1.铅酸电池
铅酸电池是出现最早的可充电电池,其结构如图2-63所示。起动型铅酸电池和深循环铅酸电池作为两种典型铅酸电池,在汽车上得到了广泛应用。起动型铅酸电池采用很多薄板以获得最大的表面积从而能输出最大的电流,而深循环铅酸电池采用很多厚板来获得更长的工作寿命。起动型铅酸电池通常用于起动内燃机然后保持在浮充电状态,如果它作为混合动力电动汽车的电池进行反复充放电,最终会引起危险。对于混合动力电动汽车来说,为其专门设计的深循环铅酸电池组需要具有快速的充放电能力并满足表2-5所示的基本技术要求。铅酸电池的主要优点在于:1)与其他种类电池相比,具有较低的成本;2)电池开环电压较高;3)电池组部件的再循环利用方更;4)由于电解液参与化学反应可以通过测量其相对密度来得到电池荷电状态,因而精确度较高。主要不足在于:1)相对较低的循环寿命,通常只有500~800个周期;2)比能量低,通常只有30~40W·h/kg;3)较高的自放电速率;4)较低的充放电效率。
图2-63 铅酸电池结构
1—盖;2—溢气阀;3—汇流导体;4—单格;5—壳体;6—间隔;7—负极板;8—含电解液的多孔物质;9—正极板。
表2-5 混合动力电动汽车铅酸电池基本技术要求
2.镍镉电池
镍镉电池具有卓越的瞬时充放电能力,广泛应用于需要进行高功率充放电的环境中。混合动力电动汽车中镍镉电池的基本技术要求如表2-6所示。与其他电池相比,镍镉电池在混合动力电动汽车的应用中具有如下优点:1)充电速率高,受控条件下,镍镉电池能够进行1h之内的快速反复充电;2)放电速率高,由于具有较低的内部电阻以及平缓的放电属性,镍镉电池尤其适用于混合动力电动汽车等需要快速放电和高脉冲电流的场合;3)循环寿命长,标准的镍镉电池至少能够进行1000次的充放电循环;4)任何荷电状态下都具有较长的贮藏寿命,镍镉电池在任何荷电状态下都能够进行能量存储,甚至在完全放电后也能够保持自身寿命不受影响。
镍镉电池缺点如下:1)电池容量相对于其他种类电池偏小;2)存在记忆效应,有时可能因为电量衰减和电压减弱,电池的工作性能会出现退化;3)电池含有的铬元素可能会对环境产生影响。
表2-6 混合动力电动汽车镍镉电池基本技术要求
3.锂离子电池
对于新能源汽车的动力电池而言,镍镉电池等已无法满足其发展需要,大规模使用锂离子电池已成定局。锂离子电池具有高效率、高比能量、高能量密度、低自放电速率和长寿命的特点,同时由于其材料可以循环使用,因而属于环境友好型电池,其结构如图2-64所示。据统计,2019年全球锂离子动力电池装机量已达116.6GW·h,其中中国占62.28GW·h。国内的宁德时代、比亚迪等企业在锂离子动力电池方面发展迅猛。对于混合动力电动汽车来说,锂离子电池的基本技术要求如表2-7所示。
图2-64 锂离子电池结构
1—负极耳;2—正极耳;3—绝缘片;4—正极材料;5—隔离膜;6—负极材料;7—电解液;8—铝塑包装膜。
表2-7 混合动力电动汽车锂离子电池基本技术要求
锂离子电池更加适用于混合动力电动汽车的原因如下。
1)开环电压高。锂离子电池具有4V以上的高开环电压,能够大幅减少电池包中电池数量。
2)能量密度高。锂离子电池通常具有高于200W·h/L的能量密度,从而使得电池包更加紧凑。
3)无记忆效应。相对于镍镉电池等电池而言,锂离子更适用于作为混合动力电动汽车的动力电池。
4)比能量高。锂离子电池具有超过250W·h/kg的比能量,可以有效地减轻汽车的质量。
5)宽泛的工作温度范围。许多锂离子电池在不缩短其使用寿命的情况下能够在-30~50℃的温度下正常工作。
6)具备提供高功率的能力。锂离子电池在正常的工作条件下具有较快的充电速率,因此一个小的能量包也能够满足功率峰值的要求和吸收大部分再生能量。
7)平缓的开环电压和内部电阻特性。锂离子电池具备随着荷电状态变化而平缓变化的开环电压和内部电阻特性,使得其能够更加容易地控制混合动力电动汽车的功率流。
目前,混合动力电动汽车中锂离子电池的主要缺点是在过充电时和过热情况下的安全性较低。基于锂离子电池的特性,如果电池过度充电,其正极活性材料可能会出现脱锂现象而达到不稳定平衡点,引起热分解甚至着火;锂离子电池的过热也可能引起锂离子与电解液发生放热反应。为了避免产生过充和过热现象,锂离子电池系统必须采取如下措施:(www.xing528.com)
1)电池包中必须包括能够提供过度充/放电保护的专门电路,同时还需要电池平衡电路;
2)锂离子电池系统中还应包括过高温和过电压保护装置。
目前,以锂离子电池所使用的正极材料进行分类,用作新能源汽车动力电池的锂离子电池主要有三元锂(NickelManganeseCobaltOxide,NCM)电池,磷酸铁锂(LiFePO4)电池和钴酸锂(LiCoO2)电池。正极材料的差异导致了这三种电池在性能、成本和安全方面具有不同的表现,但这三种电池在新能源汽车动力电池方面均有应用,其中,三元锂电池和磷酸铁锂电池占有绝大部分市场。2019年,国内新能源汽车中使用三元锂电池的占比达到65.7%,装机量为40.92GW·h;磷酸铁锂电池占到32.5%,装机量为20.26GW·h。
(1)三元锂电池
三元锂电池的各项指标较为均衡,其比能量较高,性价比较高,能够满足新能源汽车在续驶里程方面的要求,故有成为主流动力电池之一的趋势。使用三元锂电池的有VW eGolf(2015)、RenaultZoe(2017)等车型。
(2)磷酸铁锂电池
随着混合动力电动汽车技术的发展,人们对于电池安全性能、寿命和成本方面的要求越来越高。与其他锂离子电池相比,磷酸铁锂电池具有如下优势:
1)由于铁和磷酸的可循环性因而更环保;
2)热稳定性强,安全性能更好;
3)由于铁和磷酸含量丰富且价格便宜因而成本较低;
4)由于磷酸材料的使用而具有更长的循环寿命和使用寿命。
磷酸铁锂电池的主要缺点在于其比能量较低,不利于提高新能源汽车的续驶里程。对于混合动力电动汽车或者纯电动汽车来说,磷酸铁锂电池的基本技术要求如表2-8所示。
表2-8 混合动力电动汽车磷酸铁锂电池基本技术要求
2020年3月,比亚迪发布了使用“刀片电池”技术的磷酸铁锂电池,并将其搭载于“汉”型新能源轿车。据称,这种电池不仅提高了磷酸铁锂电池包的空间利用率,在针刺实验中的表现也十分稳定,具有很高的安全性。
4.超级电容
超级电容,也称超级电容器,是一种双层电化学电容器。与电池不同,超级电容通过物理性地吸收分离的正电荷和负电荷来直接存储电能。传统的电容通过两块存在电势差的金属板上的电荷来存储电能,为了增加电容,很多材料,我们称之为电解质,被添加到这两块平板之间。与传统电容器不同,超级电容在结构上采用双电荷层结构,从而形成较大的表面积来存储大量的电荷。对于混合动力电动汽车来说,超级电容具有如下优点。
1)比功率密度非常高。与电池不同,超级电容的充/放电速率可以很快,同时电流对电极温度的影响有限,而且超级电容的比功率不难达到2500W/kg。
2)循环寿命非常长。与电池相比,超级电容能够进行几百万次的充放电循环,这使得它能够吸收混合动力电动汽车中所有的可用再生能量。
3)环保。在整个生命周期中不具有不可循环的部分。
4)效率更高。超级电容由于内阻极小,因而在工作过程中几乎不会发热,效率能达到97%以上,远高于普通电池。
混合动力电动汽车中的超级电容的缺点主要有以下两个方面。
1)超级电容的能量实质上要低于普通电池,通常只有同等体积电池的1/10。
2)超级电容的泄漏电阻较大,具有更高的自放电速率。
1.混合动力电动汽车的基本组成主要有哪些?
2.电池的基本类型有几种?分别是?
3.原动机有哪3种?
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