利用，电压下降慢）。

放电曲线：一定放电情况下，连续放电时电池工作电压随时间变化的关系曲线。

⑺电池的寿命（耐用性）

电池的使用时间或充电循环次数。

蓄电池经历一次充电与放电的过程称为一个周期（循环）。在一定的放电制度下，