1、蓄電池和燃料電池電動汽車第十章 電動汽車技術第1課 混合動力電動汽車第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車本章內容安排*汽車拖拉機學課件2本節課的主要內容第十章 電動汽車技術第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車一、蓄電池電動汽車驅動系統類型 二、動力蓄電池的類型及工作原理三、驅動電機和輔助系統四、燃料電池的工作原理、分類和特點五、燃料電池電動汽車的基本構造*汽車拖拉機學課件3控制信號連接 電器連接機械連接電動汽車工作原理 與內燃機汽車相比，電動汽車最大不同點在于動力源、電力驅動及輔助系統。 動力源主要是電源及其控制裝置；電力驅動系統主要由電動機、調速控制裝置、功率轉換器、機械傳動裝置組成；輔助系統具有溫

2、度控制、能量管理和充電、輔助動力供給等功能。第十章 電動汽車技術一、蓄電池電動汽車驅動系統類型 1、蓄電池電動汽車的基本結構*汽車拖拉機學課件4第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車M-電動機 C-離合器 D-差速器 FG-固定速比減速器 GB-變速器 蓄電池電動汽車的驅動系統形式 2、蓄電池電動汽車的驅動系統第十章 電動汽車技術*汽車拖拉機學課件5第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車一、蓄電池電動汽車驅動系統類型 蓄電池電動汽車對動力蓄電池的基本要求：（1）比能量高 比能量是指單位蓄電池重量所能提供的電能，是保證電動汽車能夠達到基本合理的行駛里程的重要性能，2h放電率時電池的比能量至少不低于44Wh/

3、kg。（2）充電技術成熟、時間短 電池應對充電技術沒有特殊要求，并且能夠實現感應充電。在充電時間上能夠實現快速充電，電池的正常充電時間應小于6h，電池快速充電達到額定容量50的時間應為20min以下。（3）連續放電率高、自放電率低 電池能夠適應快速放電的要求，連續1h放電率可以達到額定容量的70左右。自放電率要低，電池能夠長期存放。 第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理1、電源*汽車拖拉機學課件6第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車（4）適應車輛運行環境 電池能夠在常溫條件下正常穩定地工作，不受環境溫度的影響，不需要特殊的加熱、保溫系統，能夠適應電動汽車行駛時的振動。（5）安全可靠

4、電池應干燥、潔凈，電解質不會滲漏，不會引起自燃或燃燒。在發生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。廢電池能夠回收處理和再生利用，電池中有害重金屬能夠集中回收處理。電池組可以采用機械裝置進行整體快速更換，線路連接方便。（6）長壽命、免維護 電池的循環壽命不低于1000次，在使用壽命限定期間內，不需要進行維護和修理。第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理1、電源*汽車拖拉機學課件7第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 USABC蓄電池的性能目標性能指標中期長期比能量（C/3放電率）/（Whkg-1）能量密度（C/3放電率）/（WhL1）比功率（80% DOD/30s）/（Wkg-1）功率密度/

5、（WL-1）使用壽命（年）循環壽命（80% DOD）/次價格（US$kW-1h-1）工作溫度/充電時間/h快速充電時間（40%80 SOC）/h80（期望達到100）135150（期望達到200）2505600150-306560.25200300400600101 000100-408536輔助目標效率（C/3放電，6h充電）/%自放電/%維護誤用電阻熱損耗（高溫電池）/（W/kW-1h-1）7515（48h）免維護允許3.28015（月）免維護允許3.2注：DOD放電深度；SOC+荷電狀態第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理*汽車拖拉機學課件8第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車

6、 蓄電池的基本組成為電池單體，多個電池單體串聯組成蓄電池。電池正極和負極都浸在電解液中。放電時，負極發生氧化反應向外電路釋放電子，正極發生還原反應，從外電路得到電子。充電時，過程正好相反，負極得到電子發生還原反應，正極失去電子發生氧化反應。 可用于電動汽車的蓄電池有鉛酸電池、鎳基電池、金屬空氣電池、Na-電池、常溫鋰電池、飛輪電池、超級電容等。第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理2、動力蓄電池的基本性能*汽車拖拉機學課件9第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 特點：技術成熟、價格低廉、良好的大電流輸出性能、良好的高低溫性能、高能量效率（7580）以及多種多樣的型號和尺寸等優點。 單體

7、額定電壓2 V，比能量 35 Wh/kg，能量密度70 Wh/L，比功率200W/kg。采用金屬鉛作負電極，二氧化鉛作正電極，硫酸作電解液，電化學反應式為： 鉛酸電池的開路電壓僅與硫酸濃度有關，而與電池中的鉛、二氧化鉛以及硫酸鉛的量無關。電池單體電壓E0為：式中： 為硫酸濃度（kg/L）第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （1）鉛酸電池*汽車拖拉機學課件10第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 在蓄電池充放電過程中電壓不為常數，電池開路電壓也受環境溫度的影響。以中等放電率放電時截止電壓取1.75 V，以極高放電率放電時截止電壓可取 1.0 V。充電時，充電電

8、流應作適當的控制以維持電池充電電壓低于冒氣電壓（約為2.4V），否則，就會出現過充電反應，電解水生成氫氣和氧氣，使電解液失去水分。 缺點：鉛酸電池的比能量和能量密度都比較低、自放電率較高、循環壽命短、酸蝕電極而不便于長期儲存等。 綜合各項指標，鉛酸電池是目前電動汽車最具吸引力的能量源選擇方案。 第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （1）鉛酸電池*汽車拖拉機學課件11第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車鎳基電池有 Ni-Cd、Ni-Zn、Ni-MH等。 Ni-MH電池于1992年投放市場，被認為是滿足電動汽車使用近期目標的較理想能量源。 Ni-MH電池使用了氫

9、，氫吸附于金屬氫化物中并作為負極活性物質。在鎳基電池中具有較高的比能量以及無毒性、無致癌物質等特點。 Ni-MH電池充放電原理圖第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （2）鎳基電池*汽車拖拉機學課件12第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 Ni-MH電池單體額定電壓1.2 V、比能量65Wh/kg、能量密度 150 Wh/L、比功率200 W/kg。電極活性物質為負極的金屬氫化物和正極的NiOOH，金屬氫化物能夠在電池充放電時釋放和吸收氫氣，堿性氫氧化鉀溶液是電解液的主要成分，電化學反應方程式為： 優點：高于其他任何鎳基電池的比能量和能量密度、優良的環保特性（

10、無鎘）、平坦的放電曲線和快速充電性能等。 缺點：初始成本高，而且還有記憶效應和充電發熱等問題。第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （2）鎳基電池*汽車拖拉機學課件13第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 金屬空氣電池采用金屬負電極和空氣正電極，具有電力充電和機械充電兩種可選方案。 優點：高比能量和能量密度（Al 空氣電池高達600Wh/kg和400 Wh/L）、低價格（采用了常用金屬材料和空氣）、良好的環保設計、平坦的放電曲線以及與負載和工作溫度無關的容量特性。 缺點：比功率低、工作溫度范圍有限、空氣中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和堿性電解液并釋放氫氣等。 第

11、十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （3）金屬空氣電池*汽車拖拉機學課件14第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車Zn空氣電池 電力充電方式的Zn空氣電池額定工作電壓為1.2V、比能量為 180Wh/kg、能量密度為160Wh/L、比功率為 95W/kg。負電極為金屬鋅粒，正電極為空氣中的氧氣，電解液為氫氧化鉀溶液，電池的化學反應方程式為： 放電時，鋅粒被氧化生成鋅酸鹽溶于電解液中并形成氧化鋅，充電時，反應過程正好相反。但是在充、放電過程中，鋅電極的形狀會變化。 機械充電式的Zn空氣電池避免了使用雙極空氣電極和鋅電極在充放電循環中出現的形狀改變問題，其具有相對較

12、高的比能量（230 Wh/kg）和比功率（105W/kg）。第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （3）金屬空氣電池*汽車拖拉機學課件15第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 Al空氣電池的額定電壓為1.4V，電解液可以是鹽溶液或氫氧化鉀溶液。機械充電式Al空氣電池的放電反應方程式為：缺點：比功率極低，很少單獨用作電動汽車的能量源。 為利用Al空氣電池高的比能量和能量密度，在電動汽車上通常與其他類型的充電電池組合作為動力源，用于延長車輛續駛里程。優點：比能量和能量密度均很高。Al空氣電池第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理

13、 （3）金屬空氣電池*汽車拖拉機學課件16第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 Na-電池技術包括基于Na/S和Na/NiCl2化合物的兩種設計。 Na/S電池的工作溫度范圍300350，單體電池的額定電壓2.0V，比能量 170 Wh/kg，能量密度 250Wh/L，比功率 390W/kg。活性物質為熔鑄鈉負電極和熔鑄鈉多硫化合物正電極。陶瓷-Al2O3電解液作為離子傳導媒介和熔鑄電極的隔離物，避免了電池的自放電。該電池的電化學反應方程式為： 放電時，Na原子被氧化生成鈉離子，鈉離子通過電解液的傳遞與硫結合生成五硫化鈉化合物。五硫化鈉化合物又逐漸形成多硫化鈉化合物（Na2Sx，其中x=52.7）

14、，充電過程正好相反。 Na/S電池第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （4）Na-電池*汽車拖拉機學課件17第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 在Na/NiCl2電池中，活性物質為熔鑄Na負電極和固體鎳氯化物正電極。其電解液除了陶瓷-Al2O3外，還有一種貯于正電極室中的輔助電解液-鈉鋁氯化物。相應的電化學反應方程式為： 放電時，固態鎳氯化物轉化為鎳金屬和氯化鈉晶體。 Na/NiCl2電池工作溫度250350，電池單體的額定電壓2.5V。比能量可達到86 Wh/kg、能量密度為149 Wh/L、比功率為150 W/kg。 優點：比Na/S電池具有更高的開路

15、電壓、更寬的工作溫度范圍、更高的化學反應物安全性、更加可靠的失效模式、更好的耐凍結解凍能力。缺點：成本高、比功率低。Na/NiCl2電池第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理3、動力蓄電池的工作原理 （4）Na-電池*汽車拖拉機學課件18第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 放電時，在負電極生成的鋰離子通過電解液SPE嵌入正極晶狀結構中。 使用金屬鋰和過渡金屬氧化物（MyOz）分別作電池的負極和正極。MyOz為層狀結構，通過鋰離子的嵌入和脫嵌產生放電和充電，電解液為固態的薄層電解液（SPE），提高了設計的安全性和靈活性。通常的電化學反應方程式如下： 在Li聚合物電池中，Li/SPE/V

16、6O13電池是最具吸引力的一種。其工作額定電壓3 V、比能量 155 Wh/kg、能量密度220 Wh/L、比功率 315 W/kg。同時具有自放電率低（200注：NA沒有數據；ac/3放電率；b80%DOD；c機械充電方式；d僅供參考第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理4、EV電池性能參數表*汽車拖拉機學課件23第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車電池類型EV使用主要的優缺點發展潛力VRLA技術成熟、成本低廉、可實現快速充電、比功率高近期目標比能量低潛力巨大Ni-Cd技術成熟、可實現快速充電、比功率高近期目標成本高、比能量低潛力大Ni-Zn比能量高、比功率高、成本低中期目標循環壽命

17、短潛力大Ni-MH比能量高、比功率高、可實現快速充電近期目標成本高潛力巨大Zn/Air機械式充電、成本低廉、非常高的比能量中期目標比功率低、不能接受再生能量潛力巨大電池類型EV使用主要的優缺點發展潛力Al/Air機械式充電、成本低、非常高的比中期目標非常低的比功率、不能接受再生能量潛力低Na/S比能量高、比功率高中期目標成本高、安全問題、需要熱量管理潛力一般Na/NiCl2比能量高中期目標成本高、需要熱管理系統潛力大Li聚合物非常高的比能量、高的比功率中期目標低溫性能差潛力大Li-Ion非常高的比能量、非常高的比功率中期目標成本高潛力巨大第十章 電動汽車技術二、動力蓄電池的類型及工作原理4、E

18、V電池性能參數表*汽車拖拉機學課件24第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車電動汽車電力驅動系統工作原理 傳感器把測得的數據，如電流、電壓、溫度、速度、轉矩以及電磁通等，轉變為電信號后輸送到處理器。處理器信號經過中間電路放大，驅動功率轉換器的半導體元件，功率轉換器動作調節能量流。在驅動和能量再生過程中，能量源與電動機之間的能源流向是通過功率轉換器進行調節的。 第十章 電動汽車技術三、驅動電機及輔助系統1、電力驅動系統*汽車拖拉機學課件25第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 1）需要有45倍的過載以滿足短時加速行駛與最大爬坡時的要求； 蓄電池電動汽車對驅動電機在負載、技術性能和工作環境等方面有如下要求：

19、 2）最高轉速要達到在公路上巡航時基速的45倍； 3）電動機應根據車型與駕駛員的駕駛習慣進行設計； 4）要求有高的功率密度和好的效率圖，從而能夠降低車重，延長續駛里程； 5）為使多電動機協調運行，要求電動汽車驅動電動機可控性高、穩態精度高、動態性能好； 6）安裝于機動車上，處于空間小、溫差變化大、振動劇烈的惡劣環境中。第十章 電動汽車技術三、驅動電機及輔助系統2、驅動電動機*汽車拖拉機學課件26第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車優點：異步電機具有結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，低轉矩脈動，低噪聲，不需要位置傳感器，極限轉速高等特點。缺點：異步電機的最大缺點是驅動電路復雜，成本高，相對永磁

20、電機而言，異步電機效率和功率密度偏低。 異步電機矢量控制調速技術比較成熟，使得異步電機驅動系統具有明顯的優勢，因此被較早應用于電動汽車的驅動系統，目前仍然是電動汽車驅動系統的主流產品（尤其在美國）。第十章 電動汽車技術2、驅動電動機 （1）異步電動機驅動系統三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件27第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 無刷永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍。其低速時常采用矢量控制，高速時用弱磁控制。發展前景十分廣闊，目前已在國內外多種電動車輛中獲得應用。 混合式永磁磁阻電機：即內置式永磁同步電機。該電機在永磁轉矩的

21、基礎上迭加了磁阻轉矩，有助于提高電機的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調速，擴大恒功率范圍運行。結構靈活，設計自由度大，適合用作電動汽車高效、高密度、寬調速牽引驅動。第十章 電動汽車技術2、驅動電動機 （2）無刷永磁同步電機驅動系統三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件28第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 無位置傳感器永磁同步電機驅動系統也是當前永磁同步電機驅動系統研究的一個熱點，將成為永磁同步電機驅動系統的發展趨勢之一，具有潛在的競爭優勢。 永磁轉矩電機：即表面凸出式永磁同步電機，相對內置式永磁同步電機而言，其弱磁調速范圍小，功率密度低。該結構電機動態響應快，并可望得到低轉矩脈動，適合用作

22、汽車的電子伺服驅動，如汽車電動助力轉向的伺服電機。第十章 電動汽車技術2、驅動電動機 （2）無刷永磁同步電機驅動系統三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件29第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車優點：1）電機結構緊湊牢固，適合于高速運行； 2）驅動電路簡單、成本低、性能可靠，在寬廣的轉速范圍內效率都比較高，容易實現四象限控制。 3）適合于電動車輛的各種工況下運行，是電動車輛中極具有潛力的機種。缺點： 1）轉矩脈動大，噪聲大，功率密度和效率偏低； 2）要使用位置傳感器，增加了結構復雜性，降低了可靠性。因此無傳感器的SRD也是未來的發展趨勢之一。第十章 電動汽車技術2、驅動電動機 （3）開關磁阻電機

23、（SRD）三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件30第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 能量管理系統采集從電動汽車各子系統通過傳感器得到的運行數據，完成優化系統能量分配、電池充電方案的選擇、蓄電池荷電狀態 （SOC）的顯示、剩余行駛里程的預測、電池動作的監控、車內溫度及車燈亮度調節、再生制動控制等。第十章 電動汽車技術4、輔助系統 （1）能量管理（EMS）三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件31第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車第十章 電動汽車技術4、輔助系統 （1）能量管理（EMS）三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件32第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 再生制動是電動汽車的重要特征之

24、一，在減速制動剎車或者下坡時將車輛的部分動能轉化為電能，轉化的電能儲存在儲存裝置中，如各種蓄電池、超級電容或超高速飛輪，最終增加電動汽車的行駛里程。如果儲能器已經被完全充滿，再生制動就不能實現，所需的制動力就只能由常規的制動系統來提供。 第十章 電動汽車技術4、輔助系統 （2）制動能量再生三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件33第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 駕駛員踩下制動踏板后，電動泵使制動液增壓產生所需的制動力。制動控制與電動機控制協同工作，確定電動汽車上的再生制動力矩和前后輪上的液壓制動力。再生制動時，再生制動控制回收制動能量，并且反充到蓄電池中。第十章 電動汽車技術4、輔助系統

25、（2）制動能量再生三、驅動電機及輔助系統*汽車拖拉機學課件34第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車燃料電池與蓄電池的區別燃料電池的基本原理 燃料電池裝置從本質上說是水電解的一個逆裝置，是氫和氧通過電化學反應生成水，并釋放出電能。 （1）燃料電池是能量轉換裝置，蓄電池是能量儲存裝置。 （2）燃料電池的放電特性是連續進行的，蓄電池的放電特性是間斷進行的。第十章 電動汽車技術1、燃料電池四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件35第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 燃料電池通常由三部分組成，即陽極、陰極和夾在二者之間的電解質。分別向兩個電極供給氫氣和氧氣，通過電極金屬的催化作用發生電化學反應，

26、此時在兩電極的外電路既有電流產生。 燃料電池的基本工作原理 第十章 電動汽車技術2、燃料電池的工作原理四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件36第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 在陽極（又稱燃料電極）供給的氫氣，在金屬的催化作用下生成氫離子（H+）和電子（e-），電子（e-）通過電極的外電路到達陰極。陽極的反應如下： 在陰極（又稱氧氣電極或空氣電極）供給的氧氣，在金屬的催化作用下與通過電解質過來的氫離子（H+）和通過外電路過來的電子（e-）發生反應：燃料電池的總反應式為：第十章 電動汽車技術2、燃料電池的工作原理四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件37第2課 蓄電

27、池與燃料電池電動汽車根據電解質的種類，可將燃料電池分為幾下五種：堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）磷酸型燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC） 質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）第十章 電動汽車技術3、燃料電池的分類四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件38第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車（1）

28、效率高 燃料電池的化學反應將化學能直接轉化為電能，燃料電池不是熱機，因此不受卡諾循環的限制，效率很高。理論上能量效率可接近100，目前熱、電總效率已達80%。（2）排氣清潔，對環境污染少 燃料電池沒有燃燒過程，用化學方式直接轉換化學能，稱為“冷燃燒”，所以氫/氧燃料電池的產物只有水，沒有其他廢氣排出，屬于零排放或接近零排放。第十章 電動汽車技術4、燃料電池的特點四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件39第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車（3）過載能力強 燃料電池的短時過載能力可達200的額定功率或更大，特別適合汽車的短時加速的特性。（4）構造簡單，維護保養方便，容易實現模塊化 燃料

29、電池容易通過模塊化組合，串聯、并聯，提高輸出功率。（5）噪聲小、振動少，對機械加工要求不高 燃料電池屬于靜態能量轉換裝置，無運動部件，因此在運行過程中沒有噪音，振動很小。 第十章 電動汽車技術4、燃料電池的特點四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件40第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車（1）價格高 目前質子交換膜燃料電池的價格雖然已有所降低，但是要達到30-50美元/kW的目標還需要一段時間的努力。（2）貴金屬催化劑 鉑的用量雖然已降低，但是距0.1-0.2mg/ 還有段距離。（3）燃料的限制 目前車用的燃料電池主要是質子交換膜燃料電池，它們只能用純氫作燃料。 第十章 電動汽車技術

30、4、燃料電池的缺點四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件41第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 （1）燃料電池的比能量不低于150200Wh /kg, 比功率不低于300400 W/kg。要求達到或超過美國先進電池聯合體（USABC）所提出的電池性能和使用壽命的指標。 （2）可以在- 20 的條件下起動和工作, 有可靠的安全性和密封性, 不會發生燃料氣體的結冰和燃料氣體的泄漏。 （3）各種結構件有足夠的強度和可靠性, 可以在負荷變化情況下正常運轉。并能夠耐受FCEV行駛時的振動和沖擊。第十章 電動汽車技術5、燃料電池電動汽車對燃料電池的基本要求四、燃料電池的工作原理、分類和特點*汽車拖拉機學課件42第2課 蓄電池與燃料電池電動汽車 （