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电动汽车动力电池组成剖析

出处:电子发烧友网 发布于:2018-01-03 16:11:35 | 444 次阅读

电动汽车电池简介

电动汽车电池分两大类,蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车,包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池。

燃料电池专用于燃料电池电动汽车,包括碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC )、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC )、直接甲醇燃料电池(DMFC )。

电动汽车电池功能

随着电动汽车的种类不同而略有差异。在仅装备蓄电池的纯电动汽车中,蓄电池的作用是汽车驱动系统的惟一动力源。而在装备传统发动机(或燃料电池)与蓄电池的混合动力汽车中,蓄电池既可扮演汽车驱动系统主要动力源的角色,也可充当辅助动力源的角色。可见在低速和启动时,蓄电池扮演的是汽车驱动系统主要动力源的角色;在全负荷加速时,充当的是辅助动力源的角色;在正常行驶或减速、制动时充当的是储存能量的角色。

电动汽车动力电池组成剖析

电动汽车电池组成

燃料电池由阳极、阴极、电解质和隔膜构成。燃料在阳极氧化,氧化剂在阴极还原。如果在阳极(即外电路的负极,也可称燃料极)上连续供给气态燃料(氢气),而在阴极(即外电路的正极,也可称空气极)上连续供给氧气(或空气),就可以在电极上连续发生电化学反应,并产生电流。由此可见,燃料电池与常规电池不同,它的燃料和氧化剂不是储存在电池内,而是储存在电池外部的储罐中。当它工作(输出电流并做功)时,需要不间断地向电池内输人燃料和氧化剂并同时排出反应产物。因此,从工作方式上看,它类似于常规的汽油或柴油发电机。由于燃料电池工作时要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂,所以燃料电池使用的燃料和氧化剂均为流体(气体或液体)。最常用的燃料为纯氢、各种富含氢的气体(如重整气)和某些液体(如甲醇水溶液),常用的氧化剂为纯氧、净化空气等气体和某些液体(如过氧化氢和硝酸的水溶液等)。

燃料电池阳极的作用是为燃料和电解液提供公共界面,并对燃料的氧化产生催化作用,同时把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再向外电路传输。阴极(氧电极)的作用是为氧和电解液提供公共界面,对氧的还原产生催化作用,从外电路向氧电极的反应部位传输电子。由于电极上发生的反应大多为多相界面反应,为提高反应速率,电极一般采用多孔材料并涂有电催化剂。

电解质的作用是输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子,并能阻止电极间直接传递电子。隔膜的作用是传导离子、阻止电子在电极间直接传递和分隔氧化剂与还原剂。因此隔膜必须是抗电解质腐蚀和绝缘的物质,并具有良好耐润湿性。

电池组

电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池,充电到4.2V的锂离子电池而言,这样的电池组可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池,每次都对整个电池组进行充电和放电,但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池,那么经过多个充电/放电周期后,其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡,那么它最终将进入深度放电状态,从而导致损坏,并最终形成电池组故障。为防止这种情况发生,每个电池的电压都必须监视,以确定充电状态。此外,必须有一个装置让电池单独充电或放电,以平衡这些电池的充电状态。

电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC板内的通信而言,常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线,每种总线的通信开销都很低,适用于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网(CAN)总线,这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN总线非常鲁棒,具有误差检测和故障容限特性,但是它的通信开销很大,材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主CAN总线的连接是值得要的,但在电池组内采用SPI或I2C通信是有优势的。

私人购买新能源汽车补贴标准出台后,部分试点城市的“再补贴”政策也随即出台,新能源汽车消费正逐步启动。面对广阔的市场前景,国家电网、南方电网、中海油、中石化等巨头纷纷跑马圈地,各地掀起一股兴建充电站的风潮。

截至目前,上海漕溪、深圳龙岗、成都石羊、唐山南湖、延安、郑州、南宁等地已经建成、在建或近期将开建大量的充电站,其中上海计划在三年内达到5000个充电桩的规模;长春计划三年内建成15个充电站和5000个充电桩……电池尺寸、充电接口是否统一?电池质量能否过关?快速充电对电池的损害究竟有多大?等一系列问题开始暴露出来。

电动汽车电池基本分类

电动汽车用电池为化学电源,它的分类方法很多。按电解液分为:

a. 碱性电池。即电解液为碱性水溶液的电池;

b. 酸性电池。即电解液为酸性水溶液的电池;

c. 中性电池。即电解液为中性水溶液的电池;

d. 有机电解质溶液电池。即电解液为有机电解质溶液的电池。

按活性物质的存在方式分为:

a. 活性物质保存在电极上。可分为一次电池(非再生式,原电池)和二次电池(再生式,蓄电池);

b. 活性物质连续供给电极。可分为非再生燃料电池和再生燃料电池。

按电池的某些特点分为:

a. 高容量电池;

b. 免维护电池;

c. 密封电池;

d. 燃结式电池;

e. 防爆电池;

f. 扣式电池、矩形电池、圆柱形电池等。

尽管由于化学电源品种繁多,用途广泛,外形差别大,使上述分类方法难以统一,但习惯上按其工作性质及存贮方式不同,一般分为四类:

一次电池

一次电池,又称“原电池”,即放电后不能用充电的方法使它复原的电池。换言之,这种电池只能使用一次,放电后电池只能被遗弃了。这类电池不能再充电的原因,或是电池反应本身不可逆,或是条件限制使可逆反应很难进行。如:

锌锰干电池 Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2(C)

锌汞电池 Zn│KOH│HgO

银锌电池 Zn│KOH│Ag2O

二次电池

二次电池,又称“蓄电池”, 即放电后又可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电,且可反复多次循环使用的一类电池。这类电池实际上是一个化学能量贮存装置,用直流电将电池充足,这时电能以化学能的形式贮存在电池中,放电时,化学能再转换为电能。如:

铅酸电池 Pb│H2SO4│PbO2

镍镉电池 Cd│KOH│NiOOH

镍氢电池 H2│KOH│NiOOH

锂离子电池 LiCoO2│有机溶剂│6C

锌空气电池 Zn│KOH│O2(空气)

电动汽车动力电池组成剖析

贮备电池

贮备电池,又称“激活电池”,是正、负极活性物质和电解液不直接接触,使用前临时注入电解液或用其他方法使电池激活的一类电池。这类电池的正、负极活性物质的化学变质或自放电,因与电解液的隔离而基本上被排除,从而使电池能长时间贮存。如:

镁银电池 Mg│MgCl2│AgCl

钙热电池 Ca│LiCl-KCl│CaCrO4(Ni)

铅高氯酸电池 Pb│HclO4│PbO2

燃料电池

燃料电池,又称“连续电池”,即只要活性物质连续地注入电池,就能长期不断地进行放电的一类电池。它的特点是电池自身只是一个载体,可以把燃料电池看成一种需要电能时将反应物从外部送入电池的一种电池。如:

氢燃料电池 H2│KOH│O2

肼空燃料电池 N2H4│KOH│O2(空气)

必须指出,上述分类方法并不意味着某一种电池体系只能分属一次电池、二次电池、贮备电池或燃料电池。恰相反,某一种电池体系可以根据需要设计成不同类型的电池。如锌银电池,可以设计成一次电池,也可以设计成二次电池,或贮备电池。


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电动汽车电池的性能参数

化学电池品种繁多,性能各异。常用以表征其性能的指标有:电性能、机械性能、贮存性能等,有时还包括使用性能和经济成本。我们主要介绍其电性能和贮存性能。电性能包括:电动势、额定电压、开路电压、工作电压、终止电压、充电电压、内阻、容量、比能量和比功率、贮存性能和自放电、寿命等。贮存性能主要取决于电池的自放电大小。

⑴ 电动势

电池的电动势,又称电池标准电压或理论电压,为电池断路时正负两极间的电位差。电池的电动势可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算而得。

⑵ 额定电压

额定电压(或公称电压),系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。例如,锌锰干电池为1.5V,镍镉电池为1.2V,铅酸蓄电池为2V,锂离子电池为3.6V。

⑶ 开路电压

电池的开路电压是无负荷情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势。必须指出,电池的电动势是从热力学函数计算而得到的,而电池的开路电压则是实际测量出来的。

⑷ 工作电压

系指电池在某负载下实际的放电电压,通常是指一个电压范围。例如,铅酸蓄电池的工作电压在2V~1.8V;镍氢电池的工作电压在1.5V~1.1V;锂离子电池的工作电压在3.6V~2.75V。

⑸ 终止电压

系指放电终止时的电压值,视负载和使用要求不同而异。以铅酸蓄电池为例:电动势为2.1V,额定电压为2V,开路电压接近2.15V,工作电压为2V~1.8V,放电终止电压为1.8V~1.5V(放电终止电压根据放电率的不同,其终止电压也不同)。

⑹ 充电电压

系指外电路直流电压对电池充电的电压。一般的充电电压要大于电池的开路电压,通常在一定的范围内。例如,镍镉电池的充电压在1.45V~1.5V;锂离子电池的充电压在4.1V~4.2V;铅酸蓄电池的充电压在2.25V~2.5V。

⑺ 内阻

蓄电池的内阻包括:正负极板的电阻,电解液的电阻,隔板的电阻和连接体的电阻等。

a. 正负极板电阻

目前普遍使用的铅酸蓄电池正、负极板为涂膏式,由铅锑合金或铅钙合金板栅架和活性物质两部分构成。因此,极板电阻也由板栅电阻和活性物质电阻组成。板栅在活性物质内层,充放电时,不会发生化学变化,所以它的电阻是板栅的固有电阻。活性物质的电阻是随着电池充放电状态的不同而变化的。

当电池放电时,极板的活性物质转变为硫酸铅(PbSO4),硫酸铅含量越大,其电阻越大。而电池充电时将硫酸铅还原为铅(Pb),硫酸铅含量越小,其电阻越小。

b. 电解液电阻

电解液的电阻视其浓度不同而异。在规定的浓度范围内一旦选定某一浓度后,电解液电阻将随充放电程度而变。电池充电时,在极板活性物质还原的同时电解液浓度增加,其电阻下降;电池放电时,在极板活性物质硫酸化的同时电解液浓度下降,其电阻增加。

c. 隔板电阻

隔板的电阻视其孔率而异,新电池的隔板电阻是趋于一个固定值,但随电池运行时间的延长,其电阻有所增加。因为,电池在运行过程中有些铅渣和其他沉积物在隔板上,使得隔板孔率有所下降而增加了电阻。

d. 连接体电阻

连接体包括单体电池串联时连接条等金属的固有电阻,电池极板间的连接电阻,以及正、负极板组成极群的连接体的金属电阻,若焊接和连接接触良好,连接体电阻可视为一固定电阻

每只电池所呈现的内阻就是上述物体电阻的总和,电池内阻R与电动势、端电压及放电电流的关系:Rs=(E-Uf)÷If

电池的内阻在放电过程中会逐渐增加,而在充电过程中则逐渐减小。所以,电池在充放电过程中,端电压也会因其内阻的变化而变动。故端电压在放电时低于电池的电动势,充电时又高于电池的电动势。

⑻ 容量

电池的容量单位为库仑(C)或安时(Ah)。表征电池容量特性的专用术语有三个:

a. 理论容量。系指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量。通常,理论上1电化当量物质将放出1法拉第电量,即96500C或26.8Ah(1电化当量物质的量,等于活性物质的原子量或分子量除以反应的电子数)。

b. 额定容量。系指在设计和生产电池时,规定或保证在指定放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。

c. 实际容量。系指在一定的放电条件下,即在一定的放电电流和温度下,电池在终止电压前所能放出的电量。

电池的实际容量通常比额定容量大10%~20%。

电池容量的大小,与正、负极上活性物质的数量和活性有关,也与电池的结构和制造工艺与电池的放电条件(电流、温度)有关。

影响电池容量因素的综合指标是活性物质的利用率。换言之,活性物质利用得越充分,电池给出的容量也就越高。

活性物质的利用率可以定义为:利用率=(电池实际容量/电池理论容量)&TImes;100%,或,利用率=(活性物质理论用量/活性物质实际用量)&TImes;100%。

⑼ 比能量和比功率

电池的输出能量是指在一定的放电条件下,电池所能作出的电功,它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积,其单位常用瓦时(Wh)表示。

电池的比能量有两种。一种叫重量比能量,用瓦时/千克(Wh/kg)表示;另一种叫体积比能量,用瓦时/升(Wh/L)表示。比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量。它的比较电池性能优劣的重要指标。

必须指出,单体电池和电池组的比能量是不一样的。由于电池组合时总要有连接条、外部容器和内包装层等,故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量。

电池的功率是指在一定的放电条件下,电池在单位时间内所能输出的能量。单位是瓦(W),或千瓦(kW)。电池的单位重量或单位体积的功率称为电池的比功率,它的单位是瓦/千克(W/kg)或瓦/升(W/L)。如果一个电池的比功率较大,则表明在单位时间内,单位重量或单位体积中给出的能量较多,即表示此电池能用较大的电流放电。因此,电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。

⑽ 贮存性能和自放电

电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后,其容量会自行降低,这个现象称自放电。所谓“贮存性能”是指电池开路时,在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。

电池在贮存期间,虽然没有放出电能量,但是在电池内部总是存在着自放电现象。即使是干贮存,也会由于密封不严,进入水份、空气及二氧化碳等物质,使处于热力学不稳定状态的部分正极和负极活性物质构成微电池腐蚀机理,自行发生氧化还原反应而白白消耗掉。如果是湿贮存,更是如此。长期处在电解液中的活性物质也是不稳定的。负极活性物质大多是活泼金属,都会发生阳极自溶。酸性溶液中,负极金属是不稳定的,在碱性溶液及中性溶液中也非十分稳定。

电池自放电的大小,一般用单位时间内容量减少的百分比表示,即:

自放电=(Co-Ct/Cot)&TImes;100%式中:Co──贮存前电池容量,Ah;Ct──贮存后电池容量,Ah;t──贮存时间,用天、周、月或年表示。

自放电的大小,也能用电池贮存至某规定容量时的天数表示,称为贮存寿命。贮存寿命有两种,即干贮存寿命和湿贮存寿命。对于在使用时才加入电解液的电池贮存寿命,习惯上也称为干贮存寿命。干贮存寿命可以很长。对于出厂前已加入电解液的电池贮存寿命,习惯上称为湿贮存寿命(或湿荷电寿命)。湿贮存时自放电严重,寿命较短。如银锌电池的干贮存寿命可达5~8年,但它的湿贮存寿命通常只有几个月。

降低电池中自放电的措施,一般是采用纯度较高的原材料,或将原材料预先处理,除去有害杂质。也可在负极金属板栅中加入氢过电位较高的金属,如Ag、Cd等,还有的在溶液中加入缓蚀剂,目的都是抑制氢的析出,减少自放电反应的发生。

⑾ 寿命

电池的寿命有“干贮存寿命”和“湿贮存寿命”两个概念。必须指出,这两个概念仅是针对电池自放电大小而言的,并非电池的实际使用期限。电池的真正寿命是指电池实际使用的时间长短。

对一次电池而言,电池的寿命是表征给出额定容量的工作时间(与放电倍率大小有关)。

对二次电池而言,电池的寿命分充放电循环寿命和湿搁置使用寿命两种。

充放电循环寿命,是衡量二次电池性能的一个重要参数。经受一次充电和放电,称为一次循环(或一个周期)。在一定的充放电制度下,电池容量降至某一规定值之前,电池能耐受的充放电次数,称为二次电池的充放电循环寿命。充放电循环寿命越长,电池的性能越好。在目前常用的二次电池中,镉镍电池的充放电循环寿命500~800次,铅酸电池200~500次,锂离子电池600~1000次,锌银电池很短,约100次左右。

二次电池的充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电制式等条件有关。所谓“放电深度”是指电池放出的容量占额定容量的百分数。减少放电深度(即“浅放电”),二次电池的充放电循环寿命可以大大延长。

湿搁置使用寿命,也是衡量二次电池性能的重要参数之一。它是指电池加入了电解液后开始进行充放电循环直至充放电循环寿命终止的时间(包括充放电循环过程中电池处于放电态湿搁置的时间)。湿搁置使用寿命越长,电池性能越好。在目前常用的电池中,镉镍电池湿搁置使用寿命2~3年,铅酸电池3~5年,锂离子电池5~8年,锌银电池最短,只有1年左右。

另外,电池的性能还有:低温性能、耐过充电能力、安全性能等。

电动汽车动力电池组成剖析

电动汽车电池充电步骤

当组合仪表上的相应指示图标(黄色)点亮或当仪表剩余点亮小于等于25%时,则此时该纯电动汽车必须进行充电。(注意:充电温度要求0℃—55℃,放电温度要求零下20℃—60℃)

具体操作步骤如下:

1、 车辆应该停放在远离易燃易爆物品的室内,换挡手柄置与“P”挡,拉起手刹,点火开关打到“OFF”。

2、 检查冷却液,确认液位是否正常。检查充电桩插座,确保安全可靠。

3、 充电时,先插上“交流充电线”的供电端;之后,向上提拉驾驶员座椅左侧的开锁开关,打开充电口盖,插入“交流充电线”车辆端。

4、 当组合仪表上图标相应图标(红色)点亮时,表示充电链接装置已经正常连接。当组合仪表上相应图标(黄色)点亮时,表示电动汽车电池已开始充电。

5、 组合仪表相应图标(黄色)熄灭后,表示动力电池已被充满,请先拔去“交流充电线”车辆端,后拔去“交流充电线”供电段,关好充电口,整理好交流充电线。

相关注意事项:

1、 在车载自动启动的温度空盒子相关功能正常的情况下,为缩短充电时间,在车辆充电过程中,不建议使用车载用电设备。

2、 低温情况下的充电,空调会给电池加热的情况属于正常。

3、 如果在电动汽车电池充电过程中遇到故障,请寻求专业人员进行处理,不要私自尝试维修。

故障检测

一、将电动汽车电池充满电后,按照下图把电池、电流表、电阻丝连接好。

1)用万用表测量每一块电池的电压,并将其数值记下,同时记下放电的时间,调整电阻丝使电流表指针指在5A上。

2)在放电过程中应保持电流表始终在5A上,并每隔20分钟测量一次电池电压,同时记下测量值,单只电池电压下降到10.5V时,放电时间不得低于84分钟。

二、电动汽车电池内部断路

有的电池内部断路,表现为电池有电压无电流,整车有电、电机不转,如更换一组新电池后,整车正常,则是电池的问题。

三、充电器绿灯不转换

充电时充电器绿灯不转换,空载时充电器绿灯亮,则一般情况是电池内部缺水或缺稀硫酸所致,将电池上盖打开后,旋下单向阀或安全阀,向电池内注入适量专用补充液(5ml~8ml),充电6-10小时即可转换。

四、电动汽车续行里程短

1)检测电池是否有问题,如无问题则检测下一项。

2)检测整车空载电流和运行电流是否过大,空载电流不应超过1.2安培,运行电流在载重500kg,时速40km/h,平坦水泥或柏油路面行驶时不应大于7.5安培,如出现上述情况则更换控制器或电机再次进行测试。

3)如以上都没有问题,则需要进行路试。

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