纯电动汽车动力电池(1)

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从以下三方面进行注意:
• 1.锂离子电池具有较大的内阻，无法实现快速充 电或者放电，高速率充电或放电将致使电池温度 超过允许的范围，引发安全隐患。因此，要严格 限制锂离子电池充放电速率，严格控制锂离子电 池的工作温度;
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锂离子电池的数学模型
• 锂离子电池建模的基础是如何确定锂离子 电池的电动势、内阻的特性函数。
• 这些特性函数的确定是基于电池荷电状态 值SOC (State of Capacity)变化关系的结果 上得到的。
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充电特性
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2020/11/30
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锂离子电池工作原理图
放电时则 恰好相 反，锂 从碳材 料中脱 出回到 氧化物 正极中， 正极处 于富锂 态。
充电时锂离子 从氧化物正 极晶格脱出， 通过锂离子 传导的有机 电解液后迁 移嵌入到碳 负材料负极， 负极处于富 锂态，正极 处于贫锂态， 同时电子的 补偿电荷从 外电路供给 到碳负极， 保证负极的
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超级电容的特点
• 在近期内，超级电容极低的比能量使得它不可能单独用作 电动汽车能量源，但使用超级电容作辅助能量源具有显著 优点。在电动汽车上使用的最佳组合为电池＆超级电容混 合能量系统，从而使得电动汽车对电池的比能量和比功率 要求分离开来。
• 电池设计可以集中于对比能量和循环寿命要求的考虑，而 不必过多地考得到减少从而使电池的可利用能量、 使用寿命得到显著提高。而且与电池相比，超级电容可以 迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能。由于超级 电容的载荷均衡和能量回收作用，车辆的续驶里程得到极 大地提高。但该系统应对电池、超级电容、电动机和功率 逆变器等作综合控制和优化匹配，功率变换器及其控制器 的设计应充分考虑到电动机和超级电容之间的匹配。
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实例
• 由图 1b可见:单体电池在不同倍率下的放电曲线 的形状基本相似 ,放电初期和接近结束时的电压下 降较快 ,放电中期的电压变化较小 ,呈现出放电平 台。单体电池的1.0 C放电平台保持在3.85 V 左 右;。随着放电倍率的增加 ,电池的放电平台随之 下降 ,容量也随之减少。放电倍率增加到6.0 C时 , 放电平台降低至 3.57 V 左右 ,放电容量为 1.0 C 容量的 91 %。继续增加放电倍率到 12.0 C ,放电 平台保持在3.31 V 左右 ,放电容量接近1.0 C容量 的62 %。
• 3,贮存性能好。锂一次电池通常可贮存510年，锂二次电池的自放电一般小于15%(一 年)，约为常规铅酸、镍镉电池的1/10;
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锂离子电池性能
• 4、电压高3.6伏(一般为3.0伏以上)且放 电电压平稳;
• 5、自放电小、循环使用寿命长; • 6、无记忆效应。 • 目前，作为一种应用趋势，锂离子动力
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可用容量
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电池容量
• t—蓄电池放电时间; • n—Peukert常数，对于不同的电池取值不
同。
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• 2.电池进入恒压充电阶段后，要严格控制电池的 充电电压，防止出现过压充电或欠压充电;
• 3.放电过程中，要防止电池出现深度放电。当电 池的端电压低于电池的放电终止电压时，要立即 停止电池的放电工作。
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超高速飞轮问题
• 与固定储能装置不同，超高速飞轮用作电 动汽车的储能装置面临两大问题。
• 首先，当车辆转弯或产生颠簸偏离直线行 驶时，飞轮将会产生陀螺力矩，陀螺力矩 将严重影响车辆的操纵性能；
• 其次，若飞轮出现故障，以机械能形式存 储在飞轮中的能量就会在短时间内释放出 来，相应地，产生的大功率输出将对车辆 会产生巨大破坏。
电荷平衡; 纯电动汽车动力电池(1)
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锂离子电池性能
• 与传统的化学电源体系相比，它具有以下优 点.
• 1、比能量高。锂离子电池的比能量可达到 200Wh/Kg和300Wh/L，约为传统锌锰、铅酸 和镍镉电池的6倍;
• 2、工作温度范围宽。可在-200 C-+750 C环 境温度下工作;
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实例
• 在 25 ℃下 , 单体电池以不 同倍率恒流充 电到4.2 V后 , 转恒压充电 , 当充电电流小 于恒流充电电 流的 10 %时 停止充电 ,
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实例
• 从图1a可知:单体电池的充电曲线分为恒流 充电和恒压充电两部分,随着充电电流的增 加,单体电池恒流充电容量所占比例减少,恒 压充电容量所占比例增加;随着充电倍率的 提高,单体电池恒流充电过程中的电压上升 速率加快,充电平台也升高。当充电倍率达 7.0 C时,基本看不到LiMn2O4 的特征充电平 台,这主要是因电池在高倍率充电下电化学 极化增大造成的。
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电池的可利用系数
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电池荷电状态
电池的荷电状态值k简记作soc，也可用百分 量来计量。
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锂电池内阻的数学模型
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• 表示为以电池荷电状态值的函数：
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• 电池端电压的计算如下:
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• 电池能量模型建立的基础是电池的等效电 路图，
• 电池的容量特性将直接影响电动汽车的 有效续驶里程，而它的电压特性则直接影 响电动汽车的动力性，两者相互关联，相 互影响，构成了电池的(2.7v-4.2v)放电特性。
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放电特性
• 实验发现，锂离子电池在放电终止电压 2.7V的条件下，放电电流越大电池的极化 越大，电池的放电容量越小，但电池的静 态电压与电池的放电深度的关系是基本保 持不变的状态。锂离子电池以大电流放电 （大于2C)的情况下，电池的放电曲线出现 了电压先降低后升的现象。
电池越来越多地在电动汽车上得到应用。 • 我国锂离子动力电池在电动汽车上的应用
已列入国家高技术研究发展计划（" 863”计 划)和国家“十五”计划。
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锂离子电池的组成
• 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负 电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，
• (2)锂离子电池放电放到终点时，内部物质就会发 生质变，即负极上的石墨层中的锂离子全部脱落， 下次充电时，没有锂离子的负极石墨层就不能保 证回路通畅，所以要采取措施控制放电电压的大 小;
• (3)如果不慎使电池短路或者过大的冲放电电流会 使电池内部温度过高而耗损能量，这样会缩短放 电时间，所以要进行过电流保护。
超级电容
• 由于电动汽车频繁启动和停车，使得蓄电池的放电过程变 化很大。在正常行驶时，电动汽车从蓄电池中吸取的平均 功率相当低，而加速和爬坡时的峰值功率又相当高，一辆 高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达到16:1。 用于加速和爬坡时所消耗的能量占到总能耗的2/3,在现有 的电池技术条件下，蓄电池必须在比能量和比功率以及比 功率和循环寿命之间做出平衡，而难以在一套能源系统上 同时追求高比能量、高比功率和长寿命。为了解决电动汽 车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾，可以考虑采用两 套能源系统，其中由主能源提供最佳的续驶里程，而由辅 助能源在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。辅助能源系 统的能量可以直接取自主能源，也可以在电动汽车刹车或 下坡时回收可再生的动能。选用超级电容作辅助能源已引 起广泛关注。
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3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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超高速飞轮
• 超高速飞轮是实现电动汽车储能要求的一 种有效方式，它具有高比能量、 高比功率、 长循环寿命、 高能量效率、 能快速充电、 免维护和良好的性能价格比等优点。在混 合储能系统中，若飞轮用作辅助能量源， 则飞轮在车辆匀速行驶和再生制动时以机 械形式实施充电储能而在车辆启动、加速 或爬坡时进行发电并输出峰值功率。除了 可以做主能源的负载均衡装置之外，超高 速飞轮也可单独用作电动汽车的能量源。
• 正极一般采用锂化合物LiXCoO2, LiXNiO2或 LiMn2O4，
• 负极采用锂一碳层间化合物LiXC6， • 电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液，经Li十在正
负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放 电过程。在充电时， Li十正极脱嵌经过电解质嵌 入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态， 放电时刚好相反。
锂离子电池的荷电状态值
• 锂离子动力电池的两个基本特性: • 1、电池的容量与放电电流有关，放电电流
越大，则在该电流下所能放出的有效容量 就越少，这种特性简称容量特性 • 2、电池的工作电压与放电的深度有关，放 电电流及放电深度越大，电池的工作电压 下降得越多，这种特性我们简称为电压特 性