CH02-汽车供电技术

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飞轮电池实例：FB的飞轮动能回收系统KERS

技术原理：通过飞轮存储并释放能量 飞轮材质：钢/碳纤维 飞轮质量：5KG 飞轮转速：64500转/分 最大功率：60KW(FIA规定上限) 最大扭矩：130牛.米(理论) 最大能储：400千焦 系统总重：24KG 系统体积：13升 系统效率：65～70%
新型锂电池


锂离子电池(Li+) 锂聚合物电池(Lipoly) 三元锂电池 磷酸铁锂电池：名义电压3.2V，充满3.6V
2.4 其他化学电池
现代电池使用各种化学物质为反应提供能量。典型的化学 电池包括： 锌碳电池——（也称为标准碳电池）所有廉价的AA型、 C型和D型干电池均使用锌碳化学物质。电极为锌和碳， 两极之间采用酸性糊状液体作为电解液。 锌空气电池——此类电池重量轻，并可以充电。 锌汞电池——此类电池通常用于助听器。 锌银电池——由于具备良好的功率重量比，因此此类电 池用于航空航天设备。 金属氯化物电池——此类电池用于电动车。 钠硫电池 …



三、硅整流交流发电机

交流发电构简单、维护方便、寿命长 低速充电性能好 调节器结构简单 无线电干扰小

硅整流器 六个二极管：3个正管子、 3个负管子
锂电池缺点


由于锂离子电池的化学特性，过充电、过放电 和过电流将会导致电池内部发生化学副反应， 会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产 生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸 而导致安全问题 因此所有的锂离子电池都需要一个保护电路， 用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并 在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池 发生损害。
《汽车电子技术》
汽车供电技术
Vehicle Power System
华中科技大学 机械学院 刘伦洪
主要内容
电池 硅整流交流发电机 调节器 42V系统

一、汽车供电系统概述

双电源 直流
电路示例
二、车用电池技术
几个问题：
电池种类有哪些？
铅、镍氢、锂、燃料、太阳能、…
电池都容易爆炸/起火吗？为什么？ 为什么用久了电池容量会变小？ 什么是记忆效应？哪些电池的记忆 效应明显？ 太阳能电池如何？ 电池=零排放？ 如何正确使用电池？如何充电？ 电池的选用主要考虑什么因素？
请问：汽车上起动用铅酸电
池是如何充电的呢？
稳压器14.2V
2.2 镍镉（氢）电池
镍电池 充电方法
充足电后，镍电池电压开始下降，温度和压力迅速上升，为保证电池不过充，需采用定时控制、 电压控制和温度控制待多种方法。 定时控制：根据电池的容量和充电电流，确定所需的充电时间。但由于电池的起始充电状态不完 全相同，只有充电速率小于0.3C时，才允许采用这种方法。 电压控制： 在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。常用的电压控制法有： 最高电压（Vmax） ：电池电压达到最大值时，电池即充足电。缺点是：电池充足电的最高电 压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别，因此采用这 种方法不可能非常准确地判断电池已足充电。 电压负增量（-ΔV）： 电池电压的负增量与电池的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速 率等因素影响，可以比较准确地判断电池已充足电。缺点是：电池电压出现负增量后，电池已 经过充电，因此电池的温度较高。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池。 电压零增量（0ΔV）： 镍氢电池充电器中，通常采用0ΔV控制法。缺点是：充足电以前，电 池电压在某一段时间内可能变化很小，从而造成过早地停止快速充电。为此，目前大多数镍氢 电池快速充电器都采用高灵敏-0ΔV检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。 温度控制。常用的温度控制方法有： 最高温度（Tmax）： 充电过程中，通常当电池温度达到45℃时，应立即停止快速充电。缺点 是：温度检测有一定滞后，且电池的最高工作温度与环境有关。当环境温度过低时，充足电后， 电池温度也达不到45℃。 温升（ΔT） ：为了消除环境影响，可采用温升控制法。当电池的温升达到规定值后，立即停 止快速充电。为了实现温升控制，必须用两只热敏电阻，分别检测电池温度和环境温度。 温度变化率（ΔT/Δt）： 镍氢和镍镉电池充足电后，电池温度迅速上升，而且上升速率ΔT/Δt 基本相同，当电池温度每分钟上升1℃时，应当立即终止快速充电，这种充电控制方法，近年 来被普遍采用。 最低温度（Tmin）： 当电池温度低于10℃时，采用大电流快速充电，会影响电池的寿命。在 这种情况下，充电器应自动转入涓流充电，待电池的温度上升到10℃后，再转入快速充电。 综合控制 为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包 括定时控制、电压控制和温度控制的综合控制法。
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飞轮电池：计算示例


依据右侧公式： 其中

E-能量 J-飞轮转动惯量 ω-角转速 ρ-飞轮材料密度 r –飞轮半径 t – 飞轮厚度

若使用环氧B纤维材料的圆 盘做为飞轮，转速范围 40,000~80,000rpm，转换 效率90%，驱动 1800KG汽 车最高时速120Km/H时，飞 轮半径/厚度仅为： 14cm / 9cm

新型燃料电池

很多实验燃料电池 选用甲醇做燃料。 东芝电子的甲醇燃 料电池，10毫升甲 醇可以听MP3 约60 个小时。

[转]多晶硅太阳能电池的风险

随着石油价格飚升，多晶硅太阳能电池生产企业备受追捧。但主要存在以下严重问题 与风险： 能耗。看似清洁的太阳能电池在制造过程中会造成严重污染。多晶硅主要的传统工艺 有改良西门子法、硅烷法和流化床法，应用最广的是改良西门子法，生产1KW的太阳 能电池约需10公斤的多晶硅，需要消耗电能3000～5000度，约合2吨多煤炭，这些煤 炭发的电足以使一台能耗为1KWH/天的冰箱运行10~20年。
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3.6 3.6 3.6
60 ~ 80
90 ~ 100 100 ~ 110 130 ~ 150
2.5 飞轮电池



飞轮电池是90年代才提出的新概念电池， 用物理方法实现储能。 飞轮旋转时具有动能，而动能可以与电能 相互转换。 飞轮电 池中有一个电机，充电时该电机以 电动机形式运转，带动飞轮高速旋转，即 用电给飞轮电池“充电”；放电时，电机 则以发电机状态 运转，在飞轮的带动下对 外输出电能，完成机械能（动能）到电 能 的转换。 飞轮是在真空环境下运转的，转速极高 （高达200000r/min， 使用的轴承为非接 触式磁轴承。据称，飞轮电池比能呈可达 150W· h/kg，比功率达5000-10000W/kg， 使用寿命长达25年，可供电 动汽车行驶 500万公里。 美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池 成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动 轿车，一次充电可行驶 600km，由到 96km/h加速时间为6.5秒。
普通镍氢电池充电器
智能充电器电路示意
智能充电器电路原理图
2.3 锂电池


锂电池分为一次电池和二次电池两类，目前在部分耗电量较低的 便携式电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而在笔记本 电脑、手机、PDA、数码相机等耗电量较大的电子产品中则使用 可充电的二次电池，即锂离子电池。 与镍镉和镍氢电池相比，锂离子电池具备以下几个优点： 电压高，单节锂离子电池的电压可达到3.6V，远高于镍镉和镍氢 电池的1.2V 电压。 容量密度大，其容量密度是镍氢电池或镍镉电池的1.5-2.5 倍。 荷电保持能力强（即自放电小），在放置很长时间后其容量损失 也很小。 寿命长，正常使用其循环寿命可达到500 次以上。 没有记忆效应，在充电前不必将剩余电量放空，使用方便。

额定容量Qe 起动容量：常温起动容量Qqe、低温 起动容量Qqd 6-QA-100 PbO2+Pb+2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O 电解液配制 充电方法：恒流、恒压 充电种类： 充满电标志

铅蓄电池的型号


铅蓄电池的工作原理


铅蓄电池的维护



铅酸电池的充电


常用充电方法 恒流(CC)充电 恒压(CV)充电 充满电标志 端电压上升到最大值2.7V，且2~3h内电压不下降； 电解液密度上升到最大值，且2~3h内电压不下降； 电解液中出现大量气泡，即“沸腾”
价格、易用、容量、体积、大电流、寿 命、可靠性、…
本节主要内容： 起动用铅酸蓄电池 镍氢(镉)电池 锂电池 其他化学电池 飞轮电池 燃料电池

…
2.1 铅蓄电池

蓄电池的用途

起动时供电 低转速时，供电 高速时储电 负荷增加时，协助供电 吸收浪涌

蓄电池的容量Q(A.H)

污染。每提纯1吨多晶硅就会有8吨以上的四氯化硅产生，以及三氯氢硅、氯气等废
液废气。四氯化硅是一种具有强腐蚀性的有毒有害液体。但国内的多晶硅项目，大多 没有完全掌握尾气/液回收技术。 技术风险。目前多晶硅太阳能电池板的转换效率大多在13%～20%之间。但：美国的 一家公司通过反射镜和棱镜来增加进入电池的阳光，使太阳能电池的转换率超过40%； 索尼公司开发的染料敏化太阳能电池的能量转化率达到10%，其生产成本仅为目前市 场上含硅电池的1/5到1/10。可以看出，技术进步有可能使得传统的工艺和技术面临被 淘汰的命运。 经济风险。70年代石油危机时，依赖原油进口的日本也兴起开发太阳能的热潮，但随 着石油价格的回落，开发太阳能的高成本首先在经济性上败下阵来，开发太阳能的热 潮暂时告一段落。石油、煤炭价格的大幅波动会使得太阳能电池在推广使用上遭遇很 多不确定性。 能源回收期(EPT)。发电系统全寿命周期内所消耗的能量/系统的年平均能量输出， 单位为年，即发电系统几年内能把自己寿命周期内消耗的能量回收回来。如果电池寿 命小于EPT，那就是巨大的浪费！以我国年平均1,300小时峰值日照时间算，1KW多晶 硅电池年发电量为1,300度，EPT约为3~5年。