混合动力汽车储能装置

混合动力汽车储能装置一、混合动力汽车对蓄电池的基本要求在传统动力（内燃机）汽车上，蓄电池一般作为发动机的起动系统、点火系统、信号系统、照明系统、雨刮器及车载娱乐系统等设备的电源。

它们所需要的电能容量小，工作时间短，蓄电池与发动机和发电机组成汽车电器系统。

但在混合动力汽车上，动力电池组必须是具有强大能量的动力电源，除做驱动能源外，还要向空调系统、动力转向系统和汽车电气系统提供电能。

在混合动力汽车上，蓄电池是辅助电力能源，用作发动机的辅助动力源，以提高整车的动力性能，或作为电动机驱动车辆时的电源。

蓄电池一般是高压直流电，然后经过变频器或逆变器转换成频率和电压幅值可调的交流电，供给驱动电机驱动车辆行驶。

一般电动汽车所采用的动力电池组，要求有较大的比能量，而混合动力汽车所采用的动力电池组，则要求有较大的比功率，两种动力电池在性能方面各有侧重，混合动力汽车对蓄电池的基本要求如下：1、比能量。

比能量时保证混合动力汽车能够达到基本合理的行驶里程的必要性能，连续2小时放电率的比能量不低于44W·h/kg。

2、充电时间短。

蓄电池对充电技术没有特殊要求，能够实现感应充电，蓄电池的正常充电时间应小于6小时，蓄电池能够适应快速充电的要求，蓄电池快速充电达到额定容量的50%所需时间为20min左右。

3、连续发电率高，自放电率低。

蓄电池能够适应快速放电的要求，连续1小时发电率可达额定容量的70%左右，自放电率要低，保证蓄电池能够长期存放。

4、不需要复杂的运行环境，蓄电池能够在常温下正常、稳定、可靠的工作，不受环境温度影响，不需要特殊加热及保温热管理系统，能够适应混合动力汽车行驶的震动要求。

5、安全可靠。

蓄电池应干燥、洁净、电解质不会渗漏腐蚀接线柱和外壳，不会引起自燃，在发生碰撞等事故时，不会对乘员造成伤害，废蓄电池能够进行回收处理和再生处理，蓄电池中的有害重金属能够进行集中回收处理，蓄电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。

6、寿命长、免维护、制造成本低。

蓄电池循环寿命不低压1000次，在使用寿命内不需要进行维护。

二、蓄电池的性能要求蓄电池的作用是储存电能。

蓄电池在充电过程中，利用外部电能使内部活性物质再生，将电能转化为化学能，需要放电时在将化学能转换为电能输出。

各类蓄电池的基本工作原理都是电能→化学能→电能→化学能的可逆变过程。

蓄电池能够反复使用。

第二代混合动力汽车大多采用高能电池。

高能蓄电池的作用仍是储存电能，即按电能→化学能→电能→化学能的可逆变过程来工作，能量转换受到活性物质的限制。

高能蓄电池的不断发展，使混合动力汽车的性能不断提高，一次充电后的续航里程不断延长，蓄电池的主要性能指标如下：1、电压（V）（1）电动势：外电路断开，即没有电流通过电池时，在正负极间测得的电位差。

（2）开路电压：蓄电池在开路时的端电压，一般开路电压与电动势近似相等。

（3）额定电压：蓄电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。

（4）工作电压：在蓄电池两端接上负载后，在放电过程中显示出的电压。

（5）终止电压：蓄电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，其电压逐渐降低，蓄电池不宜在继续放电时，其最低工作电压称为终止电压。

2、蓄电池容量（A·h）（1）理论容量：根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第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：在一定条件下能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘机。

（3）标称容量：用来鉴别蓄电池的近似容量值，由于没有指定放电条件，只表明蓄电池的容量范围而没有确切值。

（4）额定容量：按一定标准所规定的放电条件，蓄电池应该放出的最低限度的容量。

（5）荷电状态（SOC）：指参加蓄电池容量的变化。

SOC=1即表示蓄电池为充满状态。

随着蓄电池放电，其电荷逐渐减少，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为50%~80%。

对SOC进行精确的实时辨识，是蓄电池管理系统的一项关键技术。

3、能量（W·h;kW·h）（1）标称能量：在一定标准所规定的条件下，蓄电池所输出的能量，是蓄电池的额定容量与额定电压的乘积。

（2）实际能量：在一定的条件下，蓄电池所能输出的能量，是蓄电池的实际容量与平均工作电压的乘积。

蓄电池质量是本身结构件质量和电解质质量的总和。

（3）比能量（W·h/kg）：参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小，通俗地将是指动力电池组单位质量中所能输出地能量。

（4）能量密度（W·h/L）：指动力电池组单位体积中所能输出额能量。

4、功率（W;kW）在一定地放电规则下，蓄电池在单位时间内所输出地能量，蓄电池地功率决定混合动力汽车地加速性能。

（1）比功率（W/kg）：指蓄电池单位质量中具有的电能功率。

（2）功率密度（W/L）：指蓄电池单位体积中所具有的电能的功率。

5、蓄电池内阻电流通过蓄电池内受到的阻力，使蓄电池的电压降低。

在内阻作用下，蓄电池放电时的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。

蓄电池内阻越小越好。

6、循环次数蓄电池的工作是一个不断充电、放电、再充电的循环过程。

按一定标准的规定放电，当蓄电池的容量降到接近某一规定值时，就停止放电，此时需要充电才能继续使用。

在每一个循环中，蓄电池的化学活性物质要发生一次可逆的化学反应。

随着充电和放电次数的增加，蓄电池中的化学活性物质会发生老化变质，化学功能逐渐弱化，使蓄电池的充电和放电效率逐渐降低，当蓄电池功能全部损失后，蓄电池报废。

7、使用年限除以使用次数表示蓄电池使用时间外，通常还要使用年限来表示其寿命。

8、放电速率一般用蓄电池的放电时间或放电电流与额定电流的比例来表示。

（1）时率：蓄电池以某种电流强度放电至电压降低到终止时电压，所需的放电时间。

（2）倍率：蓄电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。

9、自放电率蓄电池的局部作用造成的容量消耗，容量损失与搁置之前的容量之比，叫做蓄电池的自放电率。

自放电率用单位时间内蓄电池容量下降的百分数来表示。

10、成本蓄电池成本与其技术含量、材料、制作方法和投产规模有关。

目前，新开发的高比能量的蓄电池成本较高，开发和研制高效、低成本的蓄电池是电动汽车发展的关键。

二、储能电池的种类及特点1、铅酸蓄电池充放电过程：Pb+PbO₂+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O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。

混合动力汽车的牵引用动力铅酸蓄电池（简称动力铅酸蓄电池）性能与启动用铅酸蓄电池的要求是不同的。

动力铅酸蓄电池要求有高的比能量和比功率，高的循环次数和使用寿命，以及快速充电性能等。

目前，已经有很多专业公司研制和开发了多种新型铅酸蓄电池，使得铅酸蓄电池的性能有了较大的提高。

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，规格齐全。

因此，近 10 年来，国内外开发的称为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸蓄电池。

2、镍-镉电池充放电过程：镍-镉电池是以羟基氢氧化镍为正极，金属镉为负极，水溶性氧化钾溶液为电解质，在镍-镉电池充电和放电的化学反应过程中，电解液基本上不会被消耗。

镍-镉电池特性①快速充电能力强，充电18min即可从40％达到80％容量。

②镍-镉电池有记忆效应，镍-镉电池中采用的镉(Cd)是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效回收。

3、镍-氢电池（1）镍-氢电池工作原理：（2）镍-氢电池的构造镍-氢电池正极是活性物质氢氧化镍Ni(OH)2，负极是储氢合金，用氢氧化钾作为电解质，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。

镍-氢电池的基本单元是单体电池，每个单体电池都由正极板、负极板和装在正极板和负极板之间的隔板组成，通常镍-氢电池的外形有方形和圆形两种。

（3）镍-氢电池的充、放电特性①放电特性D型(镍-氢电池6个单体电池组件)放电时，2C的功率输出时的质量比功率可达到600W/kg以上，3C的功率输出时的质量比功率可达到500W/kg以上，深度范围内质量比功率的变化比较平稳，对混合动力汽车的动力性能的控制十分有利，电池的寿命可以达到10万km 以上。

②充电特性D型镍-氢电池的充电接受性很好，充电效率几乎达到100%能够有效地接受混合动力汽车在制动时反馈的电能。

4、锂离子电池（1）锂离子电池基本原理与结构锂电池（Lithium Battery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。

锂离子电池是锂离子在电极之间移动而产生电能的，这种电能的存储和放出是通过正极活性物质中放出的锂离子向负极活性物质中移动完成的，并不伴随化学反应，这是锂离子电池的最大特点。

锂离子电池反应的这种特点，使锂离子电池比传统的二次电池具有更长的寿命。

此外，电极材料种类较大的选择空间也是锂离子电池的一大特点，再加上锂离子电池本身就具有小型化、轻量化和高电压化的特点，通过材料的选择和结构设计即能实现高输出功率和高容量，因此可以设计出与实际用途完全相符的结构及特性，这也是锂离子电池的优势之一。

（2）锂离子电池的分类①按照锂离子电池的外形可分为圆柱形、方形和软包电池。

②按照正极材料不同可分为锰酸锂离子电池、镍钴锂离子电池、磷酸铁锂离子电池和镍钴锰锂离子电池。

（3）锂离子电池的结构锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液和端子等组成。

①正极：正极物质为嵌锂过渡金属氧化物。

在锰酸锂离子中以锰酸锂为主，在磷酸铁锂离子电池中以磷酸铁锂为主原料。

在正极活性物质中在加入导电剂、树脂粘合剂，并涂敷在铝基体上。

②负极：负极活性物质为电位接近锂电位的可嵌入锂化合物，主要由碳材料和粘合剂的混合物再加有机溶剂调制成糊状，并涂敷再铜基上，呈薄层状分布。

③隔膜：隔膜的功能是关闭或阻断通道的作用，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。

④电解液：电解液是以LIPF6的烷基碳酸酯搭配高分子材料混合剂为主体的有机电解液，为使主要电解质成分的锂盐溶解，必须具有高电容率，并且具有与锂离子相容好的溶剂，以不阻碍锂离子移动的低粘度有机溶液为宜。

（4）锂离子电池的工作原理对蓄电池进行充电时，蓄电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。