新能源汽車動力蓄電池及管理技術(shù)模塊一

動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解情境導(dǎo)入

一輛2014年5月出廠的比亞迪E6純電動汽車，儀表出現(xiàn)一個紅色的蓄電池符號，旁邊還有一個感嘆號。若關(guān)掉點火開關(guān)，重新開啟上電操作，有時符號消失，還能上電，偶爾符號出現(xiàn)時就不能上電了。經(jīng)比亞迪服務(wù)技師用診斷儀診斷后判斷故障原因為電池電芯老化嚴(yán)重，需要更換一個電池模組。

如果你是接車的修理技術(shù)人員，修理方案應(yīng)如何制定。能力目標(biāo)●能說出汽車動力蓄電池的術(shù)語。●能說出磷酸鐵鋰電池的特點。●能說出全固態(tài)鋰離子電池的特點。●能說出吉利電池箱內(nèi)電池的特點。●能畫出電池箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。●能說出電池箱的制冷和制熱原理。●能更換純電動汽車電池箱。●能更換純電動汽車電池箱內(nèi)的一組電池。素養(yǎng)目標(biāo)●了解我國動力蓄電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，感受國內(nèi)新能源汽車企業(yè)攻堅克難的探索精神。●獲得多途徑檢索知識、分析解決問題以及多元化思考解決問題的方法，形成創(chuàng)新意識。●具有良好的團隊協(xié)作精神和較強的組織溝通能力。●具備良好的職業(yè)道德，尊重他人勞動，不竊取他人成果。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)蓄電池的作用是存儲電能。蓄電池在充電過程中，電能通過蓄電池內(nèi)活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池內(nèi)。蓄電池在放電過程中，通過蓄電池內(nèi)活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苡尚铍姵剌敵觥８鞣N蓄電池的基本工作原理是電能→化學(xué)能→電能→化學(xué)能的可逆變換過程，能夠反復(fù)使用，一般將放電之后可再充電反復(fù)使用的化學(xué)電源稱為蓄電池，又稱為二次電池。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)1．電壓（V）（1）電動勢電池正極和負極之間的電位差E被稱為電動勢（2）開路電壓?開路電壓是電池在開路時的端電壓，一般開路電壓與電池的電動勢近似相等。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)1．電壓（V）（3）額定電壓額定電壓指電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時應(yīng)達到的電壓。（4）工作電壓工作電壓指在電池兩端接上負載電阻后，在放電過程中顯示出的電壓，也稱為負載電壓或?qū)ν夥烹婋妷骸＃?）終止電壓電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下放電時，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池不宜再繼續(xù)放電時，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)2．電池容量(A·h)（1）理論容量根據(jù)蓄電池活性物質(zhì)的特性，按法拉第定律計算出的最高理論值，單位A·h。（2）實際容量在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時間的乘積。（3）標(biāo)稱容量用來鑒別電池適當(dāng)?shù)慕瓢矔r值，由于沒有指定放電條件，因此，只標(biāo)明電池的容量范圍而沒有確切值，標(biāo)稱容量也稱公稱容量。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)2．電池容量(A·h)（4）額定容量額定容量指按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量，也稱保證容量。（5）荷電狀態(tài)標(biāo)示荷電狀態(tài)（StateofCharger，SOC），反映的是電池實際存貯電荷與電池當(dāng)前能存貯的最多電荷之比，常用百分?jǐn)?shù)表示。SOC=1表示電池為充滿狀態(tài)，記為100%。隨著蓄電池放電，蓄電池的電荷逐漸減少，此時可以用百分?jǐn)?shù)來表示蓄電池中電荷的變化狀態(tài)，即蓄電池的省電狀態(tài)。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)3．能量電池存貯的能量決定電動汽車的行駛距離，能量的單位是千瓦時（kW·h）。（1）標(biāo)稱能量標(biāo)稱能量指按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件，電池所輸出的能量，電池的標(biāo)稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。（2）實際能量實際能量指在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實際能量是電池的實際容量與平均工作電壓的乘積。（3）質(zhì)量能量密度質(zhì)量能量密度指電池單位質(zhì)量所能輸出的能量，也稱為比能量，單位W·h/kg。（4）體積能量密度體積能量密度指電池單位體積所能輸出的能量，單位W·h/L。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)4．功率電池的功率決定電動汽車的加速性能。（1）質(zhì)量功率密度質(zhì)量功率密度指電池單位質(zhì)量所具有的輸出功率，也稱為比功率，單位W/kg。（2）體積功率密度體積功率密度指電池單位體積所具有的輸出功率，單位W/L。5．電池的內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部電解液、隔膜、電極時受到的阻力會使電池的對外輸出電壓降低，此阻力稱為電池的內(nèi)阻。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)6．循環(huán)壽命在一定的充放電條件下，電池容量降到某一定值之前（比如80%），電池所能承受的循環(huán)次數(shù)，稱為循環(huán)壽命，這是蓄電池的主要性能指標(biāo)之一。7．使用年限電池除了以循環(huán)次數(shù)表示使用時間外，通常還要用電池的使用年限來表示電池的壽命，壽命的單位為年。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)8．放電速率放電速率一般用電池在放電時的時間或放電電流與額定電流的比例來表示，也簡稱為放電率。（1）放電時率放電時率指電池以某種電流強度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時，所經(jīng)過的放電時間。（2）放電倍率放電倍率指電池的放電電流值與電池額定容量的比值。例：電池額定容量C=6.5A·h，若以6.5A放電電流放電，放電倍率就為1C；若以3.25A放電電流放電，放電倍率為0.5C。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)9．自放電率自放電率指電池在存放時間內(nèi)，在沒有負荷的條件下自身放電，使得電池容量損失的速度。自放電率用單位時間月或年內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示。???10．成本電池的成本與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開發(fā)的高比能量的電池成本較高，使得電動汽車的造價也較高，開發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知二、具體電池性能指標(biāo)

各種儲能裝置的性能指標(biāo)比較見表1-2所示，要注意的是電池成組后單體電池（電芯）的容量和充放電次數(shù)會有較大幅度的下降。表1-2各種單體儲能裝置的性能指標(biāo)比較模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知三、電動汽車對蓄電池的基本要求1．比能量大

比能量是保證電動汽車能夠達到基本合理的行駛里程的重要保證，連續(xù)2h放電率的比能量應(yīng)不低于44W·h/kg。2．充電時間短蓄電池對充電技術(shù)沒有特殊要求。蓄電池的正常充電時間應(yīng)小于6h，并能夠適應(yīng)快速充電的要求。蓄電池快速充電達到額定容量的50%所用的時間應(yīng)在20min左右。3．連續(xù)放電率高蓄電池應(yīng)能夠適應(yīng)快速放電的要求，連續(xù)1h放電率可以達到額定容量的70%左右。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知三、電動汽車對蓄電池的基本要求4．自放電率低

自放電率要低，蓄電池應(yīng)能夠長期存放。5．環(huán)境適應(yīng)性好蓄電池應(yīng)能在各種環(huán)境條件下正常穩(wěn)定工作，不受環(huán)境溫度的影響，不需要特殊加熱，能夠適應(yīng)電動汽車行駛時振動的要求。6．安全可靠蓄電池應(yīng)干燥、潔凈，電解質(zhì)不會滲漏腐蝕接線柱和外殼；不會引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。7．其他壽命長、免維修、制造成本低。蓄電池的循環(huán)壽命應(yīng)不低于1000次，在使用壽命限定期間內(nèi)，不需要進行維護和修理。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點01新能源汽車動力蓄電池的相關(guān)術(shù)語認知一、蓄電池的性能指標(biāo)8．放電速率放電速率一般用電池在放電時的時間或放電電流與額定電流的比例來表示，也簡稱為放電率。（1）放電時率放電時率指電池以某種電流強度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時，所經(jīng)過的放電時間。（2）放電倍率放電倍率指電池的放電電流值與電池額定容量的比值。例：電池額定容量C=6.5A·h，若以6.5A放電電流放電，放電倍率就為1C；若以3.25A放電電流放電，放電倍率為0.5C。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知一、鎳氫電池簡介鎳氫電池（Ni-MH）是一種堿性電池，單體電池電壓1.2V，比能量75~80W·h/kg，比功率160~230W/kg，體積能量密度達到200W·h/L，體積功率密度達到400~600W/L。1．優(yōu)點1）充電18min可恢復(fù)40%~80%的容量，過充電和過放電性能好。2）應(yīng)急補充充電性能好，1h內(nèi)可以完全充滿，應(yīng)急補充充電時間短。3）在80%的放電深度下，循環(huán)壽命可達到1000次以上，是鉛酸電池的3倍。4）一次充電后行駛里程長，而且啟動加速性能較好。5）可以在環(huán)境溫度-28~80℃條件下正常工作。6）循環(huán)壽命可達到6000次或7年。7）采用全封閉外殼，可以在真空環(huán)境中正常工作。8）低溫性能較好，能夠長時間存放。9）鎳氫電池中沒有鉛（Pb）和鎘（Cd）等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染。10）鎳氫電池可以隨充隨放，不會出現(xiàn)鎳鎘電池在沒有放完電即充電而產(chǎn)生的“記憶效應(yīng)”。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知一、鎳氫電池簡介2．缺點1）在高溫條件下使用時電荷量急劇下降。2）自放電損耗較大。3）價格較貴，鎳氫電池的成本很高，約達600~800美元/kW·h，不同的儲氫合金具有不同的儲存氫能力，價格也不相同。4）鎳氫電池的比功率和放電能力不及鎳鎘電池。5）鎳氫電池在使用時應(yīng)充分注意各個單體電池之間的一致性，特別是在高速率、深放電情況下，各個單體電池之間的容量和電壓差較明顯。因此需要注重對電池組在充、放電過程中的導(dǎo)熱管理和電池安全裝置的設(shè)計。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知二、鎳氫電池構(gòu)造鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳Ni（OH）2，負極是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池，在金屬鉑的催化作用下，完成充電和放電的可逆反應(yīng)。鎳氫電池的特性與鎳鎘電池特性基本相同，但氫氣是沒有毒性的物質(zhì)，無污染、安全可靠、使用壽命長，而且不需要補充水分。鎳氫電池的極板有發(fā)泡體和燒結(jié)體兩種，發(fā)泡體極板的鎳氫電池在出廠前必須進行預(yù)充電，且放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，特別是在存放一段時間后，會有近20%的電荷流失，老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。為避免發(fā)泡鎳氫電池老化所造成的內(nèi)阻增高，鎳氫電池在出廠前必須進行預(yù)充電。經(jīng)過改進的鎳氫電池的燒結(jié)體極板本身就是活性物質(zhì)，不需要進行活性處理也不需要進行預(yù)充電，電壓平衡、穩(wěn)定，具有低溫放電性能好、不易老化和壽命長的優(yōu)點。通常鎳氫電池的外形有方形和圓形兩種。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知三、鎳氫電池工作原理鎳氫電池的正極，是由球狀氫氧化鎳粉末與添加劑等金屬、塑料和黏合劑等制成的涂膏，用自動涂膏機涂在正極板上，然后經(jīng)過干燥處理成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。在正極材料Ni（OH）2中添加Ca、Co、Zn或稀土元素，對穩(wěn)定電極的性能有明顯的改善。采用高分子材料作為黏合劑或用擠壓和軋制成的泡沫鎳電極，并采用鎳粉、石墨等作為導(dǎo)電劑時，可以提高大電流時的放電性能。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知四、充、放電特性（1）放電特性鎳氫電池（6個單體電池組件）放電時，2C功率輸出時的比功率可達到600W/kg以上，3C功率輸出時的比功率可達到500W/kg以上，放電深度范圍內(nèi)比功率的變化比較平穩(wěn)，這對混合動力汽車的動力性能控制十分有利，電池的壽命可以達到10萬km以上。（2）充電特性鎳氫電池的充電接受性很好，充電效率幾乎達到100%，能夠有效地回收混合動力汽車在制動時反饋的電能。另外，由于能量損耗較小，鎳氫電池的發(fā)熱量被控制在很小的范圍內(nèi)，這樣可以有效地控制剩余電量，并用電流來顯示電池的剩余電量。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知五、實車應(yīng)用

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解1．本田車系右圖為本田Insight鎳氫電池組，電池組置于行李艙底板，由120顆松下1.2V鎳氫電池組成，串聯(lián)合計電壓為144V，支持50A充電，100A放電。為延長電池壽命，每個電池單元放電量為4A·h，電池組共可放電144×4=0.576kW·h。知識點02混合動力汽車鎳氫電池的基本認知五、實車應(yīng)用

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解2．豐田車系圖1-3所示為豐田第二代普銳斯鎳氫電池組，重53.3kg，由28組松下鎳氫電池模塊構(gòu)成，每個模塊分別載有6個1.2V電池（圖1-4），總計168個電池，串聯(lián)標(biāo)稱電壓合計201.6V。知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知一、鋰離子電池類型

鋰離子電池主要由電極、隔膜、電解質(zhì)和外殼組成。正極主要為含鋰的化合物，常見的正極材料包括鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、三元材料（NCM）、磷酸鐵鋰（LFP）等。負極大多采用石墨。隔膜是一層具有電絕緣特性的物質(zhì)，它可以把正負極分隔開，具有使電解質(zhì)中離子通過的能力。常用的電解液通常為有機物。外殼有鋼殼、鋁塑膜，其中鋁塑膜大多由耐磨層、鋁層、防腐蝕層、粘結(jié)層幾部分組成，其中耐磨層是電池的外表面，可以防止汽車長期運行中電池位置錯動引起的磨損，鋁層可以起到防止水分進入的作用。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知二、三元鋰離子電池的特點

目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是氧化鈷鋰（LiCoO2），另外還有少數(shù)采取氧化錳鋰（LiMn2O4）和氧化鎳鋰（LiNiO2）以及三元材料（LiNiCoO2）作為正極材料的鋰離子電池，常見的三元鋰離子電池有NCM523、NCM622和NCM811三種類型。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知二、三元鋰離子電池的特點三元鋰離子電池具有以下特點：1）普通單體電池工作電壓高達3.7V，是鎳氫電池的3倍，是鉛酸電池的近2倍。2）重量輕，比能量大，高達150W·h/kg，是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍，因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一。3）能量密度大，體積高達400W·h/L，是鉛酸電池的二分之一到三分之一。4）循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達到600次以上，使用年限可達5年以上，壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知二、三元鋰離子電池的特點5）自放電率低，每月不到5%。6）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，可在-20~55℃之間工作。7）無記憶效應(yīng)，每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地進行充電。8）電池充放電深度對電池的壽命影響不大，可以全充全放。9）無污染，電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱為“綠色電池”。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知三、磷酸鐵鋰電池磷酸鐵鋰電池具有以下優(yōu)點：（1）高效率輸出標(biāo)準(zhǔn)放電為2C~5C，連續(xù)大電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10s）可達20C。（2）高溫時性能良好外部溫度65℃時內(nèi)部溫度高達95℃，電池放電結(jié)束時溫度可達160℃，電池的結(jié)構(gòu)安全、完好。（3）安全性好即使電池內(nèi)部或外部受到傷害，電池也不燃燒、不爆炸。（4）循環(huán)容量大經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知四、鋰離子電池工作原理

鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負極、電解質(zhì)及隔膜組成，正負極及電解質(zhì)材料不同工藝上的差異使電池有不同的性能，尤其是正極材料對電池的性能影響最大。

酸鐵鋰（LiFePO4）作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì)，電池由金屬外殼密閉封裝。磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移。在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知五、鋰離子電池的標(biāo)稱參數(shù)圓柱形電池由英文字母、數(shù)字疊加表示，分別代表電池的類別及外部尺寸。如圓柱形電池18650B（圖1-9）：18代表電池的直徑、65代表電池的高度、0代表圓柱形電池、B代表B品電池。常見的圓柱形電池有18650、21700、26650、32650、38650、46800。方形鋁殼電池由英文字母、數(shù)字疊加

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知五、鋰離子電池的標(biāo)稱參數(shù)方形鋁殼電池由英文字母、數(shù)字疊加表示，分別代表電池的材料類型及電池外部尺寸。比如：國軒高科電池IFP27175200A-105Ah（圖1-10），其中IF代表電池的正極材料為磷酸鐵鋰，P代表方形電池，271代表電池的厚度為271mm，200代表電池的高度為200mm，105代表電池的容量。模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解知識點03電動汽車鋰離子電池的基本認知六、動力蓄電池的成組單體鋰電池的電壓并不足以支持整車的高壓部件工作，因此有必要將多個單體串聯(lián)，組成一個高電壓的電池。而車輛有一定的續(xù)駛要求，電池也要達到一定的容量才能滿足需求，因此需要對單體電池進行并聯(lián)擴容。動力蓄電池成組有3種方式：串聯(lián)、先串聯(lián)后并聯(lián)或先并聯(lián)后串聯(lián)（圖1-11）。2020款比亞迪秦EV通過112個三元鋰電池串聯(lián)而成電池包，此電池包是由12個電池模組串聯(lián)組成的，成組方式是1P112S，即“1并112串”。比亞迪K8電動公交大巴（直流版）將165個磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成1個電池包后，再由2個電池包并聯(lián)組成動力蓄電池，簡稱為165S2P。

模塊一?動力蓄電池原理的認知與電池箱的分解技能點分解鋰離子電池箱一、鋰離子電池箱銘牌1-12所示為吉利（GEELY）帝豪EV300純電動汽車的電池箱標(biāo)牌。電池采用三元鋰離子電池，電池供應(yīng)廠家為寧德時代（CATL）。

電池的標(biāo)稱電壓為346V，電池容量為120A·h，電池的重量為416kg。用電壓（V）×容量（A·h）=346×120=41.52kW·h，即