电动汽车结构与原理 第4章_动力电池系统

(6)环保性高
相对于传统的铅酸电池、镍镉电池甚至镍氢电池废弃可能造成的
环境污染问题，锂离子电池中不包含汞、铅、镉等有害元素，是 真正意义上的绿色电池。
4.2.2 锂离子动力电池的工作原理
图4-3
锂离子电池的工作原理
4.2.3 锂离子动力电池的失效机理
造成锂离子电池容量衰退的原因主要有：
(1)正极材料的溶解 (2)正极材料的相变化
(2)正极材料的相变化
一般认为，锂离子的正常脱嵌反应总是伴随着宿主结构摩尔体积
的变化，引起结构的膨胀与收缩，导致氧八面体偏离球对称性并 成为变形的八面体构型。这种现象叫做Jahn-Teller效应（或J-T扭 曲）。在 电池中，J-T效应所导致的尖晶石结构不可逆转 变，也是容量衰减的主要原因之一。J-T效应多发生在过放电阶段； 在起始材料中加入过量的锂、掺杂Ni、Co、Al等阳离子或者S等阴 离子可以有效的抑制J-T效应。
4.1.3 动力电池分类
(1)按电解液种类分类
(2)按工作性质和储存方式分类 (3)按电池所用正、负极材料分类
(1)按电解液种类分类
① 碱性电池：电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的电池，如碱
性锌锰电池(俗称碱锰电池或碱性电池)、镉镍电池、氢镍电池 等。 ② 酸性电池：主要以硫酸水溶液为介质的电池，如铅酸电池。 ③ 中性电池：以盐溶液为介质的电池，如锌锰干电池、海水激 活电池等。 ④ 有机电解液电池：主要以有机溶液为介质的电池，如锂离子
第4章 动力电池系统
4.1 动力电池简介
4.2 锂离子动力电池 4.3 其他电池 4.4 动力电池管理系统 4.5 动力电池组的使用寿命 4.6 动力电池的梯次利用与回收
4.1.2 动力电池的基本参数 4.1.3 动力电池分类
4.1.1 动力电池的基本结构
动力电池分类
图4-2 电动汽车用动力电池分类
4.2 锂离子动力电池
4.2.1 概述
4.2.2 锂离子动力电池的工作原理 4.2.3 锂离子动力电池的失效机理 4.2.4 锂离子动力电池的性能 4.2.5 锂离子动力电池的应用
4.2.1 概述
锂离子电池根据正极材料的不同，分为钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷
•电池内阻不是常数，在放电过程中由于活性物质的组成、电解液浓度和温度的变化以及放电 时间而变化。电池内阻包括欧姆内阻和电极在电化学反应时所表现出的极化内阻，两者之和 称为电池的全内阻。 •欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成。 •极化内阻是指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻。它是电化 学极化和浓差极化所引起的电阻之和。极化内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制 造工艺有关，尤其与电池的工作条件密切相关，放电电流和温度对其影响很大。
(13)放电制度
放电制度是电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电速率（电流）、终止电压和温度等。
① 放电电流：放电电流是指电池放电时电流的大小。放电电流的大小直接影响电池的各项性 能指标，因此，介绍电池的容量或能量时，必须说明放电电流的大小，指出放电的条件。放 电电流通常用放电率表示，放电率是指电池放电时的速率，有时率或倍率两种表示形式。 ② 放电终止电压:电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压，其 值与电池材料直接相关，并受到电池结构、放电率、环境温度等多种因素影响。
⑴端电压和电动势 端电压：动力电池正极和负极之间的电位差。动力电池在没有负载情况下的端电压叫开 路电压。动力电池接上负载后处于放电状态下的电压称为负载电压，又称为工作电压。电 池充放电结束时的电压称为终止电压，分为充电终止电压和放电终止电压。图4-2所示为 电池的充放电曲线，由图可知电池的充放电结束时都有一个电压极限值，充电时的电压极 限值就是充电终止电压；放电时的电压极限值就是放电终止电压。 电动势（E）：组成电池的两个电极的平衡电极电位之差。
(11)抗滥用能力
指电池对短路、过充、过放、机械振动、撞击、 挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的 容忍程度。
(12)成本
电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方 法和生产规模有关，目前新开发的高比能量、 高比功率的电池，如锂离子电池，成本较高， 使得电动汽车的造价也较高。开发和研制高效、 低成本的电池是电动汽车发展的关键。
(3)电解液的分解
(4)过充电造成的容量损失 (5)自放电 (6)SEI界面膜的形成 (7)集流体的腐蚀
(1)正极材料的溶解
以尖晶石为例，Mn的溶解是引起可逆容量衰减的主要原因。Mn
的溶解沉积造成正极活性物质减少；溶解的Mn游离到负极时会 造成负极SEI（Solid Electrolyte Interface, SEI）膜的不稳定，被破坏 的SEI膜再形成时会消耗锂离子，造成锂离子的减少。Mn的溶解 是尖晶石锂离子电池容量衰减的重要原因，在这一点学界已经基 本达成共识，但是对于Mn的溶解机理却存在多种不同的解释。
图4-1
电池的基本结构
4.1.2 动力电池的基本参数
(1)端电压和电动势 (2)容量 (3)内阻 (4)能量与能量密度
(5)功率与功率密度
(6)荷电状态 (7)放电深度 (8)循环使用寿命(Cycle (9)自放电率 (10)输出效率 (11)抗滥用能力(12)成本 (13)放电制度
4.1.2 动力电池的基本参数
(3)循环寿命长
目前，锂离子电池在深度放电情况下，循环次 数可达1000次以上；在低放电深度条件下，循 环次数可达上万次，其性能远远优于其他同类 电池。
(4)自放电小
锂离子电池月自放电率仅为总电容量的5~9%， 大大缓解了传统的二次电池放置时由自放电所 引起的电能损失问题。
(5)无记忆效应
无记忆效应
•电池是一种把化学反应所释放的能量直接转变成直流电能的装置。要实现化学能 转变成电能的过程，必须满足如下条件：
•⑴必须把化学反应中失去电子的氧化过程（在负极进行），得到电子的还原过程 （在正极进行），分别在两个区域进行。 •⑵两电极间必须具有离子导电性的物质。 •⑶化学变化过程中电子的传递必须经过外线路。 •为满足构成电池的条件，电池需包含以下基本组成部分：正极活性物质、负极活 性物质、电解质、隔膜、外壳以及导电栅、汇流体、端子、安全阀等零件。电池基 本结构如图4-1所示。
(9)自放电率
自放电率是指电池在存放时间内，在没有负荷 的条件下自身放电，使得电池的容量损失的速 度，用单位时间（月或年）内电池容量下降的 百分数来表示。
(10)输出效率
电池实际上是一个能量存储器，充电时把电能 转变为化学能储存起来，放电时再把化学能转 变为电能释放出来，供用电装置使用。电池的 输出效率通常用容量效率和能量效率来表示。 电池的容量效率指电池放电时输出的容量与充 电时输入的容量之比，电池的能量效率指电池 放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。 通常，电池的能量效率为55~75%，容量效率为 65～90%。对电动汽车而言，能量效率是比容 量效率更重要的一个评价指标。
(3)内阻
•电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。由于电池内 阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时充电的端电压高于电动势和开 路电压。电池内阻是化学电源的一个极为重要的参数。它直接影响电池的工作电压、工作电 流、输出能量与功率等，对于一个实用的化学电源，其内阻越小越好。
(4)能量与能量密度
① 能量是指电池在一定放电制度下所能释放出的电能，单位常
用W· h或kW· h表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。 ② 能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量， 相应地称为质量能量密度(W· h/kg)或体积能量密度(W· h/L)，也 称为质量比能量或体积比能量。在电动汽车应用方面，电池的 质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能 量影响到电池的布置空间。
(3)电解液的分解
锂离子电池中常用的电解液主要包括由各种有机碳酸酯(如PC、E
C、DMC、DEC等)的混合物组成的溶剂以及由锂盐(如 、 、 等)组成的电解质。在充电的条件下，电解液对含碳电极具有不稳 定性，故会发生还原反应。电解液还原消耗了电解质及其溶剂， 对电池容量及循环寿命产生不良影响。
(6)环保性高
(1)工作电压高
钴酸锂锂离子电池的工作电压为3.6V，锰酸锂 锂离子电池的工作电压为3.7V，磷酸铁锂锂离 子电池的工作电压为3.2V，而镍氢、镍镉电池 的工作电压仅为1.2V。
(2)比能量高
锂离子电池正极材料的理论比能量可达200以 上，实际应用中由于不可逆容量损失，比能量 通常低于这个数值，但也可达140，该数值仍 为镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。
图4-2
电池充放电电压变化曲线
(2)容量
或表示。 理论容量：假定电池中的活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。 理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量，按法拉第定律计算的活性物 质的电化学当量精确求出。 法拉第定律指出：电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的量 与通过的电量成正比。数学式表达为
(7)放电深度
放电深度（Depth of Discharge, DOD）是放电容 量与额定容量之比的百分数，与SOC之间存在 如下数学计算关系：
(8)循环使用寿命(Cycle
循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一 个循环，按一定测试标准，当电池容量降到某 一规定值（一般规定为额定值的80%）以前， 电池经历的充放电循环总次数。循环使用寿命 是评价电池寿命性能的一项重要指标。
(5)功率与功率密度
① 功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，
单位为W或kW。 ② 功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功 率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池包是否满足 电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。