純電動汽車-動力電池第一頁，共58頁。鋰離子電池工作原理圖

充電時鋰離子從氧化物正極晶格脫出，通過鋰離子傳導的有機電解液后遷移嵌入到碳負材料負極，負極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，保證負極的電荷平衡;

放電時則恰好相反，鋰從碳材料中脫出回到氧化物正極中，正極處于富鋰態(tài)。第二頁，共58頁。第三頁，共58頁。鋰離子電池性能與傳統(tǒng)的化學電源體系相比，它具有以下優(yōu)點.1、比能量高。鋰離子電池的比能量可達到200Wh/Kg和300Wh/L，約為傳統(tǒng)鋅錳、鉛酸和鎳鎘電池的6倍;2、工作溫度范圍寬?？稍?200C-+750C環(huán)境溫度下工作;3,貯存性能好。鋰一次電池通?？少A存5-10年，鋰二次電池的自放電一般小于15%(一年)，約為常規(guī)鉛酸、鎳鎘電池的1/10;第四頁，共58頁。鋰離子電池性能4、電壓高3.6伏(一般為3.0伏以上)且放電電壓平穩(wěn);5、自放電小、循環(huán)使用壽命長;6、無記憶效應。目前，作為一種應用趨勢，鋰離子動力電池越來越多地在電動汽車上得到應用。我國鋰離子動力電池在電動汽車上的應用已列入國家高技術研究發(fā)展計劃（"863”計劃)和國家“十五”計劃。第五頁，共58頁。第六頁，共58頁。鋰離子電池的組成鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，正負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成，正極一般采用鋰化合物LiXCoO2,LiXNiO2或LiMn2O4，負極采用鋰一碳層間化合物LiXC6，電解質(zhì)為LiPF6和LiAsF6等有機溶液，經(jīng)Li十在正負電極間的往返嵌入和脫嵌形成電池的充電和放電過程。在充電時，Li十正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)，放電時剛好相反。第七頁，共58頁。第八頁，共58頁。鋰離子電池的數(shù)學模型鋰離子電池建模的基礎是如何確定鋰離子電池的電動勢、內(nèi)阻的特性函數(shù)。這些特性函數(shù)的確定是基于電池荷電狀態(tài)值SOC(StateofCapacity)變化關系的結果上得到的。第九頁，共58頁。充電特性第十頁，共58頁。鋰離子電池的荷電狀態(tài)值鋰離子動力電池的兩個基本特性:

1、電池的容量與放電電流有關，放電電流越大，則在該電流下所能放出的有效容量就越少，這種特性簡稱容量特性2、電池的工作電壓與放電的深度有關，放電電流及放電深度越大，電池的工作電壓下降得越多，這種特性我們簡稱為電壓特性第十一頁，共58頁。電池能量模型建立的基礎是電池的等效電路圖，

電池的容量特性將直接影響電動汽車的有效續(xù)駛里程，而它的電壓特性則直接影響電動汽車的動力性，兩者相互關聯(lián)，相互影響，構成了電池的(2.7v-4.2v)放電特性。第十二頁，共58頁。放電特性實驗發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在放電終止電壓2.7V的條件下，放電電流越大電池的極化越大，電池的放電容量越小，但電池的靜態(tài)電壓與電池的放電深度的關系是基本保持不變的狀態(tài)。鋰離子電池以大電流放電（大于2C)的情況下，電池的放電曲線出現(xiàn)了電壓先降低后升的現(xiàn)象。第十三頁，共58頁。實例在25℃下,單體電池以不同倍率恒流充電到4.2V后,轉恒壓充電,當充電電流小于恒流充電電流的10%時停止充電,第十四頁，共58頁。實例從圖1a可知:單體電池的充電曲線分為恒流充電和恒壓充電兩部分,隨著充電電流的增加,單體電池恒流充電容量所占比例減少,恒壓充電容量所占比例增加;隨著充電倍率的提高,單體電池恒流充電過程中的電壓上升速率加快,充電平臺也升高。當充電倍率達7.0C時,基本看不到LiMn2O4

的特征充電平臺,這主要是因電池在高倍率充電下電化學極化增大造成的。第十五頁，共58頁。實例由圖1b可見:單體電池在不同倍率下的放電曲線的形狀基本相似,放電初期和接近結束時的電壓下降較快,放電中期的電壓變化較小,呈現(xiàn)出放電平臺。單體電池的1.0C放電平臺保持在3.85V左右;。隨著放電倍率的增加,電池的放電平臺隨之下降,容量也隨之減少。放電倍率增加到6.0C時,放電平臺降低至3.57V左右,放電容量為1.0C容量的91%。繼續(xù)增加放電倍率到12.0C,放電平臺保持在3.31V左右,放電容量接近1.0C容量的62%。第十六頁，共58頁。第十七頁，共58頁。第十八頁，共58頁。第十九頁，共58頁。第二十頁，共58頁。第二十一頁，共58頁。可用容量第二十二頁，共58頁。電池容量t—蓄電池放電時間;n—Peukert常數(shù)，對于不同的電池取值不同。第二十三頁，共58頁。第二十四頁，共58頁。電池的可利用系數(shù)第二十五頁，共58頁。電池荷電狀態(tài)電池的荷電狀態(tài)值k簡記作soc，也可用百分量來計量。第二十六頁，共58頁。鋰電池內(nèi)阻的數(shù)學模型第二十七頁，共58頁。表示為以電池荷電狀態(tài)值的函數(shù)：第二十八頁，共58頁。電池端電壓的計算如下:第二十九頁，共58頁。第三十頁，共58頁。第三十一頁，共58頁。第三十二頁，共58頁。第三十三頁，共58頁。第三十四頁，共58頁。第三十五頁，共58頁。第三十六頁，共58頁。缺點:(1)鋰離子電池在充電時正極中的鋰離子溶出太多回不到原來的狀態(tài)致使電池放電時鋰離子不能填充到正極的通道。表現(xiàn)為電池充電充不進去造成永久性破壞。這樣我們就必須采取措施限制充電電壓的方式來控制鋰離子的溶出量;(2)鋰離子電池放電放到終點時，內(nèi)部物質(zhì)就會發(fā)生質(zhì)變，即負極上的石墨層中的鋰離子全部脫落，下次充電時，沒有鋰離子的負極石墨層就不能保證回路通暢，所以要采取措施控制放電電壓的大小;(3)如果不慎使電池短路或者過大的沖放電電流會使電池內(nèi)部溫度過高而耗損能量，這樣會縮短放電時間，所以要進行過電流保護。第三十七頁，共58頁。第三十八頁，共58頁。第三十九頁，共58頁。第四十頁，共58頁。第四十一頁，共58頁。從以下三方面進行注意:1.鋰離子電池具有較大的內(nèi)阻，無法實現(xiàn)快速充電或者放電，高速率充電或放電將致使電池溫度超過允許的范圍，引發(fā)安全隱患。因此，要嚴格限制鋰離子電池充放電速率，嚴格控制鋰離子電池的工作溫度;2.電池進入恒壓充電階段后，要嚴格控制電池的充電電壓，防止出現(xiàn)過壓充電或欠壓充電;3.放電過程中，要防止電池出現(xiàn)深度放電。當電池的端電壓低于電池的放電終止電壓時，要立即停止電池的放電工作。第四十二頁，共58頁。第四十三頁，共58頁。第四十四頁，共58頁。第四十五頁，共58頁。超級電容由于電動汽車頻繁啟動和停車，使得蓄電池的放電過程變化很大。在正常行駛時，電動汽車從蓄電池中吸取的平均功率相當?shù)?，而加速和爬坡時的峰值功率又相當高，一輛高性能的電動汽車的峰值功率與平均功率之比可達到16:1。用于加速和爬坡時所消耗的能量占到總能耗的2/3,在現(xiàn)有的電池技術條件下，蓄電池必須在比能量和比功率以及比功率和循環(huán)壽命之間做出平衡，而難以在一套能源系統(tǒng)上同時追求高比能量、高比功率和長壽命。為了解決電動汽車續(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，可以考慮采用兩套能源系統(tǒng)，其中由主能源提供最佳的續(xù)駛里程，而由輔助能源在加速和爬坡時提供短時的輔助動力。輔助能源系統(tǒng)的能量可以直接取自主能源，也可以在電動汽車剎車或下坡時回收可再生的動能。選用超級電容作輔助能源已引起廣泛關注。第四十六頁，共58頁。超級電容的特點在近期內(nèi)，超級電容極低的比能量使得它不可能單獨用作電動汽車能量源，但使用超級電容作輔助能量源具有顯著優(yōu)點。在電動汽車上使用的最佳組合為電池＆超級電容混合能量系統(tǒng)，從而使得電動汽車對電池的比能量和比功率要求分離開來。電池設計可以集中于對比能量和循環(huán)壽命要求的考慮，而不必過多地考慮比功率問題。由于超級電容的負載均衡作用，電池的放電電流得到減少從而使電池的可利用能量、使用壽命得到顯著提高。而且與電池相比，超級電容可以迅速高效地吸收電動汽車制動產(chǎn)生的再生動能。由于超級電容的載荷均衡和能量回收作用，車輛的續(xù)駛里程得到極大地提高。但該系統(tǒng)應對電池、超級電容、電動機和功率逆變器等作綜合控制和優(yōu)化匹配，功率變換器及其控制器的設計應充分考慮到電動機和超級電容之間的匹配。第四十七頁，共58頁。第四十八頁，共58頁。第四十九頁，共58頁。第五十頁，共58頁。第五十一頁，共58頁。第五十二頁，共58頁。第五十三頁，共58頁。第五十四頁，共58頁。第五十五頁，共58頁。超高速飛輪超高速飛輪是實現(xiàn)電動汽車儲能要求的一種有效方式，它具有高比能量、高比功率、長循環(huán)壽命、高能量效率、能快速充電、免維護和良好的性能價格比等優(yōu)點。在混合儲能系統(tǒng)中，若飛輪用作輔助能量源，則飛輪在車輛勻速行駛和再生制動時以機械形式實施充電儲能而在車輛啟動、加速或爬坡時進行發(fā)電并輸出峰值功率。除了可以做主能源的負載均衡裝置之外，超高速飛輪也可單獨用作電動汽車的