第一章 电动汽车动力电池Pack系统技术与检修

  第一章 电动汽车动力电池Pack系统技术与检修电动汽车动力电池Pack系统技术及检修XiangyangAutovocationaltechnicalcollege主讲人：陈斌第一章动力电池现状及发展的新趋势简述XiangyangAutovocationaltechnicalcollegeXiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史电池的诞生，基于人们对获取持续而稳定的电流的需要。不过，电池的发明却来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然1780年，意大利解刨学家迦伐尼在做解刨实验时发现：两手拿着不同金属器械...

  电动汽车动力电池Pack系统技术及检修XiangyangAutovocationaltechnicalcollege主讲人：陈斌第一章动力电池现状及发展的新趋势简述XiangyangAutovocationaltechnicalcollegeXiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史电池的诞生，基于人们对获取持续而稳定的电流的需要。不过，电池的发明却来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然1780年，意大利解刨学家迦伐尼在做解刨实验时发现：两手拿着不同金属器械同时碰在青蛙的大腿上，青蛙的腿部肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此反应。迦伐尼认为，出现这样一种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”XiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。而意大利物理学家伏特在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中做试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。1799年，伏特成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。然而在当时，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史干电池的诞生，干电池的鼻祖在19世纪中期诞生。1860年，法国的雷克兰士发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液，逐渐被黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史事实上，蓄电池的最早发明一样能追溯到1860年。当年，法国人普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池”。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.电池发展史1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由铁制成的一种碱性蓄电池。铅蓄电池是一种酸性蓄电池，与之不同，铁镍蓄电池的电解液是碱性的氢氧化钾溶液，是一种碱性蓄电池。其正极为氧化镍，电动势约为1.3～1.4伏。其优点是轻便、寿命长、易保养，缺点是效率不高。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege1.1电池发展史进入20世纪后，电池理论和技术一度处于停滞状态，但在二次世界大战之后，随着一些基础研究在理论上取得突破、新型电极材料的开发和各类用电器具日新月异的发展，电池技术又进入了一个加快速度进行发展的时期，科学家首先发展了碱性锌锰电池。进入80年代，科学技术发展越发迅速，对化学电源的要求也日益增多、增高。如集成电路的发展，要求化学电源必须小型化；电子器械、医疗器械和家用电器的普及不仅要求化学电源体积小，而且还要求单位体积内的包含的能量高、密封性和贮存性能好、电压精度高。因此电池池的研究重点转向蓄电池，1988年，镍镉电池实现商品化。1992年，锂离子电池实现商品化，1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege2.动力电池概述 动力电池指具有较大电能容量和输出功率，可配置电瓶车、电动汽车、电动设备及工具驱动电源的电池即为工具提供动力来源的电池，通常也包括军事(潜艇、高级智能机器人等）及企业和事业单位使用的蓄能电池设备、通讯指挥系统的常备电源等。 动力电池特点 高能量（EV）和高功率（HEV）； 高能量密度； 高倍率部分荷电状态下（HRPSOC）的循环使用（HEV）； 工作时候的温度范围宽（一30~65℃）； 常规使用的寿命长，要求510年； 安全可靠。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege2.动力电池概述 动力电池分类根据动力电池的特点、要求、应用领域不相同，国内外动力电池的研发种类大致为： 铅酸电池 镍镉/镍氢电池 锂离子电池 燃料电池动力电池之所以成为当今世界的研究热点，主要由于私家车大量增加，环境污染日益加剧；同时石油资源匮乏，迫使世界各国寻找新能源，发展新的交通工具，因此，动力电池和电动交通工具的发展被放在更重要的位置。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege3.动力电池应用领域 电动工具类XiangyangAutovocationaltechnicalcollege3.动力电池应用领域 低速电动交通工具XiangyangAutovocationaltechnicalcollege3.动力电池应用领域 电动汽车XiangyangAutovocationaltechnicalcollege 风光储能用一个电化学接口（又称：保护线路板）将风力发电机、太阳能板、锂离子电池和LED环保节能灯（或其它用电装置）有机地链结在一起，实现风电光互补一体化智能储能供电系统。3.动力电池应用领域XiangyangAutovocationaltechnicalcollege UPS电源UPS即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。大多数都用在给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备如电磁阀、压力变送器等提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。3.动力电池应用领域XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.电动车用动力电池现状为减少对石油的依赖程度，控制环境污染和温室效应，电动车作为一种绿色交通工具，它的开发正在受到各国的重视。电池是电动车的心脏，电动汽车的开发重点是动力电池的竞争，但由于目前动力电池的比能量不够高、充电时间长、一次充电行程短、安全性差、电池成本高等原因，尚不能得到大范围推广，所以电动车用动力电池的发展成了电动车发展的瓶颈。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege 铅酸蓄电池铅酸蓄电池是1859年由普兰特发明的，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有非常大的优势。这是因为其有如下优点 价格低、原材料丰富 开路电压高 安全可靠性高 大电流放电 环境和温度适应范围宽 铅回收效率高4.电动车用动力电池现状XiangyangAutovocationaltechnicalcollege但铅酸蓄电池随着充放电次数的增加，容量会逐渐衰减，而且比能量较少，比功率较小，生产的全部过程会造成污染。在电动车需求的刺激下，铅酸电池的研究取得了很大的进展，但是电动车动力使用任然面临巨大的挑战，即必须在3个问题上有待提升： 提高比能量和比功率 提高循环寿命 提高快速充电能力未解决电动车用铅酸电池的三大技术难关，国际铅锌研究组织与1992年发起成立的先进铅酸电池联合会（ALABC）通过两个阶段的攻关开发，电动车用铅酸电池取得重大进展4.电动车用动力电池现状XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.电动车用动力电池现状XiangyangAutovocationaltechnicalcollege 镍镉电池镍镉电池属于碱性蓄电池，与酸性蓄电池相比，容器和极板的强度高，寿命长，无硫化现象，工作可靠，耐强电流放电。缺点是内阻大，价格高，镉是重金属，生产的全部过程对环境造成污染。法国阿尔斯通电器公司下属的专门生产镍镉电池的子公司SAFT，生产的阳极烧结式、阴极粘结式电池是世界上水平最高的，该电池比能量为54Wh/kg，常规使用的寿命可达2000次以上，可大电流放电，容量可达到100Ah4.电动车用动力电池现状XiangyangAutovocationaltechnicalcollege 镍氢电池4.电动车用动力电池现状镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，常规使用的寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。镍氢电池现主要使用在于混合电动车。2011年HEV市场占56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%，无绳电线%。世界镍氢电池主要由中国和日本公司制作，占全球产量的95%以上。我国镍氢电池增长乏力，近几年的产品产值、产量均未超过2008年的高峰。2011年，镍氢电池的产值、产量分别为55亿元、9.5亿只，与2008相比分别下降15.38%、26.36%。产品规模的缩小使得镍氢电池更不具规模经济，未来情景堪忧，其发展空间仍然取决于混合电动车的应用情况。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege 锂离子电池4.电动车用动力电池现状锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要是依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.电动车用动力电池现状锂离子电池作为车载动力也慢慢的变成了国内外开发的热点，原因是电池作为车载动力与铅酸电池、镍氢电池相比有如下优点： 工作电压高，单体电压可达到3.6V，是镍氢电池的3倍； 体积小，重量轻，相同容量积比镍氢电池小，质量是铅酸电池的1/4; 单位体积内的包含的能量高，是镍氢电池的两倍，铅酸电池的4倍； 循环寿命长 无污染、电池材料没有有毒物质 工作时候的温度范围宽：-40-70℃； 无记忆效应； 储存期长XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.电动车用动力电池现状锂离子电池以其优越的特性被作为未来电动车最主要的候选动力源，是目前竞争研究热点，但是安全性一直是制约锂离子电池发展的技术难题。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.电动车用动力电池现状XiangyangAutovocationaltechnicalcollege4.电动车用动力电池现状综上所述：对常用车用动力电池的特性做如下比较。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege 燃料电池4.电动车用动力电池现状燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。目前燃料电池技术尚未完全成熟且质子交换膜和用作催化剂的Pt，价格昂贵，导致制造成本过高，短期内实现商业化的可能性不是很大。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege5.电动车用动力电池发展的新趋势 铅酸蓄电池铅酸电池虽便宜，并在叉车、观光车或者短途公共汽车上作为动力源应用，但新一代铅酸电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸电池来驱动在高速上行驶的电动汽车是不实际的，但价格上的优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车（如观光车）中仍占一席之地。然而，近期美国的“下一代电池和电动车”中有一种超级电池（ultrabattery）是超级电容器与铅酸电池的并联使用。这种电池具有双电层电容器的高比功率、长寿命以及铅酸电池价格实惠公道的优势，将具有市场竞争力。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege5.电动车用动力电池发展的新趋势 镍氢电池镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点；但由于需要大量使用镍和钴其成本比较高，镍钴的稀缺性会导致其大批生产和使用时价格反而会上涨。目前，它仍然大量地应用于混合动力车，随着锂离子电池的大规模生产和成本的降低，镍氢电池终将退出。日本丰田汽车公司宣布最新一代Prius不会再使用镍氢电池而使用锂离子电池。镍氢电池是电动汽车过渡阶段使用的电池，但在近期和中期仍然是最重要的动力电池之一。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege5.电动车用动力电池发展的新趋势 锂离子电池目前市场上的电池中，锂离子电池（锂离子电池和锂高聚合物电池）的性能最好，同质量的锂离子电池其能量是铅酸电池的4～6倍，是镍氢电池的2～3倍。价格和大功率锂离子电池的安全性是它的最主要缺点。锂离子电池的主要原材料为锂，我国的锂矿资源丰富，已探明的锂总储量居世界第二；锂离子也存在于海水中，未来可利用太阳能从海水中提取。此外，锂离子电池具有循环使用的潜力，可解决对原材料的需求问题。最终锂离子电池的价格在大规模商业化之后会下降。实际上，国内外慢慢的变多的汽车厂家选择锂离子电池作为电动汽车的动力电池，锂离子电池技术方面的研究也在不断地取得突破。近期在钒基磷酸盐锂电池技术上取得了进展，此种锂离子电池将比目前大范围的应用的磷酸铁锂电池具有更高的功率和更好的车辆应用性能。对于锂离子电池技术最大的挑战是继续扩大电池容量，同时保证安全性和循环次数不受影响，并减少相关成本。此外，电动汽车电池的快速充放电能力对于它未来作为风电和太阳能等新能源发电的备用很重要。XiangyangAutovocationaltechnicalcollege5.电动车用动力电池发展的新趋势 燃料电池燃料电池电动汽车要得到市场的认可，还有一段漫长的路要走，根本原因在于： 成本价格太高，目前每台燃料电池轿车需要100-200万美元，普通轿车只需要1.8-2万美元，相差50-100倍。 燃料电池系统常规使用的寿命太短，目前只有2-4个月 燃料电池系统的可靠性和环境适应能力尚有不少问题； 虽然燃料电池堆的功率密度能做到1KW/L，但整个燃料电池发动机系统的比功率只有75-100W/L；要消除上述这么大的差距，不是一两年的事，还需要回到基础研究中，随着科学技术的持续不断的发展，才能最终实现这一目标。

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