新能源汽車技術(shù)第2章-1-電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池

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1、新能源汽車技術(shù) 第 1 頁,第2章 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池 (一),2.1 概述 2.2 鉛酸蓄電池 2.3 鎳氫電池 2.4 鋰離子電池,新能源汽車技術(shù) 第 2 頁,2.1 概述,電池是電力汽車的動(dòng)力源，是能量的存貯裝置。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競爭，關(guān)鍵是開發(fā)住比能量高、比功率大、使用壽命長、成本低的電池。 電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池可以分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類。,新能源汽車技術(shù) 第 3 頁,2.1.1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分類,1化學(xué)電池 利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。 化學(xué)電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲(chǔ)備電池。 2物理電池 物理電池是利用光、熱、物理吸

2、附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽能電池、超級(jí)電容器、飛輪電池等。 3生物電池 生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。,新能源汽車技術(shù) 第 4 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),1電壓 （1）端電壓 （2）開路電壓 （3）電動(dòng)勢 （4）額定電壓 （5）放電電壓 （6）終止電壓,新能源汽車技術(shù) 第 5 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),2容量 （1）理論容量 （2）實(shí)際容量 （3）標(biāo)稱容量 （4）額定容量 （5）荷電狀態(tài),新能源汽車技術(shù) 第 6 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),3內(nèi)阻 電流流過電池內(nèi)部受到

3、的阻力，使電池電壓降低，此阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢和開路電壓。充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢和開路電壓。 4能量 電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，單位是Wh或kWh。它影響電動(dòng)汽車的行駛距離。,新能源汽車技術(shù) 第 7 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),（1）理論能量 （2）實(shí)際能量 （3）比能量 （4）能量密度,新能源汽車技術(shù) 第 8 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),5功率 電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)所輸出能量的大小，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。 （1）比功率 （2）功率密度,新能源汽車技術(shù)

4、 第 9 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),6輸出效率 （1）容量效率 式中， 為電池的容量效率； 為電池放電時(shí)輸出的容量； 為電池充電時(shí)輸入的容量。,,,,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 10 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),（2）能量效率 能量效率也稱電能效率，是指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比，即 式中， 為電池的能量效率； 為電池放電時(shí)輸出的能量； 為電池充電時(shí)輸入的能量。,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 11 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),7自放電率 自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，

5、即電池?zé)o負(fù)荷時(shí)自身放電使容量損失的速度。 自放電率 式中， 為電池存儲(chǔ)前的容量（Ah）； 為電池存儲(chǔ)后的容量（Ah）； 為電池存儲(chǔ)的時(shí)間，常用天、月計(jì)算。,,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 12 頁,2.1.2 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),8放電速率（放電率） 放電速率一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比例來表示。 （1）時(shí)率（時(shí)間率） 電池以某種電流強(qiáng)度放電，放完額定容量所經(jīng)過的放電時(shí)間。汽車用電池一般用20h率容量表示。 （2）倍率（電流率） 電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。,新能源汽車技術(shù) 第 13 頁,2.1.2

6、電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的性能指標(biāo),9使用壽命 使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)電池使用失效，這時(shí)電池的使用壽命終止。 電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指電池可供使用的時(shí)間，包括電池的存放時(shí)間。使用周期是指電池可供重復(fù)使用的次數(shù)。,新能源汽車技術(shù) 第 14 頁,2.1.3 電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求,電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求主要有： （1）比能量高 （2）比功率大 （3）充放電效率高 （4）相對(duì)穩(wěn)定性好 （5）使用成本低 （6）安全性好 ；,,新能源汽車技術(shù) 第 15 頁,2.2 鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池自1859年

7、發(fā)明以來，其使用和發(fā)展已有100多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)力源。電動(dòng)汽車用鉛酸蓄電池要用于給電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，它的主要發(fā)展方向是提高比能量，增大循環(huán)使用壽命。,新能源汽車技術(shù) 第 16 頁,2.2.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),日本GS公司生產(chǎn)的SER60電池比能量為34Wh/kg，能量密度為91Wh/L，比功率為300 W/kg（50%DOD）；日本松下公司生產(chǎn)的動(dòng)力型鉛酸蓄電池循環(huán)壽命已突破1000次（80%DOD。 美國BPC公司和Trojon公司開發(fā)的雙極性密封鉛蓄電池，正負(fù)極位于同一片導(dǎo)體的兩側(cè)面，用吸液式纖維隔板貯存電解液組成密封電池。其額定電壓為180V，容量為60Ah，

8、比能量50Wh/kg，峰值比功率700W/kg，循環(huán)壽命1000次，預(yù)計(jì)使用壽命10年。,新能源汽車技術(shù) 第 17 頁,2.2.1 鉛酸蓄電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),國內(nèi)研制開發(fā)的電動(dòng)汽車用水平極板鉛酸蓄電池已經(jīng)達(dá)到了以下性能指標(biāo)：3h率比能量45Wh/kg，10min持續(xù)比功率80W/kg，快速充電性能45h100%充電,1520min70%充電，80%DOD壽命600次。 鉛酸蓄電池作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電源在比能量、深放電循環(huán)壽命、快速充電等方面均比鎳氫電池、鋰離子電池差，不適合于電動(dòng)轎車。但由于其價(jià)格低廉，國內(nèi)外將它的應(yīng)用定位在速度不高、路線固定、充電站設(shè)立容易規(guī)劃的車輛。,新能源汽車技術(shù) 第 18

9、頁,2.2.2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu),1鉛酸蓄電池的分類 （1）免維護(hù)鉛酸蓄電池 免維護(hù)鉛酸蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。,新能源汽車技術(shù) 第 19 頁,2.2.2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu),市場上的免維護(hù)鉛酸蓄電池也有兩種： （1）在購買時(shí)一次性加電解液以后使用中不需要添加補(bǔ)充液； （2）電池本身出廠時(shí)就已經(jīng)加好電解液并封死，用戶根本就不能加補(bǔ)充液。,新能源汽車技術(shù) 第 20 頁,2.2.2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu),（2）閥控密封式鉛酸蓄電池 閥控密封式鉛

10、酸蓄電池在使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)漏酸，也不會(huì)排酸霧，電池蓋子上設(shè)有溢氣閥（也叫安全閥），該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過一定值，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí)，溢氣閥自動(dòng)打開，排出氣體，然后自動(dòng)關(guān)閉，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。,新能源汽車技術(shù) 第 21 頁,2.2.2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu),閥控密封式鉛酸蓄電池分為AGM和GEL（膠體） 電池兩種： （1）AGM采用吸附式玻璃纖維棉（Absorbed Glass Mat）作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，電池內(nèi)無流動(dòng)的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作； （2）膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體

11、內(nèi)，一般立放工作。無特殊說明，皆指AGM電池。,新能源汽車技術(shù) 第 22 頁,2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu),2.2.2 鉛酸蓄電池的分類與結(jié)構(gòu),新能源汽車技術(shù) 第 23 頁,2.2.3 鉛酸蓄電池的特點(diǎn),1鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn) （1）除鋰離子電池，鉛酸蓄電池電壓最高，為2. 0V； （2）價(jià)格低廉； （3）可制成小至lAh大至幾千Ah各種結(jié)構(gòu)蓄電池； （4）高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動(dòng)； （5）高低溫性能良好，可在-4060條件下工作； （6）電能效率高達(dá)60%； （7）易于浮充使用，沒有“記憶”效應(yīng)； （8）易于識(shí)別荷電狀態(tài)。,新能源汽車技術(shù) 第 24 頁,2.2.3 鉛酸蓄電池的特點(diǎn),2鉛酸蓄電池

12、的缺點(diǎn) （1）比能量低，在電動(dòng)汽車中所占的質(zhì)量和體積較 大，一次充電行駛里程短； （2）使用壽命短，使用成本高； （3）充電時(shí)間長； （4）鉛是重金屬，存在污染 。,新能源汽車技術(shù) 第 25 頁,2.2.4 鉛酸蓄電池的工作原理,鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反應(yīng)式為 充電時(shí)，把鉛板分別和直流電源的正、負(fù)極相連，進(jìn)行充電電解，陰極的還原反應(yīng)為,,,新能源汽車技術(shù) 第 26 頁,2.2.4 鉛酸蓄電池的工作原理,陽極的氧化反應(yīng)為 充電時(shí)的總反應(yīng)為 隨著電流的通過， 在陰極上變成蓬松的金屬鉛，在陽極上變成黑褐色的二氧化鉛，溶液中有 生成。,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 27 頁,2

13、.2.4 鉛酸蓄電池的工作原理,放電時(shí)蓄電池陰極的氧化反應(yīng)為 由于硫酸的存在， 立即生成難溶解的 。 陽極的還原反應(yīng)為 同樣，由于硫酸的存在， 也立即生成 。 放電時(shí)總的反應(yīng)為,,,,,,,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 28 頁,2.2.4 鉛酸蓄電池的工作原理,蓄電池充電的時(shí)候，隨著電池端電壓的升高，水開始被電解，當(dāng)電池電壓達(dá)到約2.39V/單體時(shí)，水的電解不可忽視。水電解時(shí)陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)式為 陽極給出電子，陰極得到電子，從而形成了回路電流。端電壓越高，電解水也越激烈，此時(shí)充入的大部分電荷參加水電解，形成活性物質(zhì)很少。,,,,新能源汽車技術(shù) 第 29 頁,2.2.5 鉛酸蓄電池的

14、充放電特性,,鉛酸蓄電池的放電曲線,1鉛酸蓄電池的放電特性,新能源汽車技術(shù) 第 30 頁,2鉛酸蓄電池的充電特性,,鉛酸蓄電池的充電曲線,2.2.5 鉛酸蓄電池的充放電特性,新能源汽車技術(shù) 第 31 頁,1蓄電池常規(guī)充電方法,,1）恒流充電法,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,恒流充電曲線,新能源汽車技術(shù) 第 32 頁,2）分段電流充電法,二階段法充電曲線,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,新能源汽車技術(shù) 第 33 頁,3）恒壓充電法,,恒壓充電法曲線,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,新能源汽車技術(shù) 第 34 頁,4）恒壓限流充電法 在充電第一階段，用恒定的電流充電；在電池電壓達(dá)到一定電

15、壓后，維持此電壓恒定不變，轉(zhuǎn)為第二階段的恒壓充電過程，當(dāng)充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約一小時(shí)即可停止充電。,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,新能源汽車技術(shù) 第 35 頁,1）蓄電池快速充電的原理 快速充電要想方設(shè)法加快電池的化學(xué)反應(yīng)速度(提高充電電壓或電流等)，使之充電速度得到最大的提高； 快速充電又要保證負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能的消除電池的極化現(xiàn)象。,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,2. 蓄電池快速充電法,新能源汽車技術(shù) 第 36 頁,2)幾種蓄電池快速充電方法,(1）脈沖式充電法,脈沖式充電曲線,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電

16、方法,新能源汽車技術(shù) 第 37 頁,(2）變電流間歇充電法,變電流間歇充電曲線,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,新能源汽車技術(shù) 第 38 頁,(3）變電壓間歇充電法,2.2.6 鉛酸蓄電池的充電方法,變電壓間歇充電曲線,新能源汽車技術(shù) 第 39 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),電池剩余容量的多少一般用電池荷電狀態(tài)（SOC）來描述。電池荷電狀態(tài)是無量綱量，既可以反映電池剩余電量，也可以反映電池消耗的電量。 目前國內(nèi)外蓄電池常用的荷電狀態(tài)估計(jì)的方法主要有放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)計(jì)量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電化學(xué)阻抗頻譜法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法等。,新能源汽車技術(shù) 第

17、40 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),1放電實(shí)驗(yàn)法 放電實(shí)驗(yàn)法是最可靠的電池SOC估計(jì)方法，采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流與時(shí)間的乘積即為剩余電量。 放電實(shí)驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用，適用于所有電池，但它也存在缺點(diǎn)：一花費(fèi)時(shí)間長，二要必須中斷蓄電池正在進(jìn)行的工作。,,新能源汽車技術(shù) 第 41 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),2安時(shí)計(jì)量法 安時(shí)（A.h）計(jì)量法是目前最常用的電池SOC估計(jì)方法。SOC表示為 式中， 為額定容量； 為電池電流； 為充放電效率。,,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 42 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),3開路電壓法 電池的開路電壓在數(shù)值上接近

18、電池電動(dòng)勢。鉛酸蓄電池電動(dòng)勢是電解液濃度的函數(shù)，電解液密度隨電池放電成比例降低，用開路電壓可估計(jì)蓄電池SOC。 該方法只適用于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)。在充電初期和末期用開路電壓法估計(jì)電池SOC效果好，一般常與安時(shí)計(jì)量法結(jié)合使用。,新能源汽車技術(shù) 第 43 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),4負(fù)載電壓法 電池放電開始瞬間，電壓迅速從開路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在電池負(fù)載電流保持不變時(shí)，負(fù)載電壓隨電池SOC變化的規(guī)律與開路電壓隨電池SOC的變化規(guī)律相似。 負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實(shí)車上，但常用來作為電池充放電截止的判據(jù)。,新能源汽車技術(shù) 第 44 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),5電

19、化學(xué)阻抗頻譜法 電化學(xué)阻抗表示電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，通常是一個(gè)復(fù)數(shù)變量。測量電池阻抗有恒流和恒壓兩種模式。電池阻抗定義為,,新能源汽車技術(shù) 第 45 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),6內(nèi)阻法 電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻（常稱為交流阻抗）和直流內(nèi)阻之分，它們都與SOC有密切關(guān)系。 電池交流阻抗為電池電壓與電流之間的傳遞函數(shù)，是一個(gè)復(fù)數(shù)變量，表示電池對(duì)交流電的反抗能力，用交流阻抗儀來測量。,新能源汽車技術(shù) 第 46 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),7線性模型法 線性模型法是基于電流、電壓、SOC變化量和上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的SOC值間的關(guān)系建立的線性方程，方程具體表達(dá)式為

20、 式中， 為當(dāng)前時(shí)刻的SOC值； 為SOC的變化量； 、 分別為當(dāng)前時(shí)刻的電壓與電流。 為利用參考數(shù)據(jù)，可通過最小二乘法得到其值，無物理意義。,,,,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 47 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),8神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 估計(jì)電池SOC常采用三層典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即輸入層、中間層和輸出層。 輸入、輸出層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際問題的需要來確定，一般為線性函數(shù)，常用電壓、電流、累積放出電量、溫度、內(nèi)阻及環(huán)境溫度等作為輸入變量；中間層神經(jīng)元個(gè)數(shù)取決于問題的復(fù)雜程度及分析精度。,新能源汽車技術(shù) 第 48 頁,2.2.7 鉛酸蓄電池SOC估計(jì),9卡爾曼濾波法

21、 利用卡爾曼濾波方法估算電池SOC的研究是在近幾年才開始的，卡爾曼濾波的一個(gè)顯著特點(diǎn)是用狀態(tài)空間的概念來描述其數(shù)學(xué)公式。 卡爾曼濾波另一個(gè)新穎特點(diǎn)是它的解是遞歸計(jì)算的，而且可不加修改地應(yīng)用于平穩(wěn)和非平穩(wěn)環(huán)境。,,新能源汽車技術(shù) 第 49 頁,2.3 鎳氫電池,鎳氫電池是90年代發(fā)展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由貯氫合金制成，是一種堿性蓄電池。 鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無污染，被譽(yù)為“綠色電源”。,新能源汽車技術(shù) 第 50 頁,2.3.1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),三洋電機(jī)株式會(huì)社生產(chǎn)的圓柱型5.5Ah的鎳氫電池組，質(zhì)

22、量比功率1000W/kg。2001年為Escape配備，后來為本田Accord采用。 美國的Cobasys公司開發(fā)了容量為1260Ah的一系列高功率鎳氫電池。質(zhì)量比功率達(dá)到550600W/kg，體積比功率達(dá)到12001400W/l，峰值比功率可達(dá)1000W/kg，比能量在5070Wh/kg，使用溫度在60時(shí)能量效率仍保持在8090%，充電功率也超過500W/kg。,新能源汽車技術(shù) 第 51 頁,2.3.1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),德國Varta公司開發(fā)的超高功率鎳氫電池（HEV-10 UHP cells）功率密度已達(dá)到1000W/kg，但其比能量僅為40Wh/kg。 法國Saft公司的4/5SF型（

23、41mm93mm）高功率鎳氫電池容量為14Ah， 比能量為47Wh/kg，80%充電態(tài)對(duì)應(yīng)的比功率為900 W/kg，體積比功率達(dá)2500W/l。,新能源汽車技術(shù) 第 52 頁,2.3.1鎳氫電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),我國也有很多單位一直從事混合動(dòng)力汽車用鎳氫電池的研究。 中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所長期從事鎳氫電池及相關(guān)材料的研究和開發(fā)，北京有色總院、中山電池公司、湖南神舟科技、春蘭集團(tuán)、鞍山三普等單位均從不同角度做過大量積極有益的工作，取得了很大的進(jìn)展。,新能源汽車技術(shù) 第 53 頁,2.3.2 鎳氫電池的分類與結(jié)構(gòu),1鎳氫電池的分類 （1）方形鎳氫電池； （2）圓形鎳氫電池。 2鎳氫電池的結(jié)

24、構(gòu) 正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液,新能源汽車技術(shù) 第 54 頁,2.3.3 鎳氫電池的特點(diǎn),（1）比功率高 （2）循環(huán)次數(shù)多 （3）無污染 （4）耐過充過放 （5）無記憶效應(yīng) （6）使用溫度范圍寬 （7）安全可靠,新能源汽車技術(shù) 第 55 頁,2.3.4 鎳氫電池的工作原理,充電時(shí)正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為 放電時(shí)正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為,,,,,新能源汽車技術(shù) 第 56 頁,2.3.5 鎳氫電池的充放電特性,通常電池在一定電流下進(jìn)行充電和放電時(shí)都是使用曲線來表示電池的端電壓和溫度隨時(shí)間的變化，把這些曲線稱為電池的特性曲線。 一般充放電電流的大小常用充放電倍率來表示，即充放電倍率=充放電電流

25、/額定容量。例如，額定容量為100Ah的電池用20A放電池時(shí)，其放電倍率為0.2C。,新能源汽車技術(shù) 第 57 頁,1鎳氫電池的充電特性,,電池常溫5C充電曲線 曲線15C充電8.4Ah；曲線2常溫0.5C放電至1.0V,2.3.5 鎳氫電池的充放電特性,電壓/V,充放電容量/Ah,新能源汽車技術(shù) 第 58 頁,電池高溫(45)充電曲線 曲線1高溫（45）1C充電9.24Ah；曲線2常溫0.5C放電至1.0V,電壓/V,充放電容量/Ah,2.3.5 鎳氫電池的充放電特性,新能源汽車技術(shù) 第 59 頁,2鎳氫電池的放電特性,電池常溫下不同倍率放電曲線,電壓/V,放電率/%,2.3.5 鎳氫電池的

26、充放電特性,新能源汽車技術(shù) 第 60 頁,電池低溫(-18)放電曲線 曲線1常溫0.5C充電9.24Ah；曲線2低溫(-18)1C放電至0.9V,電壓/V,2.3.5 鎳氫電池的充放電特性,充放電容量/Ah,新能源汽車技術(shù) 第 61 頁,2.3.6 鎳氫電池SOC估計(jì),電池SOC的估計(jì)模型,新能源汽車技術(shù) 第 62 頁,1電池SOC估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),采用三層徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層只是傳遞輸入信號(hào)到隱層，隱層采用高斯核函數(shù)，輸出層采用的是純線性函數(shù)。確定電池端電壓V、電池溫度 、電池放電或充電的安培秒為三個(gè)輸入變量，輸出變量為電池的SOC值。,,,,,,,,,2.3.6 鎳氫電池SOC估計(jì),新能

27、源汽車技術(shù) 第 63 頁,2.卡爾曼濾波器的信號(hào)模型與輸出方程的確定,由SOC的定義可知,,,,,,,聯(lián)立上述三個(gè)方程得,2.3.6 鎳氫電池SOC估計(jì),新能源汽車技術(shù) 第 64 頁,令 在等式兩邊對(duì)時(shí)間 求導(dǎo)得 令 并考慮系統(tǒng)噪聲，即由于模型的不確定性而產(chǎn)生的模型噪聲，得系統(tǒng)方程為 輸出方程為 式中 ， 為系統(tǒng)噪聲； 為測量噪聲。,,,,,,,,,,2.3.6 鎳氫電池SOC估計(jì),新能源汽車技術(shù) 第 65 頁,對(duì)以上兩個(gè)方程進(jìn)行采用零階保持采樣離散化得

28、 式中， 假定 與 是均值為零、互不相關(guān)的高斯白噪 聲。,,,,,,,,2.3.6 鎳氫電池SOC估計(jì),新能源汽車技術(shù) 第 66 頁,其中 和 可以在實(shí)驗(yàn)中獲得，這樣就可以根據(jù)控制信號(hào) 和測量輸出 估計(jì)狀態(tài)變量 ，即電池的SOC值。,,,,,,,,,,,,2.3.6 鎳氫電池SOC估計(jì),,新能源汽車技術(shù) 第 67 頁,2.4 鋰離子電池,鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池，是目前世界最新一代的充電電池。 鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無記憶效應(yīng)、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安

29、全可靠等優(yōu)點(diǎn)。,新能源汽車技術(shù) 第 68 頁,2.4.1 鋰離子電池的發(fā)展動(dòng)態(tài),2006年1月，江森控制在全球開始研發(fā)和制造用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車的鋰離子電池。 三洋電機(jī)2008年5月28日宣布，向德國大眾集團(tuán)供應(yīng)混合動(dòng)力汽車用鋰離子充電電池系統(tǒng)。 我國在鋰離子電池方面的研究水平，有多項(xiàng)指標(biāo)超過了USABC提出的長期目標(biāo)所規(guī)定的指標(biāo)，目前已經(jīng)把鋰離子電池作為電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的重要發(fā)展目標(biāo)。,新能源汽車技術(shù) 第 69 頁,2.4.2 鋰離子電池的分類與構(gòu)造,1鋰離子電池的分類 按照鋰離子電池外形形狀： （1）方形鋰離子電池； （2）圓柱形鋰離子電池。 按照鋰離子電池正極的材料不同： （1）錳酸

30、鋰離子電池； （2）磷酸鐵鋰離子電池； （3）鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。,新能源汽車技術(shù) 第 70 頁,2鋰離子電池的結(jié)構(gòu),,1絕緣體；2墊圈；3PTC元件；4正極端子；5排氣孔；6防爆閥； 7正極；8隔板；9負(fù)極；10負(fù)極引線；11正極；12外殼,圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖,2.4.2 鋰離子電池的分類與構(gòu)造,新能源汽車技術(shù) 第 71 頁,我國自主開發(fā)的電動(dòng)汽車用鋰離子電池,2.4.2 鋰離子電池的分類與構(gòu)造,新能源汽車技術(shù) 第 72 頁,2.4.3 鋰離子電池的特點(diǎn),鋰離子電池有許多顯著特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為： （1）工作電壓高 （2）比能量高 （3）循環(huán)壽命長 （4）自放電率低

31、 （5）無記憶性 （6）對(duì)環(huán)境無污染 （7）能夠制造成任意形狀,新能源汽車技術(shù) 第 73 頁,2.4.3 鋰離子電池的特點(diǎn),鋰離子電池也有一些不足，主要表現(xiàn)在： （1）成本高：主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高，但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來計(jì)算，已經(jīng)低于鎳氫電池，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池； （2）必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過充。,新能源汽車技術(shù) 第 74 頁,2.4.4 鋰離子電池的工作原理,電池在充電時(shí)，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中； 放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出，通過電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個(gè)充放電過程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。,

32、,新能源汽車技術(shù) 第 75 頁,2.4.4 鋰離子電池的工作原理,鋰離子電池工作原理圖,新能源汽車技術(shù) 第 76 頁,2.4.4 鋰離子電池的工作原理,正、負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為 總反應(yīng)為,,,新能源汽車技術(shù) 第 77 頁,2.4.5 鋰離子電池的充放電特性,充電電流方面，鋰電池的充電率（充電電流）應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可達(dá)2C，但常用的充電率為0.51C。 放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在23C左右。 鋰電池的充電溫度一般應(yīng)該被限制在060范圍。電池溫度過高會(huì)損壞電池并可能引起爆炸；溫度過低雖不會(huì)造成安全方面的問題，但很難將電池充滿。,新能源汽車技術(shù) 第 7

33、8 頁,2.4.6 鋰離子電池的充電方法,鋰離子電池可以采用不同的充電方法，其中最簡單的充電方法是恒壓充電。采用恒壓充電時(shí)，電池電壓保持不變，而充電電流將逐漸降低。當(dāng)充電電流降到低于0.1C時(shí)，就認(rèn)為電池被充分充電了。 兼顧充電過程的安全性、快速性和電池使用的高效性，鋰離子電池通常都采用恒流恒壓充電方法，其充電過程可分為預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電三個(gè)階段。,新能源汽車技術(shù) 第 79 頁,2.4.6 鋰離子電池的充電方法,鋰離子電池充電特性曲線,新能源汽車技術(shù) 第 80 頁,2.4.6 鋰離子電池的充電方法,1預(yù)充電階 在該狀態(tài)下，首先檢測單節(jié)鋰離子電池電壓是否較低（<3.0V）)，如果是則采

34、用涓流充電，即一個(gè)比較小的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電直至電池電壓上升到一個(gè)安全值。否則可省略該階段，這也是最普遍的情況。 2恒流充電 涓流充電后，充電器轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)。該狀態(tài)下，充電電流保持不變的較大的值，電池的最大充電電流決定于電池的容量。,新能源汽車技術(shù) 第 81 頁,2.4.6 鋰離子電池的充電方法,（1）電池最高電壓終止法：當(dāng)單節(jié)鋰電池電壓達(dá)到4.2V，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止； （2）電池最高溫度終止法：在恒流充電過程中，當(dāng)電池的溫度達(dá)到60時(shí)，恒流充電狀態(tài)應(yīng)立即終止。,新能源汽車技術(shù) 第 82 頁,2.4.6 鋰離子電池的充電方法,3恒壓充電階段 恒流充電結(jié)束后，則轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在該狀態(tài)下，充電電壓保持恒定。因?yàn)殇囯x子電池對(duì)充電電壓精度的要求比較高，單節(jié)電池恒壓充電電壓應(yīng)在規(guī)定值的1%之間變化。,,