混合动力汽车的电能储存装置

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§2-3 混合动力汽车的电能储存装置

教学回顾：

1、串联式混合动力系统的基本结构和控制模式。 2、并联式混合动力系统的基本结构和控制模式。 3、混联式混合动力系统的基本结构和控制模式。 4、丰田普锐斯混联式混合动力系统低油耗的原理。

学习目标：

1、熟悉混合动力汽车电能储存装置的种类。 2、熟悉蓄电池的主要性能指标。 3、熟悉铅酸电池的分类与特点。

4、熟悉镍氢（Ni-MH）电池、锂离子电池的结构组成、工作原理与性能特点。 5、熟悉蓄电池管理系统的功能与组成。

6、熟悉电动汽车的着电池充电器的基本功能与组成。

引言：

在混合动力汽车上，动力蓄电池是一个非常重要的部分，它必须具有强大的能量，

以保证车辆正常行驶需求；同时还还必须具有非常高的安全性。所以本章节我们来一起学习认识下混合动力汽车的电能储存装置。

主要内容：

一、混合动力汽车电能储存装置的种类

混合动力汽车的电能储存装置可以分为二次电池、超级电容和飞轮电池三类。

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1.二次电池

二次电池也称为可充电电池。现代混合动力汽车上的最常见的二次电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、镍一金属氢电池等。

2.超级电容

超级电容又称为电化学含器，是一种新型的、双层面电容器，与常见的物理电容器不同。其特点是电密量大，比物理电含盖的限碳容量高3~4个数量级，达到10F/A以上。

3.飞轮电池

又称为飞轮储能器、高速或超高速飞轮储能器等，是利用飞轮高速旋转储能和释放电能的一种装置。这种电能储存装置目前应用较少。 二、蓄电池主要性能指标

在混合动力汽车上，动力蓄电池必须是具有强大能量的动力电源，除了作为驱动动度源外，还要向空调系统、动力转向系统等提供电力能源。另外有的还要为点火系统、黑明信号系统、刮水器和喷淋器以及车载娱乐和通信设备等装备提供低压电源。

各种蓄电池一般是供给直流电，然后经过变频器或诞变器转换成频率和电压幅值可调的交流电，供给驱动电动机来驱动车辆行驶。在混合动力汽车上蓄电池是辅助电力能源，用作为发动机的辅助动力源，提高整车的动力性能或作为电动机驱动车辆时的电力能源。

1、电压（V) 1)开路电压

电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。 2）额定电压

电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。

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3）终止电压

电池在一定标准所规定的放电条件下放电，电池的电压将逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池最低的工作电压称之为终止电压。

2、电池容量（AH）

1）根据着电池活性物质的特性，按法拉算定律计算出的最高理论值，一般用质量容量（A·h/kg）或体积容量（A·h/L）来表示。

2）实际容量

在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的系积。

3）荷电状态（SOC）

荷电状态是指参加反应电池容量的变化。SOC=1即表示电池为充满状态。随着蓄电池放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时，可以用SOC的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效率区为50%~80%SOC。对SOC精确的实时辨识，是电池管理系统的一个关键技术。

3、能量（W·h、kW·h)

电池的能量决定电动汽车的行驶距离。 1)标称能量

按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量，电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。

2）实际能量

在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。电池的质量包括电池本身结构件质量和电解质质量的总和。

3）比能量（W·h/kg）

指动力蓄电池组单位质量中所能输出的能量。一般混合动力汽车所采用的动力蓄

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电池，要求有较大的比能量。比能量是保证混合动力汽车达到基本合理的行驶里程的重要性能，连续2h放电率的比能量至少不低于44W·h/kg。

4）能量密度（Wh/L）

动力着电池组的能量密度是指动力蓄电池组单位体积中所能输出的能量。 4、功率（W，KW）

在一定的放电条件下，电池在单位时间内所输出的能量，电池的功率决定混合动力汽车的加速性能。一般有：

1）比功率（W/kg） 2）功率密度（W/L） 5、内阻

电流通过电地内部时受到的阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。由于电池的内阻作用，使得电池在放电时端电压低于电动势和开路电压；在充电时的端电压高于电动势和开路电压。

6、循环次数（次）

蓄电池的工作是一个不断充电一放电一充电一放电的循环过程，按一定标准的规定放电，当电池的容量降到某个规定值前，就要停止继续放电，然后就需要充电才能继续使用。在每一个循环中，电池由的化学活性物质要发生一次可逆性的化学反应。

随着充电和放电次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，逐浙削弱其化学功能，使得电池的充电和放电的效率逐渐降低，最后电池损失全部功能而报废。对于混合动力汽车，蓄电池的循环寿命要求不低于1000次。

7、放电倍率（放电率）

一般用电池在放电时间或放电电流与额定电流的比值来表示。 1）放电时率

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电池以某种电流轻度放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的时间。 2）倍率

电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。 8、自放电率

自放电率指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度，自放电率用单位时间（月/年）内电池容量下降的百分数来表示。

9、记忆效应

蓄电池经过长期浅充放电循环后，进行深放电时，表现出明显的容量损失和放电电压下降，经数次全充/放电循环后，电池特性即可恢复的现象。

三、铅酸蓄电池

以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于电池电极是以铅及其氧化物为材料，故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池广泛用于燃油汽车的启动。

铅酸蓄电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类。固定式铅酸蓄电池按电池槽结构分为半密封式与密封式，半密封式又有防酸式与消氢式。依据排气方式，密封式铅酸蓄电池可分为排气式和非排气式两种。

铅酸蓄电池的特点是开路电压高，放电电压平稳，充电效率高，能够在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜。

四、镍氢（Ni-MH）电池

镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，它也是一种碱性电池。有高倍率的放电特性，短时间可以以3C（C为按额定电流放电时的实际放电容量）放

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电。

1.镍氢（Ni-MH）电池的工作原理

镍氢电池的正极，是球状氢氧化镍粉末与添加剂钻等金属、塑料和黏合剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂在正极板上，然后经过干燥处理成发泡的氢氧化镍正极板。在正极材料Ni(OH)2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的改进。采用高分子材料作为黏合剂或用挤压和轧制成的泡沫镍电极，并采用镍粉、石墨等作为导电剂，可以提高大电流时的放电性能。

镍氢电池的负极的关键技术是储氢合金，要求储氢合金能够稳定地经受反复的储气和放气的循环。

电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在电池充电过程中，水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子，氢离子被负极吸收，负极由金属转化为金属氢化物。在放电过程中，氢离子离开了负极，氢氧离子离开了正极，氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。

正极：Ni(OH)2=NOOH+H+e 负极：M+H2O+e=MH+OH 电池总反应：Ni(OH)2+M=NiOOH+MH 2、镍氢电池的结构

镍氢电池由氢氧化镍Ni（OH）2正极、储氢合金负极、隔膜纸、氢氧化钾电解质、外壳、顶盖、密封圈等组成。在正负极之间有隔膜，共同组成镍氢单体电池。在金属铂的催化作用下，完成充电和放电的可逆反应。

3、镍氢电池的特点

保氢电池的单体电池的电压为1.2V，比能量75~80W·h/kg，能量密度达200W·h/L，比功率160~230W/Ag，功率密度400~600W/L，充电18min可恢复40%~80%的容量；

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镍氢电池中没有Pb和Cd等重金属元素，不会对环境造成污染，镍氢电池可以随充随放，且无“记忆效应”。

五、锂离子电池

锂离子电池出现在20世纪90年代初期，在短短十几年的时间里，得到快速发展，被认为是未来极具发展潜力的新型动力蓄电池。与其他蓄电池比较，锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点。

1、锂离子电池的分类

按照锂离子电池的外形形状可分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。 锂离子电池的发展呈现出多方向并举的局面。发展方向的不同主要在于所采用的正极材料的不同，因为正极材料的性能将很大程度地影响电池的性能，同时正极材料也直接决定电池成本的高低。锂离子电池的正极材料的发展引领了锂离子电池的发展。目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂以及磷酸铁锂。但钴金属储量少，价格昂贵。目前应用最广泛的是磷酸铁锂电池和三元聚合物锂电池。

2、锂离子电池的结构

锂离子电池主要由正极（含锂化合物），负极（碳素材料），电解液，隔膜和安全阀等组成。锂离子电池结构如图所示。

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3、锂离子电池的工作原理

锂离子电池使用锤碳化合物（LiC）作负极，锂化过渡金属氧化物（Lih-MQ.）作正极，液体有机溶液或固体聚合物作电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极间往返流动。电化学反应式为：

负极：Li-e-═ Li+ 正极：MnO2+e-═ MnO2- 总反应式：Li+MnO2+═ LiMnO2

电池充电时，正极上锂原子电离成锂离子和电子（脱嵌），锂离子经过电解液运动到负极，得到电子，被还原成锂原子嵌入到碳层的微孔中（插入）。

电池放电时，嵌在负极碳层中的锂原子，失去电子（脱插）成为锂离子，通过电解液，又运动回正极（嵌入）。工作原理如何所示。

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锂电池的充放电过程，也就是锂离子在正负极间不断嵌入和脱嵌的过程，同时伴随着等当量电子的嵌入和脱嵌。锂离子数量越多，充放电容量就越高。

4、锂离子电池特点

锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。 1）工作电压高

锂离子电池工作电压为3.6V，是镍氢和镍镉电池工作电压的3倍。 2）比能量高

锂离子电池比能量已达到300W·h/kg，镍氢电池的3倍。 3）循环寿命长

目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达几万次。 4）自放电率低

锂离子电池月自放电率仅为6%~8%，远低于镍镉电池（25%~30%）和镍氢 5%~20%）。 5）无记忆性

可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。 6）对环境无污染

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锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色”电池。 7）能够制造成任意形状 锂离子电池也有一些不足 1）成本高

主要是正极材料LiCo02的价格高，按单位能量（W·h)的价格来计算，已经低于 氢电池，与镍铜电池持平，但高于铅酸蓄电池。

2）必须有特殊的保护电路，以防止过充和过放。

六、蓄电池管理系统

1.混合动力汽车的电池组管理系统简介

混合动力汽车除动力蓄电池组提供主要电源外，还有发动机、发电机组向动力蓄电池组通过转换器不断地补充电能。

根据电动车辆所采用的电池的类型和动力蓄电池组的组合方法，电池组管理系统主要包括热（温度）管理子系统、电池组管理子系统和线路管理子系统等。如图。

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1）热（温度）管理子系统

混合动力汽车的动力蓄电池在工作时都会有发热现象，不同电池发热程度不一样。为了保证电池的安全和良好的散热，必须对电池的工作温度实时监控，对热量进行管理。

2）电池组管理子系统

电池组管理子系统的作用是对电池的组合、安装、充电、放电、电压、电流、电池中各个电池的不均衡性、电池的热管理和电池的维护等进行监控和管理，提高电池组的工作效率，保证正常工作。

3）线路管理子系统

线路管理子系统管理电池与电池、电池组与电池组之间的线路。在各个电池组之间还需要安装连接导线将各个电池组串联起来，一般在电池组与电池组之间，装有手动和自动断电器，以便在安装、拆卸和检修时切断电流。

2、动力蓄电池组管理系统功能与组成

动力蓄电池组管理系统要承担动力蓄电池组的全面管理，一方面保证动力蓄电池组的正常运作，显示动力蓄电池组的动态响应并及时报警，使驾驶员随时都能掌握电

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池的情况；另一方面要对人身和车辆进行安全保护，避免因电池引起的各种事故。

基本功能：

1）电池管理。监视动力蓄电池组的双向总电压和电流、电池的温度变化，并通过显示屏动态显示总电压、电流、温升的变化，避免电池过充、过放和过热。

2）单节电池管理。监测单节电池的电状态，对单节电池的动态电压和温度进行实时测量，以便及时发现单节电池存在的问题，并采取有效的预防措施。

3）荷电状态的估计和故障诊断。电池管理系统具有荷电状态的估计和故障诊断功能，能有效的反映和显示荷电状态

动力蓄电池管理系统的组成：

综合动力蓄电池组管理系统的各种功能，动力蓄电池管理系统的基本组成如下图所示。

带有温度测量装置的动力蓄电池组管理系统的基本组成如下图所示。它是利用损坏的电池在充电过程中电池温度高于正常电池温度的原理，用温度传感器来测定和监

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控每一个电池在充电过程中温度是否在允许的范围内。如果发现温度异常，SOC显示也不正常时，即向管理系统反馈电池在线的响应信息，并由故障诊断系统预报故障。

八、电动汽车蓄电池充电器

1、蓄电池充电器的基本功能

基本功能由3个，即对市电（世界各国常用交流电频率由50HZ和60HZ两种，民用电压有100V至380V不等）进行电力变换并提供直流电；供给与蓄电池额定条件对应的电力；当蓄电池充满后自动停止充电。

2、动力蓄电池充电器的分类

1)根据充电器所在位置。可分为车载充电器和非车载充电器两种。车载充电器装在车内，一般为小充电率，充电时间较长。因为充电器和电池管理系统都在车上，所以他们相互之间易于利用车内部网络进行通信。非车载充电器一般设计为大功率充电，充电时间短，但质量和体积较大。

2）根据能量转换方式不同。可分为接触式和感应式两种。接触式充电器简单，

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效率高，技术成熟，成本低；感应式充电器方便、快捷，但成本高，且充电时有感应损耗，效率低。

课堂小结

1、混合动力汽车电能储存装置的种类。 2、蓄电池的主要性能指标。 3、铅酸电池的分类与特点。

4、镍氢（Ni-MH）电池、锂离子电池的结构组成、工作原理与性能特点。 5、蓄电池管理系统的功能与组成。

6、电动汽车的着电池充电器的基本功能与组成。

习题册：无

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