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论文-电动汽车动力电池的特性分析
精品汇编资料
目录
摘要3
前言5
第一章电动汽车发展概况6
1.1电动汽车的定义及简介6
1.2电动汽车的结构6
1.3电动汽车的发展史6
第二章混合动力电动汽车8
2.1混合动力电动汽车的特点8
2.2混合动力电动汽车的能量管理策略8
2.3混合动力汽车分类及各类型的工作原理9
2.3.1串联式混合动力汽车的结构特点9
2.3.2并联式混合动力汽车的结构特点9
2.3.3混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点10
第三章燃料电池电动汽车11
3.1燃料电池电动汽车的特点以及特性分析11
3.2燃料电池的简介11
3.3燃料电池汽车的优缺点12
3.4燃料电池的种类12
3.4.1固体氧化物燃料电池12
3.4.2甲醇燃料电池12
3.4.3甲烷燃料电池12
3.4.4氢燃料电池13
3.4.5微生物燃料电池13
3.4.6质子交换膜燃料电池13
第四章纯电动汽车（EV）14
4.1纯电动汽车的特性分析14
4.1.1纯电动汽车的简介14
4.1.2纯电动汽车的优缺点14
4.2纯电动汽车蓄电池的简介15
4.2.1蓄电池结构图15
4.2.2蓄电池主要部件16
4.3蓄电池的种类17
4.3.1铅酸蓄电池17
4.3.2镍镉蓄电池18
4.3.3镍氢蓄电池18
4.3.4钠硫蓄电池19
4.3.5锂离子电池19
4.3.6锌空气电池19
4.3.7飞轮电池20
4.3.8燃料电池20
4.3.9太阳能蓄电池20
4.4动力电池的工作原理21
4.4.1铅酸电池的工作原理21
4.4.2镍镉蓄电池的工作原理23
4.4.3镍氢蓄电池的工作原理25
4.4.4钠硫蓄电池的工作原理26
4.4.5锂离子电池的工作原理27
4.4.6锌空气电池的工作原理30
4.4.7飞轮电池的工作原理32
4.4.8燃料电池的工作原理34
4.4.9太阳能蓄电池的工作原理36
4.5纯电动汽车的发展情况37
第五章动力电池组特性的分析与均衡管理分析40
5.1动力电池主要性能参数40
5.1.1电压40
5.1.2内阻40
5.1.3温升41
5.1.4内压41
5.1.5电量41
5.1.6荷电41
5.1.7容量41
5.1.8功率42
5.1.9效率42
5.1.10寿命42
5.1.11安全42
5.2动力电池组充放电特性43
5.2.1充电43
5.2.2过充电44
5.2.3放电44
5.2.4过放电44
5.2.5经济速度与续驶里程45
5.2.6加速与爬坡45
5.2.7刹车制动与逆变45
5.2.8先进的电池组使用方法45
5.3动力电池组的均衡控制和管理46
5.3.1断流与分流46
5.3.2能耗与回馈46
5.3.3能量变换器47
5.3.4静态与动态47
5.3.5单向和双向48
5.3.6集中与分散48
5.3.7独立与级联49
5.3.8效率与安全50
5.3.9控制与管理50
5.3.10均衡小结50
5.4动力电池的选用策略51
总结53
致谢54
参考文献55
电动汽车动力电池的特性分析
学生：
李帅
指导老师：
皮胜文
学院：
机电工程学院
摘要
本文介绍了电动汽车发展状况，电动汽车的工作原理和动力电池的特性分析。
在本课题的设计中，笔者研究的内容主要包含了国内外电动汽车的发展状况，电动汽车的结构、工作原理，动力蓄电池的种类、工作原理及特性分析。
随着汽车拥有量逐年增加，汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题日益严重，电动汽车是目前最具开发潜力的绿色交通工具，发展电动汽车必是日后汽车发展的主要方向。
研究低成本高效电池和社会充电系统是今后我国电动汽车的发展趋势。
关键词：
低碳经济、电动汽车、动力电池
Abstract
Thispaperintroducesthedevelopmentofelectricvehicles,workingprincipleofelectricvehicleandthecharacteristicsofthepowerbattery.
Inthedesigningofthissubject,myresearchmainlyincludesthedevelopmentofelectricvehicles,structureofelectricvehicle,workingprinciple,categoryofbattery,workingprincipleandanalysisofcharacteristics.Withtheincreasingnumbersincars,itcauselotsofproblemssuchasairpollutionanddecreaseinresourses.electricvehiclehasthepotentialtobethegreentooloftransportantion,itistheimportantderectionofdevelopmentincars.low-cost,highefficiencybatteryandsocialchargingsystemwillbethetrendofdevelopmentincars.
Keywords:
low-carboneconomy,electricvehicles,powerbattery
前言
能源危机和日益严重的环境污染使汽车技术正经历着燃料多元化、动力电气化等重大技术变革。
具有高效节能、低排放或零排放优势的电动汽车重新获得了生机，并受到世界各国的广泛重视，是国际节能环保汽车发展的主攻方向，世界上许多国家都开始投入大量资金开发新能源汽车。
新能源汽车已成为世界各大汽车公司21世纪初激烈竞争的焦点，动力技术革命将彻底改变2l世纪汽车业的面貌。
电动汽车实现产业化的关键在于电池，铅酸、镍氢、锂电池在成本、稳定性、性能指标等方面各有优势，也一直存有争议。
依据2009年工信部公布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》，新能源汽车产品划分为起步期、发展期、成熟期三个不同的技术阶段，燃料电池汽车属于起步期，锂电池电动汽车属于发展期，铅酸蓄电池电动汽车属于成熟期产品。
从动力电池技术路线的发展历程看，最早是铅酸电池，后来是Ni-MH电池，再进一步是锂离子电池。
由于磷酸铁锂安全性和性能都非常好，现在各国都在重点技术攻关，普遍认为是今后动力电池的一个主导方向。
但据统计，目前全球90%的电动车车型使用的是日韩的电池，技术路线以锰酸锂加三元材料为主。
国内上市公司中，德赛电池、华芳纺织等生产电池，中国宝安等生产磷酸铁锂，杉杉股份主攻三元材料和锰酸锂，中信国安、西藏矿业等拥有上游锂资源。
第一章电动汽车发展概况
1.1电动汽车的定义及简介
电动汽车（ElectricVehicle）是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。
一般采用高效率充电电池，或燃料电池为动力源。
电动汽车无需再用内燃机，因此，电动汽车的电动机相当于传统汽车的发动机，蓄电池相当于原来的油箱。
传统燃油汽车的传能方式为刚性的物理齿轮传动装置，而电动车的传能方式为电导线，这就使电动车的布局更加自由化，结构更加简单，维修更加容易，使用寿命更长，并可直接利用电子技术进行传动、显示和控制，使风阻系数大大减少，还易于实现自动控制，同时安全性也优于内燃机汽车。
电动汽车主要包括有：
纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）等。
1.2电动汽车的结构
电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等，分别是电源、驱动电动机、电动机调速控制装置、传动装置、行驶装置、转向装置、制动装置、工作装置。
电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。
电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。
电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。
1.3电动汽车的发展史
一百多年来，电动汽车在汽车发展史中经历了三次重大机遇。
第一次发生在一百余年前。
由于当时电池和电机的发展较内燃机成熟，而且石油的运用还没有普及，使电动汽车在早期的汽车领域中占有举足轻重的位置。
第一辆电动汽车（3轮）由法国人古斯塔夫•土维（GustaveTrouve）在1881年制造出来，此后三四十年间，电动汽车在当时的汽车发展中占据着重要位置。
19世纪末期到1920年是电动车发展的一个高峰。
在早期的汽车市场上电动车比内燃机驱动车辆有着更多优势：
无气味、无震荡、无噪音、不用换挡和价格低廉，这使得当时的市场是以电动车为主导。
随着美国德州石油的开发和内燃机技术大大提高，电动车在1920年之后渐渐地失去了优势。
汽车市场逐步给内燃机驱动的汽车所取代。
第二次是在70年代石油危机的爆发时.由于石油的大量开采和内燃机的种种优越性，电动汽车渐渐被人们忽视。
直到上世纪70年代石油危机的爆发，给世界各国政界一次不小的打击，开始考虑替代石油的其他能源，包括风能、太阳能、电能等可再生能源。
因此从政治经济方面考虑，才又给了电动汽车第二次机遇，又一次被人瞩目。
第三次机遇开始于20世纪90年代，各个主要的汽车生产厂家开始关注电动车的未来发展并且开始投入资金和技术在电动车领域。
在1990年1月的洛杉矶汽车展上，通用汽车的总裁向全球推介Impact纯电动轿车。
1992年福特汽车使用钙硫电池的Ecostar，1996年丰田汽车使用镍氢电池的RAV4LEV，1996年法国雷诺汽车的Clio，1997年丰田的Prius混合动力轿车下线，1997年日产汽车推出世界上第一辆使用锂离子电池的电动车PrairieJoyEV，1999年本田汽车发布、销售混合动力Insight。
第二章混合动力电动汽车
2.1混合动力电动汽车的特点
混合动力电动汽车是将电力驱动与传统的内燃机驱动相结合，充分发挥了二者的优势。
同时，它可以从根本上解决现在纯电动汽车动力性能差和续驶里程短的问题。
混合电动汽车与纯电动汽车相比，其主要优势是：
1）电池容量大为减少，进而可以降低整车重量，为提高动力性作出贡献。
2）由于采用辅助动力驱动，打破了纯电动汽车续驶里程的限制，其长途行驶能力可与传统汽车相媲美。
3）在混合动力电动汽车上采用高度实时和动态的优化控制策略，优化控制的结果尽量使动力系统各部件工作在最佳状态效率区域，大大限制了内燃机在恶劣工况下的高燃油消耗和大量的尾气排放，大大提高了混合动力汽车的燃油经济性。
在排放限制严格的地区，还可关闭辅助动力，以纯电动方式工作，成为零排放汽车。
4）空调系统等附件由内燃机直接驱动，有充分的能源供应，保证了汽车的乘坐舒适性。
5）在控制策略的作用下，辅助动力可以向储能装置（一般为电池组）提供能量，从而保证混合动力电动汽车无需停车充电，因此可利用现有加油站，不需要进行专用充电设施的建设。
6）由于混合动力汽车的电池组在使用过程中是浅充浅放，所以可以延长电池的使用寿命。
2.2混合动力电动汽车的能量管理策略
混合动力电动汽车具有两个以上的动力源，因此为了解决混合动力汽车多动力源所引起的模式切换和功率分配，需要引入一个能量管理系统对系统的能量流动进行合理的分配。
管理系统应遵循选定的能量管理策略并对其进行优化，以实现混合动力电动汽车要达到的目标。
一般来说，应达到的几个主要设定目标是：
（1）使燃油经济性最优；
（2）使排放最低；
（3）为了保持整车价格能够被市场接受，使驱动系统的成本最小化；
在实现上述三点的同时，维持或者提高整车的性能（加速性能、续驶性能、操作灵活性等）。
2.3混合动力汽车分类及各类型的工作原理
2.3.1串联式混合动力汽车的结构特点
串联混合动力电动汽车SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。
在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。
蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。
当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。
由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。
2.3.2并联式混合动力汽车的结构特点
图3.1并联式混合动力汽车
并联式混合动力汽车的组成
1、发动机2、电动机/发动机3、机械传动系统4、驱动电动机
5、逆变器6、蓄电池组
PHEV是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。
如上图所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。
电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可分为：
（1）在发动机输出轴处进行组合；
（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。
上图是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：
1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；3）在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。
2.3.3混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点
图3.2混联式混合动力汽车
混联式混合动力汽车的组成:
1、发动机2、电动机/发动机3、变速器或减速器4、驱动桥5、逆变器6、电动机7、蓄电池组
PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。
电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。
第三章燃料电池电动汽车
3.1燃料电池电动汽车的特点以及特性分析
燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。
总的来说，燃料电池具有以下特点：
（1）能量转化效率高，他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。
（2）有害气体SOx、NOx及噪音排放都很低，CO2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
（3）燃料适用范围广。
（4）积木化强、规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。
（5）负荷响应快，运行质量高。
燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率。
3.2燃料电池的简介
能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。
1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。
1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。
由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。
60年代这种电池成功地应用于阿波罗（Appollo）登月飞船。
从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。
从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。
当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。
依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
3.3燃料电池汽车的优缺点
燃料电池汽车与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：
（1）零排放或近似零排放。
（2）减少了机油泄露带来的水污染。
（3）降低了温室气体的排放。
（4）提高了燃油经济性。
（5）提高了发动机燃烧效率。
（6）运行平稳、无噪声。
3.4燃料电池的种类
3.4.1固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池（PEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
3.4.2甲醇燃料电池
直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇而勿需预先重整。
甲醇在阳极转换成二氧化碳，质子和电子，如同标准的质子交换膜燃料电池一样，质子透过质子交换膜在阴极与氧反应，电子通过外电路到达阴极，并做功。
较其它电池能量转化率高。
直接甲醇燃料电池技术困难
1.催化剂：
采用贵金属纳米催化剂，成本高。
活性及稳定性达不到理想要求；
2.质子交换膜：
杜邦公司Nafion膜甲醇透过很严重，造成燃料浪费，阴极混合电位，性能下降；
3.电池集成：
针对DMFC的集成技术还不完善,这种电池的期望工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约是40%左右。
3.4.3甲烷燃料电池
甲烷燃料电池是化学电池中的氧化还原电池。
燃料电池是燃料和氧化剂（一般是氧气）在电极附近参与原电池反应的化学电源。
甲烷（CH4）燃料电池就是用沼气（主要成分为CH4）作为燃料的电池，与氧化剂O2反应生成CO2和H2O.反应中得失电子就可产生电流从而发电。
美国科学家设计出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型电池,其成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池。
燃料电池使用气体燃料和氧气直接反应产生电能,其效率高、污染低,是一种很有前途的能源利用方式。
但传统燃料电池使用氢为燃料,而氢既不易制取又难以储存,导致燃料电池成本居高不下。
科研人员曾尝试用便宜的碳氢化合物为燃料,但化学反应产生的残渣很容易积聚在镍制的电池正极上,导致断路。
美国科学家使用铜和陶瓷的混合物制造电池正极,解决了残渣积聚问题。
这种新电池能使用甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种物质作为燃料。
3.4.4氢燃料电池
氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。
其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。
氢燃料电池的存在优势
无污染：
燃料电池对环境无污染。
它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式－－最典型的传统后备电源方案。
燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。
如上所述,燃料电池只会产生水和热。
如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等）,整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
无噪声：
燃料电池运行安静，相当于人们正常交谈的水平。
这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
高效率：
燃料电池的发电效率可以达到50%以上,这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能,不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。
3.4.5微生物燃料电池
微生物燃料电池（MicrobialFuelCell，MFC）是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。
3.4.6质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池-概述：
质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，英文简称PEMFC）是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。
其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。
工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
第四章纯电动汽车（EV）
4.1纯电动汽车的特性分析
4.1.1纯电动汽车的简介
纯电动汽车（BEV）：
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。
大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。
本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。
由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力、风力、光、热等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。
电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。
有关研究表明，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量，正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。
有专家认为，对于电动车而言，目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程，与混合动力相比，电动车更需要基础设施的配套，而这不是一家企业能解决的，需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设，才会有大规模推广的机会。
4.1.2纯电动汽车的优缺点
优点：
技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。
纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车能量转换效率更高。
因电动车的能量来源——电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。
因此纯电动汽车使用成本在下降。
纯电动汽车以电动机代替燃油机，由电机驱动而无需自动变速箱。
相对于自动变速箱，电机结构简单、技术成熟、运行可靠。
在纯电动车行驶过程中不需要换挡变速装置，操纵方便容易，噪声低。
缺点：
目前蓄电池单位重量储存的能量太少，其次电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本、使用价格比汽车贵，不过有些价格仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。
汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”
与混合动力汽车相比，纯电动车使用单一能源，使电控系统大大减少，汽车内部机械传动系统结构简化，也降低了机械部件摩擦导致的能量损耗及噪声，节省了汽车内部空间，减轻了重量。
4.2纯电动汽车蓄电池的简介
蓄电池是电动汽车的动力源泉。
目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想。
电动汽车蓄电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命等。
要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。
4.2.1
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