第三章-动力蓄电池及储能装置

第三章动力蓄电池及储能装置按反应原理分为三大类：生物电池利用生物分解反应表现带电现象进行能量转换，有酶电池、微生物电池和生物太阳电池等。物理电池利用光、热、物理吸附等物理能量发电，如超级电容；太阳能、飞轮、核能、温差等电池。化学电池把化学反应所产生能量直接转换为电能，依据能否充电复原，分为原电池和蓄电池两种。碱性电池以氢氧化钾水为电解液，如碱性锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池等；按电池的电解液种类分为四大类酸性电池主要以硫酸水溶液为介质，如铅酸蓄电池；中性电池以盐溶液为介质，如锌锰干电池；有机电解液电池以有机溶液为介质，如锂电池、锂离子电池等。一、电能储存装置的种类锌系列有锌锰电池、锌银电池等；按电池的正负极材料分为六大类按电池特征功能分为四大类镍系列有镍镉电池、镍氢电池等；锂系列有锂离子电池、锂锰电池、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池；二氧化锰系列有锌锰电池、碱锰电池等；空气(氧气)系列有锌空气电池、铝空气电池等。又称“激活电池”，在贮存期其正、负极活性物质不接触，使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活。贮备电池一次电池为不可充电的原电池，若电解质不流动则称干电池；二次电池为可充电的蓄电池，是目前电动汽车所用的主要动力电池；铅系列电池有铅酸电池等；燃料电池又称“连续电池”，将活性物质不断注入能连续放电的电池；电动汽车的电能储存装置主要有：二次电池、超级电容器、飞轮电池、太阳能电池和车载发电装置等。1．二次电池(SecondaryBattery)——又叫可充电电池(RechargeableBattery)现代电动汽车最常用的二次电池有铅酸蓄电池(Lead-acid)、镍-氢(Ni-MH)电池、锂离子(Lithium-ionization)电池、镍-金属氢化物(Ni-MH)电池和铁电池等五类；蓄电池(StorageBattery)习惯上指铅酸蓄电池，也属于二次电池。2．超级电容器（SuperCapacitor）——又叫电化学电容器它是一种新型的、双电层电容器，与常见的物理电容器不同。其特点是电容量大，比物理电容器的极限容量高3-4个数量级，达到了103F/g以上。3．飞轮电池FWB(FlyWheelBattery)——亦称飞轮储能器、高速或超高速飞轮储能器它是利用飞轮高速旋转储存和释放电能的一种装置。这种电能储存装置目前应用得较少，但其应用前景仍然被不少研究和开发人员看好。一、电能储存装置的种类电动汽车的电能储存装置主要有：二次电池、超级电容器、飞轮电池、太阳能电池和车载发电装置等。4．太阳能电池(solarcell）——将太阳辐射直接转换成电能的器件（本课程不讲授）它是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。5．车载发电装置车载发电装置主要有风力发电、质子交换膜发电等。一、电能储存装置的种类二、电能储存装置的主要性能指标1．比能量：单位质量的电能储存装置所能输出的能量，单位为J／kg、W·h／kg或kW·h／kg。电能储存装置总质量一定时，比能量越高，汽车续驶里程越长；2.能量密度：单位体积电能储存装置所能输出的能量，单位为W·h／L或kW·h／L。能量密度越高，汽车的载质量和车内空间越大；3.比功率：单位质量电能储存装置所具有电能的功率，单位为W／kg或kW/kg。电能储存装置的比功率越大，汽车加速、爬坡性能越好；最高车速亦越高。4.功率密度：单位体积电能储存装置所能输出的功率，单位为W／L或kW／L。5.寿命：指其使用时间的长短或充、放电的循环次数，单位为年、小时或循环次数6.充电效率：指充入电能储存装置的电能占充电时消耗的电能的百分比。对于EV，其电能储存装置应具有尽可能高的比能量，以保证汽车的续驶里程;对于HEV，其电能储存装置则应具有尽可能高的比功率，以保证汽车的动力性。几种二次电池的比能量和比功率比较铁电池——主要用于高放电需求的产品，拥有比碱性电池长7倍以上的使用寿命，而且自放电低、储藏寿命长达15年，可大幅减少电池丢弃数量。此外，由于采用高能金属元素锂和全自然的硫化铁元素，铅、汞含量为零，所以它又被认为是一款真正的绿色环保电池。有高铁和锂铁两种，高铁电池以合成稳定的高铁酸盐（K2FeO4、BaFeO4等）为正极材料。铁电池常用二次电池的的性能比较超级电容在寿命、比功率和充、放电效率方面具有明显优势；锂离子电池则在比能量和比功率方面具有极强的竞争力；铅酸蓄电池各种指标均处于中等水平。但其突出优点是成本低、可靠性高。注：从优到差的顺序为◎→○→△→×1．基本术语充电/放电：外部电源输入直流电能转换为化学能贮存的过程/将化学能以电能释放而向外电路输送电流；放电容量：电池在标准规定条件下的放电电量或有效工作时间；短路电流：电池短路后一瞬间流过的电流，可达额定电流的数十倍。放电率：放电率指放电时的速率，常用“时率”和“倍率”表示。“时率”指以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数，“倍率”指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值上等于额定容量的倍数。“时率”和“倍率”在数值上互为倒数。荷电状态SOC:使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。放电深度DOD:指当前放电状态，DOD=1-SOC活性物质：电池放电时，能进行氧化或还原反应而产生电能的电极材料；充电率：充电时的速率，也用时率和倍率表示；恒压充电/恒流充电：保持充电器端电压不变/充电电流保持不变；极化：极化是电池由静止状态(电流i=0)转入工作状态(i0)产生的电池电压、电极电位的变化现象。极化现象有阳极极化、阴极极化、欧姆极化(电阻极化)、浓差极化和电化学极化充电效率：指充入电池的电能与所消耗总电能的百分比。三、二次电池的基本概念2.主要性能指标开路电压：电池不放电处于断路状态时，电池两极之间的电位差被称作开路电压。开路电压下降很快或低于公称电压值时则是不正常的；内阻：内阻包括欧姆内阻和极化电阻两部分。极化电阻是电极反应形成的，与电极反应的本质及电池材料有关；工作电压：受放电制度的影响很大。放电制度是指电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电方式（连续的还是间断的）、放电电流、放电时间、终止电压、放电电阻、放电环境温度的高低等。终止电压：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。在低温或大电流放电时，电极极化大，活性物质不能得到充分利用，电池电压下降较快，因而终止电压低。放电曲线：电池工作电压随放电时间的变化曲线。下图为6Ah的Li离子电池在不同放电率下的放电曲线。可以看出，放电电流越大(时率越小)，终止电压越低。不同放电时率下的放电曲线13终止电压放电时间/h24681012工作电压/V2.22.01.81.61.45810放电时率容量(Ah)：在一定放电制度下，电池给出的电量或有效工作时间。可分为理论容量、实际容量、额定容量和标称容量等.(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(Ah／kg)或体积容量(Ah／L)来表示;(2)实际容量：在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积;(3)额定容量(保证容量)：按一定标准所规定的放电条件下，电池应该放出的最低限度的容量，达不到此值时，可认为该电池不合格;(4)标称容量(公称容量)：用来鉴别电池适当的近似安时值，由于是在没有指定的放电条件，因此，只标明电池的容量范围而没有确切值；能量(kW·h)：在一定的放电条件下，电池对外做功时所能输出的电能；功率(kW)：在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定电动汽车的加速性能和最高车速等;成本：电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关;寿命：指使用时间的长短或充、放电循环次数，单位为年、小时或循环次数。何时用容量来衡量？什么情况下用能量表示？思考蓄电池的放电方式1）工况放电。模拟实际运行时负荷的相应负载放电；2）倍率放电。蓄电池以额定电流倍数值进行的放电；3）深度放电。50％或更大容量被释放的程度；4）恒流放电。以受控的恒定电流进行放电；5）恒功率放电。以受控的恒定功率进行放电。充电效率：指充入电池的电能与所消耗总电能的百分比。2）恒压充电保持充电器端电压不变的充电法；用脉冲电流反复充、放电，以消除记忆效应和恢复极板原晶体结构，并缩短充电时间。4）脉冲式快速充电3）涓流充电为补充自放电以保持完全充电状态的小电流充电；1）恒流充电充电电流保持不变的充电法；蓄电池的充电方式要求：以高比功率提高加速、爬坡性能；高比能量延长续驶里程；并有寿命长、安全可靠、免维护、成本低、效率高、污染小、使用温度宽以及制作电池的原材料丰富等。表1-3各类动力储能装置的性能优缺点比较电池类型单体电池电压/V比能量/(W·h/kg)比功率/(W/kg)寿命/次优点缺点铅酸蓄电池2.035～4050400～800技术成熟、原料丰富、价格低、温度特性好比能量和比功率较低、寿命短、存在铅毒等污染镍氢蓄电池1.255～70160～50600放电倍率高、免维护自放电高、单体电压低锂离子电池3.61103001000以上比能量大、寿命长成本高、须有保护电路聚合物锂电池3.8150315约800比能量大、超薄化成本高磷酸铁锂电池3.2100-2000寿命长、安全性好、体积大锌空气电池-180～230小-比能量大比功率低铝空气电池-350小长比能量大、成本低比功率低超级电容-小1000万次以上比功率大、寿命超长比能量小高速飞轮-较小大长比功率大、寿命长比能量较小燃料电池----寿命长、效率高、污染小、噪声低、可快速补充能源和连续工作目前存在制氢、储氢的成本和安全等问题，有待进一步探索提高来解决各类动力储能装置的性能比较3.性能比较电池种类比能量/Wh/kg比功率/W/kg寿命/次生产公司优点缺点铅酸35～4080～300400-1000通用、丰田、福特原材料丰富、价格低、技术成熟能量密度太低、寿命短Ni-Cd50～60200～5001000以上雷诺、Microcar、SeerVolta、标致-雪铁龙循环寿命长，比能量较高重金属镉的污染严重，有记忆效应Zn-空气200～30070短美国CRX、ElectricFuel比能量大寿命短，比功率小，不能输出大电流及难以充电Na-S1091501000以上美国福特、德国ABB比能量大，寿命长，转换效率高使用温度高，存在高温腐蚀，性能不够稳定，使用不安全Na-NiCl21201501000德国AEGAnglo、DaimlerBenz、宝马比能量大，寿命长，转换效率高工作温度高Ni-MH70-～80200～15001000以上美国OVONIC、通用、福特、法国SAFT、日本东北电力、松下、丰田等比能量大，比功率高，可高倍率放电，循环寿命长，无记忆效应，无污染，免维护，安全可靠成本较高Li离子60～15080～20001000以上日产、Varta、Polyster、Sony、Chrysler比能量大，单一致性差，安全性不高，价格较贵电池能量密度和比能量的变化汽车的续驶里程、车速等与蓄电池的放电电流、放电端电压、效率、输出功率等密切相关。放电特性通常可表示为:U0＝Ub+IbRi式中：U0－蓄电池的开路端电压(V)；Ub－蓄电池放电时的端电压(V)；Ib－蓄电池的放电电流(A)；Ri—蓄电池的内阻(Ω).输出功率Pb＝IbUb＝Ib(U0-IbRi)效率:ηb＝(IbUb)／(IbU0)＝(U0-IbRi)／U0＝1-(IbRi)／U0蓄电池能输出的最大功率为:Pbmax＝U02／(4Ri)输出最大功率时的放电电流为:Ibmax＝U0／(2Ri)电流、功率和效率的关系放电电流Ib与输出功率Pb、蓄电池的开路端电压U0和放电时的端电压Ub之间的关系如下图所示。初步确定蓄电池的单电池数量假设某HEV需要的最大电功率为30kW，单节电池的开路端电压U0=2V，蓄电池的