單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),2021/3/6,#,電動(dòng)汽車技術(shù),動(dòng)力電池,Harbin,University of Science and Technology,5.1,概述,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),5.3,電動(dòng)車輛對(duì)電池性能的要求,5.4,鋰離子動(dòng)力電池,5.5,其他電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池,5.6,本章小結(jié),主要內(nèi)容,5.1,概述,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),5.3,電動(dòng)車輛對(duì)電池性能的要求,5.4,鋰離子動(dòng)力電池,5.5,其他電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池,5.6,本章小結(jié),主要內(nèi)容,5.1,電池概述,鄭殿宇,鄭殿宇,1859,年法國(guó)科學(xué)家,普蘭特,發(fā)明的鉛酸電池是世界上第一個(gè)可充電的電池，而鋰離子電池在,20,世紀(jì),90,年代出現(xiàn)鋰離子電池,分類,鈷酸,鋰鋰離子電池,錳酸鋰鋰離子電池,三,元材料鋰離子電池,按正極材料,按電解質(zhì),材料,液態(tài)鋰離子電池,聚合物鋰離子電池,目前鋰電池存在的問(wèn)題,能量密度低,充電時(shí)間長(zhǎng),電池價(jià)格昂貴,汽車電動(dòng)輔助系統(tǒng)的使用受限：,目前：,200Wh/kg,未來(lái)：,300wh/kg,而汽油可達(dá)到：,1000012000wh/kg,:,一般需要,35,小時(shí),空調(diào)，動(dòng)力轉(zhuǎn),向,、制動(dòng)系統(tǒng),5.1,概述,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),5.3,電動(dòng)車輛對(duì)電池性能的要求,5.4,鋰離子動(dòng)力電池,5.5,其他電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池,5.6,本章小結(jié),主要內(nèi)容,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),鄭殿宇,鄭殿宇,1.,電壓,開(kāi)路電壓,：,即電池開(kāi)路時(shí)，正負(fù)極之間的,電位差,。

開(kāi)路電壓與電池的荷電狀態(tài)有關(guān)理論電壓,：即,電池的電動(dòng)勢(shì),，是電池正極理論電動(dòng)勢(shì)與負(fù)極理論電動(dòng)勢(shì)之差負(fù)載電壓,：電池輸出電流時(shí)兩極間的電位差標(biāo)稱電壓,：在規(guī)定條件下電池工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓終止電壓,：即電池放電終止時(shí)的電壓2.,放電,制度,電池的放電制度是指電池放電時(shí)所規(guī)定的,放電速度、放電溫度和終止電壓,放電,速度,：,通常,稱為放電率，以,放電時(shí)率,和,放電倍率,來(lái)表示是以放電時(shí)間的長(zhǎng)短或放電電流的大小來(lái)表示電池的放電速度，即在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)或以恒定的電流值放電，使電池放出全部的額定容量放電,溫度,:,放電,時(shí)電池,所處的環(huán)境溫度,，稱為放電溫度在放電或充電開(kāi)始時(shí)，電池的溫度稱為初始溫度終止電壓,:,當(dāng),達(dá)到電池放電截止條件時(shí)，終止對(duì)電池的放電稱為,放電截止,放電截止可以有效地保護(hù)電池，防止電池出現(xiàn)過(guò)放電,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),鄭殿宇,鄭殿宇,3,.,容量,電池的容量是指充滿電的電池在指定的條件下放電到終止電壓時(shí)輸出的電量，單位為,Ah,理論容量,：,假定,電池中的活性物質(zhì)全部參加成流反應(yīng)，根據(jù)法拉第定律計(jì)算所能給出的電量理論容量是電池容量的最大極限值電池實(shí)際放出的容量只是理論容量的一部分。

i,小時(shí)率放電容量,：,在,恒流放電的條件下，正好用,i,小時(shí)把充滿電的電池放電到終止電壓時(shí)能夠放出的電量通常用 表示通常啟動(dòng)電池用，牽引電池用，電動(dòng)汽車用電池用 表示額定容量,：,是在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的電量額定容量是制造廠標(biāo)明的安時(shí)容量，作為驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要指標(biāo)我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，使用,3,小時(shí)率放電容量來(lái)定義電動(dòng)道路車輛用動(dòng)力蓄電池的額定容量實(shí)際容量,：,指的是充滿電的電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于,放電電流和放電時(shí)間的乘積,剩余電量,：,是指電池經(jīng)過(guò)使用后，在指定的放電率和溫度狀態(tài)下可以從電池中放出的電量5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),鄭殿宇,鄭殿宇,4.,能量,電池的能量是指在按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電制度下，電池所輸出的電能，單位為,瓦時(shí)（,Wh,）,或,千瓦時(shí)（,kWh,）,5,.,能量密度,電池的能量密度,有,質(zhì)量能量密度,和,體積能量密度,之分，質(zhì)量能量密度是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位為,瓦時(shí),/,千克（,Wh/kg,），,體積能量密度是指電池單位體積所能輸出的電能，單位為,瓦時(shí),/,升（,Wh/L,）,6.,功率與功率密度,電池的功率,是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為,瓦（,W,）或千瓦（,kW,）,單位,質(zhì)量的電池輸出的功率稱為質(zhì)量功率密度,，,單位為,W/kg,。

單位體積的電池輸出的功率稱為體積功率密度，單位為,W/L,比功率的大小表征電池所承受的工作電流的大小，是體現(xiàn)電池性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),鄭殿宇,鄭殿宇,7,.,荷電狀態(tài),電池的荷電狀態(tài),（,State of Charge,，,SOC,）描述電池剩余容量占額定容量的百分比工作過(guò)程中電池的荷電狀態(tài)由,式計(jì)算式中，,SOC0,為電池的初始,SOC,；,Ibat,為,t,時(shí)刻電池的工作電流，充電時(shí)為正，放電時(shí)為負(fù)，單位為,A,；,t,為充放電時(shí)間，單位為,h,；,C,為電池的額定容量，單位為,Ah,8,.,荷電狀態(tài),電池的放電深度,（,Depth of Discharge,DOD,）是電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容量的比值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),9.,充電效率,在規(guī)定條件下，蓄電池放電期間給出的容量與恢復(fù)到放電前的狀態(tài)所需充電電量之比，稱為,充電效率,10.,電池,失效與記憶效應(yīng),在規(guī)定條件下，當(dāng)電池達(dá)不到預(yù)定特性水平工作時(shí)，稱為,電池失效,可分為,可逆失效（暫時(shí)失效）和不可逆失效（永久失效）,電池失效后可用一般的恢復(fù)性措施重新恢復(fù)其性能時(shí)，稱為,可逆失效,。

若不能恢復(fù)，稱為,不可逆失效,電池長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后，自動(dòng)保持這一特定的電性能傾向，稱為記憶效應(yīng)11.,內(nèi)阻,內(nèi)阻是指電流通過(guò)電池時(shí)所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)的極化電阻兩部分其他電池參數(shù)還有,低溫放電能力，循環(huán)使用壽命，貯存，抗濫用能力,5.1,概述,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),5.3,電動(dòng)車輛對(duì)電池性能的要求,5.4,鋰離子動(dòng)力電池,5.5,其他電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池,5.6,本章小結(jié),主要內(nèi)容,鄭殿宇,5.3,電動(dòng)車輛,對(duì)電池性能的,要求,5.3.1,純電動(dòng)汽車對(duì)電池的要求,1,電池組要有足夠高的能量,2,系統(tǒng)具有較高的輸出功率3,需要能承受較大的回饋制動(dòng)電流,4,在深度放電情況下循環(huán)壽命長(zhǎng)，必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷功率和全放電,5,電池組體積和重量大，電池箱的設(shè)計(jì)、空間布置和安裝需認(rèn)真研究鄭殿宇,5.3,電動(dòng)車輛,對(duì)電池性能的,要求,5.3.2,混合動(dòng)力,電動(dòng)汽車,（,HEV,）,對(duì),電池的要求,從,HEV,的使用特點(diǎn)可以看出，電池是一個(gè)功率輔助系統(tǒng)，大部分放電是以大電流進(jìn)行的，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重注意功率性能HEV,循環(huán)幾乎不要求電池完全充電或完全放電，所以多支電池一起應(yīng)用通常存在的,問(wèn)題較少,。

主要問(wèn)題是電池的失效、整體的可靠性及電流分布，以及大電流長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)下的溫度控制,混合,電動(dòng)汽車對(duì)電源系統(tǒng)的總體要求如下,：,1,對(duì)電池系統(tǒng)功率的要求與純電動(dòng)汽車相似，但容量要更低,2,電池組瞬時(shí)提供的功率要滿足汽車加速或爬坡要求,3,電池的峰值功率要求大，能短時(shí)大功率放電,4,較高的瞬間回饋功率,5,循環(huán)壽命要長(zhǎng),6,較高的能量效率,7,電池的,SOC,應(yīng)保持在,30%,80%,8,需配備電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng),5.3,電動(dòng)車輛,對(duì)電池性能的,要求,5.3.2,插電式混合動(dòng)力,電動(dòng)汽車,（,PHEV,）,對(duì),電池的要求,PHEV,與,HEV,最大的兩個(gè)差異是,：,第一，,PHEV,的電池容量較大，可以靠電力行駛較遠(yuǎn)的距離，燃油使用量與溫室氣體排放量都較低；第二，,PHEV,除了以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行充電外，也可以用家用外接電源充電與純電動(dòng)汽車的最大差異是,：,具有混合電動(dòng)模式，使用的電池容量要比純電動(dòng)車的低，但功率要求高，在較低,SOC,時(shí)需要能承受較大電流的充電或放電所以，對(duì)于,PHEV,用電池，主要應(yīng)當(dāng)有以下特點(diǎn),PHEV,對(duì)電池的要求,性能,壽命,可靠的管理系統(tǒng),成本,HEV,用動(dòng)力電池必須具有足夠高的能量密度和功率密度,電池要能在,SOC,從,100%,到,20%,深放電工作時(shí)，保證有很長(zhǎng),的循環(huán)壽命,數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估計(jì)、能量管理、熱管理,、安全管理,和通信功能，其他擴(kuò)展功能包括充電管理、數(shù)據(jù)顯示,、能量,管理和故障診斷等。

電池成本必須低到使用時(shí)的花費(fèi)能夠彌補(bǔ)購(gòu)置時(shí)的費(fèi)用,5.1,概述,5.2,動(dòng)力電池基本術(shù)語(yǔ),5.3,電動(dòng)車輛對(duì)電池性能的要求,5.4,鋰離子動(dòng)力電池,5.5,其他電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池,5.6,本章小結(jié),主要內(nèi)容,5.4,鋰,離子動(dòng)力電池,鄭殿宇,儲(chǔ)存和循環(huán)壽命長(zhǎng),荷電保持能力強(qiáng),環(huán)境污染小,無(wú)記憶效應(yīng),工作溫度范圍廣,電壓高,鋰離子電池優(yōu)點(diǎn),鋰,離子電池的單節(jié)電壓為,3.6V,，而,MH-Ni,電池為,1.2V,在,優(yōu)良的環(huán)境下，可以儲(chǔ)存,5,年,以上,當(dāng),溫度為（,205,）時(shí)，在開(kāi)路狀態(tài)下儲(chǔ)存,30,天后，電池常溫放電容量為額定容量的,85%,在,鋰離子電池中,不含鎘、鉛、汞,等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境污染低,可,反復(fù)充放電,使用,鋰,離子電池通常在,-2060,的范圍內(nèi)正常工作，但溫度變化對(duì)其放電容量影響很大5.4,鋰,離子動(dòng)力電池,鋰離子電池缺點(diǎn),鋰離子電池的內(nèi)阻較大,充放電電壓范圍寬,與普通電池相容性差,管理系統(tǒng)復(fù)雜,過(guò)充能力差,由于,鋰離子電池的電解液為,有機(jī)溶劑,，其電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于,MH-Ni,和,Cd-Ni,電池的水性電解液,必須,設(shè)計(jì)特殊的保護(hù)電路來(lái)防止,過(guò)充電和過(guò)放電,由于,電壓相差較大,的緣故,必須,管理到每一節(jié)電池，否則一旦有一節(jié)電池,過(guò)充,就會(huì)造成整組電池失效或安全性問(wèn)題,當(dāng),充電電壓高,過(guò)一定值的時(shí)候，電解質(zhì)會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生大量熱電池失效,5,.4.1,鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,鄭殿宇,鄭殿宇,正極反應(yīng),負(fù),極反應(yīng),充電,過(guò)程中,，,Li,+,從正極脫嵌經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到碳負(fù)極，保持負(fù)極的電平衡。

放電,時(shí)則相反，,Li,+,從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入到正極，正極處于富鋰,態(tài),鄭殿宇,鄭殿宇,5,.4.1,鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,電池總反應(yīng),式中：,M,表示金屬離子，,X,表示陰離子基團(tuán),鋰離子電池的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)（以,LiFePO,4,為例）和外形如圖,鄭殿宇,鄭殿宇,5.4.2,鋰離子電池的失效機(jī)理,正極材料的溶解,以尖晶石,LiMn,2,O,4,為例，,Mn,的溶解是引起,LiMn,2,O,4,可逆容量衰減的主要原因Mn,的溶解沉積造成正極活性物質(zhì)減少；溶解的,Mn,游離到負(fù)極時(shí)會(huì)造成,負(fù)極,SEI,（,Solid Electrolyte Interface,，,SEI,）膜,的不穩(wěn)定，被破壞的,SEI,膜再形成時(shí)會(huì)消耗鋰離子，造成鋰離子的減少,正極材料的相變化,:,鋰,離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹和收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體構(gòu)型這種現(xiàn)象叫做,Jahn-Teller,效應(yīng)（或,J-T,扭曲）,在,LiMn,2,O,4,電池中，,J-T,效應(yīng)所導(dǎo)致的尖晶石結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變，也是容量衰減的主要原因之一,造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有,鄭殿宇,鄭殿宇,5.4.2,鋰離子電池的失效機(jī)理,電解液的分解,鋰,離子電池中常用的電解液主要包括由各種,有機(jī)碳酸酯,（如,PC,、,EC,、,DMC,、,DEC,等）的混合物組成的溶劑以及由,鋰鹽,（如,LiPF,6,、,LiClO,4,、,LiAsF,6,等）組成的電解質(zhì)。

在充電的條件下，電解液對(duì)含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)電解液還原消耗了電解質(zhì)及其溶劑，會(huì)對(duì)電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響,過(guò)充電造成的容量損失,電池在過(guò)充電時(shí)，會(huì)造成負(fù)極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧的損失這些副反應(yīng)或者消耗了活性物質(zhì)，或者產(chǎn)生不溶物質(zhì)堵塞電極孔隙，或者正極氧損失，這些都會(huì)導(dǎo)致電池容量衰減。