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作者:肖贝

出版社:浙江大学出版社

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电动汽车结构与原理(高等职业教育汽车类专业)

电动汽车结构与原理(高等职业教育汽车类专业)试读:

前言

近年来,在我国将节能减排作为发展导向后,一系列政策开始向新能源车倾斜,而最大的受益者便是电动汽车。2014年9月,新能源车开始减免购置税,根据工信部的统计数据显示,2014年将近4万辆新能源车得到购置税减免,随着更多车型被纳入购置税减免目录,这一数字还将继续扩大。同时,新能源车在车船税上也得到减免。财政部、国家税务总局、工信部联合发布的《关于节约能源使用新能源车船车船税优惠政策的通知》规定,对使用新能源的纯电动商用车、插电式(含增程式)混合动力汽车、燃料电池商用车免征车船税。数据显示,截至2014年,我国新能源汽车的保有量已超过12万辆。同时,根据国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划》,到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量将超过500万辆,每年国家免除的车船税将达21亿元。

本书主要讲述了纯电动汽车、各类混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车的整车结构及相关工作原理、典型车型的赏析,以及电动汽车的能量源、电机等关键技术的分类、工作原理与应用。每个章节从概念、分类、工作原理、应用等方面展开说明。

本教材将实用性、职业性放在首位,以体现高职教育特色。本教材力求做到基础理论适度,内容全面、系统、通俗易懂、图文并茂,并尽量反映电动汽车技术的最新技术及发展趋势。为了加深对教材各章内容的理解,每章完结后附带习题,方便读者自测对重点内容的掌握程度。

本书由黄冈职业技术学院肖贝和陈健担任主编,肖贝老师编写了第1、2、4、5、6章的内容,陈健老师编写了第3、7章。由湖北工业职业技术学院袁牧和武汉商学院涂志军担任副主编,他们也参与了全书的编写工作。全书由肖贝老师负责统稿。

由于科学技术不断发展和编者水平有限,书中的错误与缺点在所难免,敬请读者批评与指正。编者2015年9月第1章绪论1.1 电动汽车的概念及分类1.1.1 电动汽车的概念

电动汽车(Electric Vehicle,EV)是指以车载电源(或车载电源+其他能源)为动力,用电动机驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

电动汽车的概念必须与新能源汽车的概念相区别,不能混淆。

新能源汽车指采用非常规的车用燃料(指除汽油、柴油、天然气、液化石油气、乙醇汽油、甲醇、二甲醚之外的燃料)作为动力来源,或使用常规的车用燃料但是采用新型车载动力装置,综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

显然,新能源汽车的定义范畴较大,其包含了电动汽车。1.1.2 电动汽车的种类及特点

根据GB/T 19596—2004的规定,电动汽车有纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车三种类型。

1.纯电动汽车(Battery Electric Vehichle,BEV)

纯电动汽车是指由电动机驱动的汽车。电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。其结构如图1-1所示。图1-1 纯电动汽车结构

纯电动汽车的优点有:(1)无污染、噪声小

众所周知,传统汽车由于采用内燃机作为动力来源,产生的汽车废气中含有CO、NO、碳氢化合物、微粒等有害物质。而纯电动汽x车由于采用电动机而非内燃机,所以在工作时不会产生废气,对环境保护和空气的洁净是十分有益的,可以说是“零污染”。有些研究表明,同样的原油经过粗炼,送至电厂发电,经充入电池,再由电池驱动汽车,其能量利用效率比经过精炼变为汽油,再经汽油机驱动汽车高,因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排放。(2)结构简单、维修方便

电动汽车相较于传统内燃机汽车结构简单,运转、传动部件少,维修保养工作量小。更重要的是电动汽车操纵更简单。(3)能量转换效率高

电动汽车由于采用电机驱动,且电机可在电动机/发电机两种状态转换,故可回收制动、下坡时的能量,提高能量的利用效率。电动汽车的研究表明,其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行,汽车走走停停,行驶速度不高,电动汽车更加适宜。电动汽车停车时不消耗电量,在制动过程中,电动机可自动转化为发电机,实现制动减速时能量的再利用。(4)削峰填谷

对于电网来说,白天处于用电高峰期,而夜间处于用电低谷期。电动汽车可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电,避开用电高峰,起到平抑电网的峰谷差的作用,有利于电网均衡负荷,减少费用。

2.混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)

混合动力电动汽车是指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车:一为可消耗的燃料;二为可再充电能/能量储存装置。其结构如图1-2所示。图1-2 混合动力电动汽车结构

车载动力源有多种,比如蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组,当前的混合动力电动汽车一般是指内燃机再加上蓄电池的电动汽车(见图1-3)。图1-3 当前常见的混合动力电动汽车

混合动力电动汽车根据内燃机和电动机的能量流动及两者在结构上的连接关系,可分为串联式、并联式和混联式三种类型(见表1-1)。表1-1 混合动力电动汽车的种类类 型定 义串联式混合动力电车辆的驱动力只来源于电动机的混合动力电动动汽车(SHEV)汽车并联式混合动力电车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供动汽车(PHEV)给的混合动力电动汽车混联式混合动力电同时具有串联式、并联式驱动方式的混合动力动汽车(CHEV)电动汽车

混合动力电动汽车的优点有:(1)油耗低、排放少

采用混合动力后,两种动力源会在汽车不同的行驶状态,如起步、低中速、匀速、加速、高速、减速或制动下分别工作或一起工作,通过这种组合达到最少的燃油消耗和尾气排放,从而实现省油和环保的目的。在繁华市区,可关停内燃机,由电池单独供电,实现“零排放”。还可以十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能量。(2)保护电池

由于有了内燃机,可以让电池保持在良好的工作状态,不发生过充、过放,延长其使用寿命,降低成本。还可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

3.燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)

燃料电池电动汽车是指采用燃料电池作为动力能源的汽车(见图1-4)。它是利用氢气等燃料和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生电能,并作为驱动汽车的主要动力源。图1-4 燃料电池电动汽车结构

燃料电池电动汽车的优点:(1)排放几乎为零

燃料电池采用的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水。它本身工作不产生CO和CO,也没有硫和微粒排出,没有高温反应,也不产生2NO。如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气,仅会产生微量的xCO和较少的CO。2(2)能量转化效率高

燃料电池的能量转换效率可高达60%~80%,为内燃机的2~3倍。(3)寿命长

燃料电池本身工作没有噪声,没有运动性,没有振动,其电极仅作为化学反应的场所和导电的通道,本身不参与化学反应,没有损耗,寿命长。(4)燃料来源广泛

氢燃料来源广泛,可以从可再生能源获得,不依赖石油燃料。1.2 电动汽车发展史

1886年,卡尔•奔驰发明了以内燃机为动力的汽车,然而电动车却比内燃机动力汽车有更长的历史。电动车的历史可追溯到1834年,比现在最为流行的内燃机汽车早了半个世纪。

1834年,美国的一位机械工人托马斯•达文波特(Thomas Davenport)制造了第一辆由干电池供电、直流电机驱动的电动三轮车(见图1-5),其行驶距离很短且不能充电。图1-5 达文波特与他的电动三轮车

1838年,英国人罗伯特•戴维森(Robert Dividson)制造了第一辆由干电池供电的电动汽车。

1847年,美国人法莫(M.Farmer)制造了第一辆以蓄电池为动力、可携带两人的无导轨电动车。他把电动机装在一个轮车上,由48节格鲁夫电池供电。这是美国第一辆为世人所知的电动车。

1881年,法国电气工程师特鲁夫(Gustave Trouve)制造了世界上第一辆以铅酸电池为动力的电动三轮车(见图1-6),并在同年巴黎举办的国际电器展览会上展出一辆能实际操作的电动三轮车,引起了不小的轰动。图1-6 特鲁夫的电动三轮车

1896年,Hartford Electric Light公司提议铺设充电基础设施,让人们可以从通用电气公司购买汽车,通过Hartford Electric Light公司更换电池作为“加油”方式。该项服务从1910年持续至1924年,期间共计帮助电动车主们行驶了600万英里的路程。

1897年,全新的电动出租车开始走上纽约市的街头。这也是电动汽车的第一次商用。

1899年4月29日,比利时人卡米乐•热纳茨(Camille Jenatzy)驾驶着一辆名为永无止境(La Jamais Contente)的炮弹外形电动车以105.88km/h的速度刷新了由汽油动力发动机保持的世界汽车最高车速的速度记录,这是汽车速度第一次突破100km/h大关,La Jamais Contente电动车保持着这个汽车速度纪录进入到了20世纪。

1899年,德国人费迪南德•波尔舍(Porsche)发明了一台轮毂电动机,以替代当时在汽车上普遍使用的链条传动。随后开发了Loner-Porsche电动车(见图1-7),该车采用铅酸蓄电池作为动力源,由前轮内的轮毂电机直接驱动(见图1-8)。随后,他在车的后轮上也装载了两个轮毂电机,由此诞生了世界上第一辆四轮的电动车。图1-7 Loner-Porsche图1-8 车轮上装有电机

1902年,费迪南德•波尔舍又在这辆电动车上加装了一台内燃机来发电驱动轮毂电机,这也是世界上第一台混合动力汽车。另外,他又开发出了第一款多功能全混合动力汽车——Semper Vivus(见图1-9)。在这款车型上,两个发电机与汽油发动机相结合,形成一个充电装置,同时向轮毂电机和电池提供电力。图1-9 Semper Vivus

和19世纪末的内燃动力汽车相比,电动车除了车速略低,在其他方面的优点很多,比如启动方便,电动机工作时没有噪音、没有发动机的震动和难闻的汽油味。而且,直流电动机低转速时大扭矩输出特性使它用作汽车动力时不需要复杂的传动系统且操作简便,因而电动车成了机动交通工具的一个主要发展方向。

1911年,《纽约时报》用“完美”来形容电动汽车,因为它更加环保,噪声较低,而且比燃油汽车更加经济实惠。

从19世纪末到20世纪前期,在欧美等发达国家,电动汽车变得流行起来,进入了商业化的发展阶段。到1912年,仅美国就有超过34000辆的电动汽车注册,成为早期电动汽车的全盛时期,到1915年,美国电动车的保有量达5万辆,电动汽车的市场占有率比内燃机汽车高出16%。

20世纪中叶,电动汽车技术的发展基本停滞不前,直至第二次世界大战结束。

自20世纪30年代起,石油开采提炼和内燃机技术的迅速进步,装备内燃机的汽车速度更快,加一次油可持续巡航里程是电动车的3倍左右,且使用成本低。而电动汽车则由于电池技术进步缓慢,在性能、价格等方面都难以与燃油车竞争,在20世纪40年代左右,电动汽车基本上完全淡出市场,进入了冬眠期。

20世纪70年代,中东石油危机爆发,令全世界陷入石油短缺的境地,人们又开始关注其他动力的汽车,电动汽车开始复苏。此时,美国首先将燃料电池用于航天,作为航天飞机的主要电源。此后,美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力,开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美,各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟,各公司分别承担相应的任务,生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下,推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC,也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。

20世纪70年代末和80年代,能源危机影响逐渐散去,电动汽车研发进展缓慢。日本和美国的汽车厂家生产了一系列电动车,比如Chrysler TEVan。名气最大的是1996年通用汽车公司投产的EV1电动轿车。不过,它们最终都是昙花一现。

经过几十年的发展,虽然屡次出现机会,但是直到21世纪初期,电动车没有再现19世纪末期至20年代初期的辉煌。根源在于它不仅生产成本相对较高,保养成本高,而且电池能量密度低造成的续航里程短和充电便利性差是个严重的问题,这些弱点严重阻碍了电动车的普及。

20世纪80年代以来,随着汽车保有量的不断增加,内燃机汽车排出的有害气体对人类健康及生命的影响日益突出,并且内燃机汽车需要消耗大量有限且不可再生的石油资源。于是,人们又想起了无须消耗石油资源、也不会对空气造成污染的电动汽车。电动汽车又进入了较快的发展时期。在这一时期,世界各大汽车公司纷纷投入大量的人力和资金,研究与开发新型电动汽车,包括我国在内的许多国家也都推出了相关政策,支持和鼓励电动汽车的开发和使用,使得新的电动汽车不断涌现。

虽然电动汽车还不足以与内燃机汽车相抗衡,但在各国政策的扶持下,电动汽车的保有量也在不断地增加。随着电动汽车关键技术难题的解决、电动汽车技术性能的提高以及电动汽车制造和使用成本的降低,电动汽车必将得到迅速的发展,并最终将取代内燃机汽车。

习题

一、填空题

1.电动汽车是指以车载电源(或其他能源)为动力,用_____驱动车轮行驶,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

2.电动汽车历史悠久,但在20世纪30年代起,基本上完全淡出市场,进入了冬眠期。但第二次兴起是因为_____,第三次兴起是因为_____。

3.传统汽车工业的可持续发展面临着解决_____和_____的双重压力。

4.纯电动汽车的主要优点有_____、_____、_____和_____。

5.混合动力电动汽车的主要优点有_____、_____。

6.燃料电池电动汽车的主要优点有_____、_____、_____和_____。

二、选择题

1.1881年,法国电气工程师( )制造了世界上第一辆以铅酸电池为动力的电动三轮车,并在同年巴黎举办的国际电器展览会上展出一辆能实际操作的电动三轮车,引起了不小的轰动。

A.卡尔本茨  B.波尔舍   C.古诺    D.特鲁夫

2.目前电动汽车的法律法规颁布的就有40多项,其中标准代号GB/T 19596—2004所对应的标准名称是( )。

A.电动汽车术语   B.混合动力电动汽车安全要求

C.加氢车技术条件   D.电动汽车用仪表

3.FCEV指( )。

A.纯电动汽车   B.混合动力电动汽车

C.燃料电池电动汽车   D.都不是

三、问答题

1.什么是新能源汽车,它与电动汽车有何区别?

2.什么是削峰填谷?第2章电动汽车的能量源

电动汽车动力储能装置(Energy Storage)的定义是电动汽车上安装的能够储存电能的装置,包括所有动力蓄电池、超级电容、飞轮电池和燃料电池等或其组合。电动汽车发展的关键技术是提高其动力电池的能力。它既是目前电动汽车研发的一个瓶颈,也是电动汽车能否走向千家万户的重要因素之一。

电池的种类有很多,现在市场上所用的电动车电池类型大致可以分为铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池、超级电容、空气电池、太阳能电池等,不过现在大量投入电动车领域的还是密闭性铅酸电池。锂电池由于其体积小、较长的寿命以及灵活的充电方法也被广大用户看好,只是高昂的售价让很多客户对其敬而远之。2.1 铅酸蓄电池2.1.1 铅酸蓄电池概述

铅酸蓄电池(lead-acid battery)是1859年由法国人普兰特(Plante)发明的,至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池自发明后,在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其具有价格低廉、原材料易于获得、使用上有充分的可靠性、适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。在此主要针对电动道路车辆所用的铅蓄电池予以介绍。

铅酸蓄电池的定义:电极主要由铅及其氧化物制成、电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。在放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;在充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。

铅酸蓄电池又称为铅酸水电池,它的电极由铅和铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液。其主要优点是电压稳定、价格便宜。铅酸电池的单体电压是2V,但一般铅酸电池会把多个单体做在一个外壳中成为一个电池组。常见的电压有6V、12V、24V。其缺点是比能低(即每千克蓄电池存储的电能低)、使用寿命短和日常维护频繁。老式的普通蓄电池一般寿命在2年左右,而且需定期检查电解液的高度并添加蒸馏水。不过,随着科技的发展,普通蓄电池的寿命变得更长而且维护也更简单了。

铅酸蓄电池最明显的特征是其顶部有若干个可拧开的塑料密封盖,上面还有通气孔,如图2-1所示。图2-1 汽车用铅酸蓄电池

这些密封盖是用来加注、检查电解液和排放气体用的。按照理论上说,铅酸蓄电池需要在每次保养时检查电解液的高度,如果有缺少需添加蒸馏水。

随着蓄电池制造技术的升级,铅酸蓄电池发展为铅酸免维护蓄电池,铅酸蓄电池使用中无须添加电解液或蒸馏水。其主要是利用充电和放电达到水分解循环。铅酸水电池大多应用于电动三轮车,而免维护铅酸蓄电池应用范围更广,包括不间断电源、电动车。铅酸蓄电池根据应用需要分为恒流放电和瞬间放电两类。2.1.2 铅酸蓄电池的构造与工作原理

1.铅酸蓄电池的构造

铅酸蓄电池是蓄电池的一种。铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解液、容器、极柱、隔膜、可导电的物质等组成,如图2-2所示。图2-2 铅蓄电池结构(1)正极板(正极活性物质)

正极板活性物质的主要成分是二氧化铅。其具有较强的氧化性,放电时,与硫酸发生反应生成硫酸铅,并吸收电子。(2)负极板(负极活性物质)

在铅酸蓄电池里,为了使负极活性物质能够充分与电解液发生反应,将铅制成多孔海棉状,又称为海绵铅。在放电时,铅给出外线路2+电子形成Pb与溶液的硫酸根结合生成硫酸铅;在充电时,部分2+2-2+PbSO首先溶解成Pb与SO。Pb接受电子还原成铅进入负极活44性物质晶格。(3)电解液

硫酸是铅酸蓄电池电解液中的重要原材料之一。市场上的浓硫酸一般分为两种:一种是工业用浓硫酸,纯度较低,不适用于铅酸蓄电池;另一种为纯度较高的分析纯,较适合于铅酸蓄电池。硫酸的分子量为98,浓硫酸中硫酸含量为98%,是无色透明油状液体,具有很强的吸水性和腐蚀性,与水结合后,可放出大量的热。所以在配制电解液的过程中,一定要注意防护,以免出现危险。在配制时,千万不要把水加入浓硫酸中,而应将浓硫酸缓慢加入水中。在铅酸蓄电池电解液的配制过程中,对水的要求较高,水中含杂质的多少,直接影响电池的质量。铅蓄电池用水外观是无色透明的,残渣含量应小于0.01%。一般检验水的标准用电阻率或电导率来表示,比较简单的方法是采用电阻率测量法:用数字式万用表将挡位拨至20MΩ处,将万用表两只表笔相距1cm,测出水的电阻阻值在5~10MΩ即可。(4)隔板

隔板也是铅蓄电池主要组成部分之一,其质量对电池影响很大。隔板的主要功能是防止电池正负极板短路。在蓄电池中对隔板的要求是:采用多孔质隔板,允许电解液自由扩散和离子迁移,要有比较小的电阻,隔板孔径要小;空隙总面积要大,要防止脱落的活性物质到达对方的极板。总之,隔板的孔径要小,孔数要多。铅蓄电池一般都使用胶质隔离板。(5)电池外壳

电池外壳是铅蓄电池的“保护衣”。由于铅蓄电池的工作环境是强酸性的,故其外壳必须耐酸性强,兼具机械强度。电动汽车用的蓄电池外壳使用的材质是由合成树脂经特殊处理制成的,其机械强度特别高,上盖亦使用相同材质,这样才能在恶劣的环境中正常使用。(6)安全阀

安全阀即是液口安全栓,其功能为排出充电时所产生的气体及补充纯水,测定比重。当电池内压高于正常压力时释放气体,保持压力正常阻止氧气进入。

2.铅酸蓄电池工作原理

铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下:

从以上的化学反应方程式中可以看出:铅酸蓄电池在放电时,正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应,生成硫酸铅,在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时,正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物,活性程度非常高。在蓄电池的充电过程中,正、负极疏松细密的硫酸铅在外界充电电流的作用下会重新变成二氧化铅和金属铅,蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应,使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能,如图2-3所示。图2-3 铅酸蓄电池工作原理

从上面化学方程式可以看出:当铅蓄电池放电时,电解液中的硫酸不断减少,水逐渐增多,溶液比重下降;当铅酸蓄电池充电时,电解液中的硫酸不断增多,水逐渐减少,溶液比重上升。故在实际工作中,可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

人们在日常使用中,通常使用蓄电池的放电功能,把充电阶段作为对蓄电池的维护工作。铅酸蓄电池在充足电的情况下可以长时间保持电池内化学物质的活性,而在蓄电池放出电以后,如果不及时充足电,电池内的活性物质很快就会失去活性,使蓄电池内部产生不可逆转的化学反应。所以,无论是电动车电池还是其他用途的铅酸蓄电池,一般生产厂家都会要求使用者对蓄电池充足电保存,并定期对电池补充电。

3.铅酸蓄电池的正确使用与维护

随着蓄电池使用次数的增加,放电容量会不断减小,而由于人们对电池的使用要求不同,所以报废标准也不相同。一般来讲,正常使用的电池,容量低于额定容量60%,即为报废电池,需要维护或维修。由于电池的制造条件、使用方式有差别,最终导致电池报废的原因也各不相同,归纳起来有以下几种:①正极板的腐蚀变形;②正极活性物质软化脱落;③不可逆的硫酸盐化;④容量过早损失;⑤热失控。其中不可逆的硫酸盐化是导致电池失效报废的最常见的原因。

在充电过程中,由于水的丢失(电离、电解蒸发)影响硫酸铅转化为活性物质,而硫酸铅本身难溶于水,当硫酸铅在一定时间不能转化为活性物质时,就会形成粗大的结晶体。这种结晶体阻碍了电池的正常工作,一部分多余的电能不能正常地转化为化学能,因而转化为热能,更加重了水的丢失,从而形成了恶性循环。当这个循环达到一定程度时,电池容量下降,严重时热量越来越大,电池内压增加,电池变形。因此,科学的维护和保养是延长电池使用寿命的最经济最有效的方法。具体使用注意事项如下:(1)对于铅酸蓄电池的使用和维护来说,掌握正确的充电方式非常关键。首先要选择好充电器(建议使用组合脉冲充电机),充电器指标有输出电压、充电电流、调停点等。夏天天气较热,应选择调停点较低的充电器;冬天则反之。(2)要注意勤充电,不要等电用光了再充。刚放电的电池,硫酸铅较容易溶解并转化为活性物质。一旦放置一段时间后,硫酸铅很容易形成粗大的结晶体,造成不可逆的硫酸盐化。此外,还要注意定期进行深循环,即把电用光了后再充电,防止电池发生钝化,一般一个月进行一次。(3)在电池的运输、安装过程中,严禁摔打牵拉极柱。不要把正负两个极柱短路。不同容量、不同性能的电池不要在一起使用。(4)冬天充电时要注意保温,否则电能不能正常转化为化学能,充不满电。当电解液温度降低时,硫酸铅溶解下降,电池内部分子活动度降低,内阻增加。此时充电,不等充足,充电器就会跳停,用户以为充满,继续使用。这样会使硫酸铅晶体变大,形成不可逆的硫酸盐化。2.2 锂电池2.2.1 锂电池概述

自20世纪90年代推出以来,锂电池便以其优越的性能得到了广泛的应用和迅猛的发展,成为手机、笔记本电脑以及数码相机(DC)和数码摄像机(DV)等便携式设备用电池的首选。据日本矢野经济研究所统计分析,便携设备用锂电池在2012年的全球产量已达37.7亿只。

随着锂电池的安全性、性价比的逐渐提升以及成组技术的不断突破,锂电池逐渐进入大功率应用场合,如电动汽车动力源、通信系统备用电源、铁路辅助电源以及电力系统备用电源等。有专家预测,锂电池在电动车应用领域将会逐步取代铅酸电池、镍电池等电池。2.2.2 锂电池的工作原理

锂电池(锂离子电池)是指以锂离子嵌入化合物为正极材料的电池的总称。锂离子电池充放电过程的基本的电化学反应为

充电正极反应:

充电负极反应:

充电电池总反应:

从化学反应式可以看出,在锂离子电池充电的过程中,在电池的正极反应中产生了电子和锂离子。在外电路上,电子从电池的正极迁移到负极,形成电子流,表现为一定幅值的充电电流,所以,充电时,在外电路电流的方向为从电池的负极流向正极,如图2-4所示。图2-4 锂电池工作原理

同时,在电池的内部,锂离子(正电荷)从电池的正极迁移到电池的负极,形成正电荷流,且离子数量及电荷量和外电路的完全一样,流动的方向从电池的正极流到电池的负极,并在电池的负极与负极材料碳和外电路过来的电子结合生成LiC,形成与外电路同样大小的电6流,构成闭合的电流回路,放电过程则相反。在电池整个充放电过程中,锂元素始终以离子态的形式存在,在电池的正负极之间嵌入和脱出,因此锂离子电池也被形象地称为“摇椅电池”。2.2.3 锂电池的结构

锂离子电池主要由正极集流体(铝箔)、正极材料、电解液、隔膜、负极材料和负极集流体(铜箔)等构成。另外,在最初几次循环时,电池的负极和电解液之间会形成SEI膜。电池的内部结构如图2-5所示,下面介绍各部分的功能和原理。(1)集流体

电池的集流体既是与外电路的连接部分,也是正负极材料的载体。它本身是金属,电特性满足欧姆定律,可等效为一定阻值的纯电阻。(2)正负极材料

电池的正负极材料是参与电化学反应的物质,决定了电池的电压、容量、能量密度等特性。图2-5 锂电池内部结构(3)电解液

电解液是电池的重要组成部分,承担着在电池内部的正负极之间传输离子的作用,它对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性等都有重要的影响。传统电池中通常采用水作为溶剂的电解液体系,但是由于水的理论分解电压为1.23V,即便考虑到氢或者氧的过电压,电池的最高电压也只有2V左右(如铅酸电池)。而锂离子电池的工作电压一般都高达3~4V,因此水溶剂不适用于锂离子电池。在锉离子电池中采用的是具有更高分解电压的溶剂——有机溶剂和电解质盐。(4)隔膜

隔膜的主要作用是将电池的正负极隔开,使得电子不能通过电池的内电路,但不会阻碍离子在其中通过。由于隔膜自身对电子和离子是绝缘的,因此不可避免地会降低正负极之间的离子导电,表现为一定的电阻。当电池内部出现过热等情况的时候,隔膜能自动地闭孔,将电池的正负极断开,起到保护作用。(5)SEI膜

锂电池在首次(或前几次)充电过程中不可避免地都要在碳负极与电解液的相界面上发生反应,形成覆盖在碳电极表面的钝化薄层,人们称之为固体电解质相界面或称SEI膜。膜的形成消耗了电池内的锂离子,也增加了电极和电解液界面之间的电阻,使用时会出现一定的电压降。但是优良的SEI膜具有有机溶剂不溶性,允许锂离子比较自由地进出电极而溶剂分子却无法穿越,从而阻止了溶剂分子共插对电极的破坏,大大提高了电极的循环寿命。当电池的SEI膜遭到破坏的时候,需要消耗新的锂离子,重新修复,当电池经过多次循环后,电池的SEI膜有变厚的趋势,相应的内阻也增加。(6)相际

正负极材料和电解液构成电极体系,由于是不同状态的两个相,相接触的过渡部分被称为相际,这里的浓度和性质与电解液内部存在不同,属于过渡部分,带电粒子或者偶极子在相界面中的非均匀分布使得它们之间出现电位差,这是电化学反应的地方,也会产生一定的电压降。其最重要的特征是双电层结构。2.2.4 锂电池使用注意事项

锂离子电池的电解液采用有机溶剂,这给锂离子电池带来更低的熔点(使得电池能适用于温度更低的场合)和更高的电压平台的同时,也使其沸点低、燃点低。锂离子电池存在具有可燃性、电池电压接近分解电压、有机溶液黏稠以及导电性能差等问题。具有可燃性是锂离子电池出现安全事故的根源。电池的滥用会导致电池内部的热效应(主要包括SEI膜的分解、嵌锂负极与电解液的反应、电解液的分解、正极活性物质的分解、过充电锂原子与电解热的反应、欧姆热效应及短路等)加剧,这是锂离子电池出现安全性问题的起因,并最终表现为热失控。导致热失控的外因主要有严重过充电和过放电、电池过流和过温等。(1)过充电

当电池充满电的时候,如果继续充电,这部分能量就会完全地转变成副反应,导致电池的容量下降甚至出现安全事故。锂离子电池并不像铅酸电池或者镍氢电池那样具有内部的氧循环机制,所以充满电后,电池不能继续充电。对于成组使用的锂离子电池,也不能采用涓流充电的方式进行充电(即锂电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电)。(2)过放电

电池的过放电过程如下:当电池出现过放电的时候,即电池负极的锂离子完全脱出以后,为了维持电流,电池负极表面电极电位低的物质继续被氧化,使得电池的负极活性物质脱落。再次充电的时候溶解的金属会在附近沉积,当达到正极的时候,就造成了电池的内部短路或者漏液。(3)过电流

对于电池的外部短路,需要在电池回路上安装快熔或者相应的开关元件,及时地切断电池回路,防止电池出现持续的大电流放电而导致热失控。电池的内部短路出现的原因较多,从电池内部的杂质到电池的机械损坏以及电池的滥用还有电池老化等,都可能导致电池内部短路。从电池使用的角度而言,电池的内部短路主要由于电池的低温充放电以及电池的过放电造成,所以有效的低温充放电电流限制(特别是充电电流)和过放电管理对于提高电池的使用安全性有重要作用。另外电池老化后,当电池的容量降低到电池的限制容量的时候,应建议进行更换,停止使用。(4)过温

除了上述过充电、过放电、过电流等情况以外,锂电池还会出现过温现象。电池在使用的时候,如果没有合适的热管理,电池产生的热量不能有效、及时地散去,电池的温度会持续地增加。当电池严重过放电的时候,会导致电池的电压明显下降以及金属溶解等现象,并最终导致内部短路和热失控。

所以,提高温度检测电路的可靠性、建立必要的反馈机制、合理选择电池箱内部风机的容量、改进风道布局、进行箱内温度场测试以及设置应急控制电路,能有效地提高电池的过温控制性能。(5)绝缘检测

电动汽车用电池一般需要串联成组,电压等级一般远高于人体可忍受的安全电压。以奥运电动大巴车为例,电池为104只锂离子电池串联而成,电池的电压超过400V。加之车用电池的震动性、湿热、灰尘等原因,都会导致动力电池和车辆底盘之间的绝缘出现问题。出于对汽车使用人员的安全考虑,进行绝缘的检测是十分必要的。2.3 镍氢电池2.3.1 镍氢电池概述

镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池,具有高能量、长寿命、无污染等特点,因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。

镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪60年代末,人们就发现了这种新型功能材料——储氢合金,其在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢,因此被人们形象地称为“吸氢海绵”。其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中反复充放电并长期稳定存在,从而为我们提供了一种新型负极材料。在此材料基础上人们发明了镍氢电池。

镍氢电池是由氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%,比镍镉电池更轻,使用寿命也更长,并且对环境无污染。其缺点是价格比镍镉电池要贵很多,性能比锂电池要差。

镍氢电池现主要应用于混合电动车。2011年镍氢电池在HEV(油电混合动力汽车)市场占56%,零售市场(包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机)占24%,无线电话市场占11%,其他市场占9%。世界镍氢电池主要由中国和日本的企业生产,占全球产量的95%以上。全球镍氢电池70%以上在中国生产,中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远、力可兴、三普(九夷能源)、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。HEV用大型镍氢电池主要在日本生产,生产企业主要为Primearth电动车能源公司(PEVE)和三洋电机。由于松下和三洋合并,而松下的湘南工厂卖给了中国科力远,因此,大型镍氢电池已主要由松下生产。

我国镍氢电池生产增长乏力,近几年的产品产值、产量均未超过2008年的高峰。2011年,镍氢电池的产值、产量分别为55亿元、9.5亿只,与2008年相比分别下降15.38%、26.36%。产品规模的缩小使得镍氢电池更不具规模经济,未来发展空间仍然取决于混合动力电动汽车的应用情况。2.3.2 镍氢电池的工作原理

镍氢电池是以氢氧化镍为正极和高能贮氢合金为负极的,因此镍氢电池的正极与镍镉电池基本相同,但负极采用了高能贮氢合金材料,使得镍氢电池和同体积的镍镉电池相比,容量增加一倍,充放电循环寿命也较长,并且无记忆效应。镍氢电池正极板的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)(充电时),负极板的活性物质为2H(放电时)和HO(充电时),电解液采用30%的氢氧化钾溶液。22镍氢电池充放电反应机理如图2-6所示。充放电过程中,正、负极发生的电化学反应如下:

电池总反应式可表示为:

从方程式可以看出:充电时,负极析出氢气,贮存在容器中,正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍(NiOOH)和HO,放电时氢气在负极2上被消耗掉,正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。

过量充电时的电化学反应:

从方程式可以看出,蓄电池过量充电时,正极板析出氧气,负极板析出氢气。由于有催化剂的氢电极面积大,而且氢气能够随时扩散到氢电极表面,因此,氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水,使容器内的气体压力保持不变,这种再化合的速率很快,可以使蓄电池内部氧气的浓度不超过千分之几。图2-6 镍氢电池充放电反应机理

过放电时,正极上被还原的NiOOH消耗完,这时HO便在镍电极2上还原。电化学反应如下:

从以上各反应式可以看出,镍氢电池的化学反应与镍镉电池相似,只是负极充放电过程中生成物不同。由上述反应步骤可以看出,发生在镍氢电池两个电极上的反应均属固相转变机制,不产生可溶性的金属离子,因此电池的正、负极都具有较高的稳定性。电池的工作过程中没有电解质组元的额外生成或消耗,充放电可看作是氢原子从一个电极转移到另一个电极的反复过程。一般采用负极过量的设计方式。在过充电时,正极上析出的氧在MH电极上被还原成水(消氧反应);过放电时,在正极上析出的氢被MH电极的贮氧合金吸收(消氢反应),故镍氢电池具有良好的耐过充、过放能力。此外,镍氢电池也可以做成密封型结构。镍氢电池的电解液多采用KOH水溶液,并加入少量的LiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。为了防止充电过程后期电池内压过高,电池中装有防爆装置。2.3.3 镍氢电池的特性

镍氢电池由于采用了储氢合金(MH)为负极,此合金可以吸收高达本身体积100倍的氢,储存能力极强,使得其能量密度得到较大提高。由于采用了高导电性电解液,电池内阻较小,可以适应大电流放电,因此它可分为低倍率、中倍率、高倍率电池,对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。电池在高温时主要是充电方面的困难较大,氢镍电池在较高温时,副反应氧析出反应会加速,如果有较好的负极性能,在正极上析出的氧气可以在负极上还原,从而使电池内压得以消除。通过调整配方工艺,可以有效地提高电池在高温时的充电效率并可实现高温的快速充电。氢镍电池在-20℃时可以用比较大的电流放电,如1C放电,足以满足动力输出的需要。

氢镍电池在0.5C以下电流充放电,且放电深度限制在80%以下时,电池寿命可以达到1000次以上。而按1C倍率进行100%快速全充放时,电池寿命亦可达500次以上。

目前镍氢电池所能达到的性能指标为:单位电池的标称电压为1.2V;能量密度(3h)为55~70W•h/kg;功率密度为160~500W/kg;快速充电从满容量的40%充到80%为15min;工作温度为-30~+50℃。

镍氢电池的优点是能量密度、功率密度高于铅酸电池,循环使用寿命在实际电动汽车用电池中也是较高的;快速充电和深度放电性能好,充放电效率高;无重金属污染,全密封免维护。

镍氢电池的缺点是成本高,价格为相同容量铅酸电池的5~8倍;单体电池电压低(1.2V);自放电损耗大;对环境温度敏感,电池组热管理要求较高。

近几年来,随着电动汽车的发展,镍氢电池也受到了普遍的关注,随着镍氢电池技术的不断发展,其能量密度、功率密度、循环寿命和快速充电能力还会大幅度提高,价格也将大幅度降低。许多公司把镍氢电池作为今后电动汽车使用的首选电池。2.4 超级电容2.4.1 超级电容概述

超级电容准确地说应该称为电化学双电层电容(Electrochemical Double Layer Capacitor,EDLC)。德国人Helmholtz于1853年发现,在电势的作用下,电极和电解液之间的固/液双层结构间可以存储能量,它通过电解质极化以静电方式来存储能量。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其他种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。2.4.2 超级电容原理及特性

1.超级电容的储电原理

超级电容是近期发展起来的一种新型储能元件,它既像静电电容一样具有很高的放电功率,又像电池一样具有很大的电荷储存能力,使得在这两种元件之间找到了一个最佳的结合点。由于其放电特性与静电电容更为接近,所以仍然称之为“电容”。目前超级电容器的名称尚不统一,有超级电容器、超电容器、电化学电容器、超大容量电容器等名称,也有称为双电荷层电容器或双电层电容器的。

从储电原理上,超级电容可以分为以下两种:(1)双电层电容

双电层电容是基于高比表面积碳材料与溶液间界面双电层原理的电容器。它可以用Helmhotz的双电层模型来说明。该模型认为电极表面的静电荷从溶液中吸附部分不规则分配的离子,它们在电极/溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排,形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层,如图2-10所示。由于界面上存在位垒,两层电荷都不能越过边界彼此中和,这样充电界面由两个电荷层组成,一层在电极上,另一层在溶液中,因此称为双电层。这是一种静电型能量储存方式。电容器总电容为正负两极电容串联的结果。图2-10 双层电容原理(2)法拉第准电容

法拉第准电容的电极中包含二维(如:H或一些金属(Pb、Bi、Cu))或准二维(如:多孔过渡金属氧化物(RuO、IrO))材料,22在充放电过程中,电极的表面发生电沉积或氧化还原过程。这种电容的储能方式不再是单纯的物理储能,而是与电池一样发生了法拉第电荷传递的电化学变化过程。但是其充放电却具有电容特性:①两极电位与电极上施加或释放的电荷几乎呈线性关系;②如果该系统电压随时间呈线性变化dV/dt=K,则产生恒定或几乎恒定的电流I=C dV/dt=CK,因此也叫电化学电容。

法拉第准电容不仅发生在电极表面,而且可深入电极内部,因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极面积下,法拉第准电容的电容量可以是双电层电容的10~100倍。

实际上对于双电层电容器而言,其电极材料也并非局限于碳材料,而且或多或少的会有电化学反应;另外二维、准二维材料也有很大一部分双电层容量,二者界限并不是非常明晰,现在超级电容这个名称已广为采用。

2.超级电容的性能特点

与电池相比,超级电容具有许多电池无法比拟的优点,如表2-2所示。表2-2 超级电容和静电电容及电池的特性比较 静电电容超级电容铅酸电池-6-3放电时间1~30 s0.3~3 h~10 s10-6-31~30 s1~5 h充电时间~10 s10能量密度(Wh/kg)<0.11~1020~100功率密度(W/kg)>10,0001000~200050~200循环效率(%)≈1.00.9~0.950.7~0.85∞>100000500~2000循环寿命(次)(1)有非常高的功率密度。超级电容的功率能量比值远远高于普通蓄电池。其功率密度可为电池的10~100倍,达到10kW/kg左右。可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得电容器非常适合用于短时间高功率输出的场合。(2)充电速度快。超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快速、可逆的电化学过程,可采用大电流充电,能在几十秒至几分钟内完成充电过程,是真正意义上的快速充电。电容的电压与电流不互相关联,也就是在任何荷电状态值处,超级电容器都可以以满电流方式放电。(3)循环寿命长,半永久性使用,无须更换。超级电容器充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆性,不易出现类似电池中活性物质的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的寿命终止的现象,碳基电容器的理论循环寿命为无穷,实际可达10万次以上,比电池高10~100倍。(4)效率高。由于电容的内阻非常小,一般只有几个毫欧,所以电容的充电过程与放电过程基本是可逆的,效率可以达到0.99以上。(5)低温性能优越。超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行,所以容量随温度的衰减非常小。电池在低温下容量衰减幅度却可高达70%。(6)控制简单。由于电容电量可以由电压来反映,电容的控制可以通过简单的电压控制来实现。(7)绿色环保。超级电容所使用的为无污染材料,所以它为绿色环保产品。2.5 空气电池

空气电池是以空气中的氧气作为正极活性物质,以常用金属为负极活性物质的一类电池。它的电解质常用碱性氢氧化钾(KOH)溶液。因为做负极的金属材料可选性很多,所以空气电池的种类也较多。一般以所选负极材料的金属名为电池的第一个字,后加空气电池即为电池名。常见的有锌(Zn)做负极的锌空气电池,以铝(Al)为负极材料的铝空气电池,或者以锂(Li)作负极材料的锂空气电池。2.5.1 锌空气电池

锌空气电池的发明已经有上百年的历史,1995年以色列电燃料(Electric Fuel)有限公司首次将锌空气电池用于电动汽车(EV)上,使得空气电池进入了实用化阶段。美国Dreisback Electromotive公司以及德国、法国、瑞典、荷兰、芬兰、西班牙和南非等多个国家也都在EV上积极地推广应用锌空气电池。

1.锌空气电池的工作原理

锌空气电池以氧为正极、锌(Zn)为负极、氢氧化钾(KOH)为电解质,如图2-11所示。图2-11 锌空气电池原理图

锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似,其基本工作原理为-电池负极上的锌与电解液中的OH发生电化学反应(负极反应),释放出电子。同时反应层中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的空气中的氧气相接触,吸收电子,发生电化学反应(正极反应)。

空气正极反应:

锌负极反应:

总反应:

锌空气电池充电过程进行得十分缓慢,通常锌空气电池负极的锌板或锌粒,在放电过程中被氧化成氧化锌而失效后,一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的办法,使锌空气电池完全更新。

2.锌空气电池的构造

在单体电池中以锌为正极,氧为负极,采用外氧式设计,在锌空气电池两侧有两块高功率、长寿命的空气电极,如图2-12所示。

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