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深圳市国威威电器有限公司

Shenzhenshi Gowayw Electrical Co.,LTD

各系列电池简介及电池组热管理

2016年04月08日

各系列电池简介及电池组热管理

动力蓄电池是混合动力车辆的关键技术装备之一,要求具有高功率密度、高能量密度、高循环效率、良好的充电接受能力、低自放电率以及良好的一致性等。目前已有的几种蓄电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池以及锌空气电池

[1],[3]~[5]

 

1.3.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池(Lead Acid)已有 100 多年的历史,被广泛用作内燃机车的启动动力源。它可靠性好,原材料易得,目前仍是应用最广泛的车用动力蓄电池,但主要用于启动动力源。

铅酸蓄电池活性物质在充电和放电时,发生可逆的化学变化过程,可以用以下化学方程式来表示:
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铅酸蓄电池经过灌装电解液和充电后,就可以从蓄电池的接线柱上引出电流。由于铅酸蓄电池中的 H2SO4浓度在放电过程中会逐渐减小,因此可以用比重计来测定H2SO4的密度,再由铅酸蓄电池的电解液密度确定其放电程度。单体铅酸蓄电池的电压为 2V,通常所使用的蓄电池组是由多个单体蓄电池串联组成。在使用或存放一段时间后,单体电池的电压可能降低到 1.8V 以下,或者 H2SO4溶液的密度下降到31.2 g /cm 时,铅酸蓄电池就必须充电,如果电压继续下降,铅酸蓄电池将会损坏。

铅酸蓄电池的特点是开路电压高,放电电压平稳,充电效率高,能够在常温下正常工作,生产技术成熟,价格便宜,规格齐全。因此国内外开发的称之为第一代的电动汽车也广泛使用了铅酸电池。

铅酸蓄电池作为纯电动汽车和混合动力汽车的电源,虽尚有许多不足,如存在产生新的环境污染等问题,但由于其价格低廉,工艺成熟,特别是近年来密闭技术已日趋完善,所以铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地。

 

1.3.2 镍氢电池

镍氢电池是一种碱性电池,它的比能量可达 80Wh/kg,比功率 160~230W/kg,有利于提高混合动力车辆的动力性能和延长其续驶里程。镍氢电池可快速充电,循环寿命达到 1000 次以上。

镍氢电池的正极是球状氢氧化镍(2Ni (O H ))粉末与添加剂钴等金属,用塑料和粘合剂等制成的涂膏涂在正极板上。镍氢电池的负极是储氢合金,要求储氢合金能够稳定地经受反复的储氢和放氢的循环。镍氢电池的电解质是水溶性氢氧化钾和氢氧化锂的混合物。在充电过程中,水在电解质溶液中分解为氢离子和氢氧离子,氢离子被负极吸收,负极的金属转化为金属氢化物。当放电过程中,氢离子离开了负极,氢氧离子离开了正极,氢离子和氢氧离子在电解质氢氧化钾中结合成水并释放电能。镍氢电池的化学反应方程式如下:

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镍氢电池用于纯电动车辆及混合动力车辆上的主要优点有:起动加速性能好,快速充电时间短,一次充电后的续驶里程较长,不会对周围环境造成污染,易维护,且没有记忆效应。

镍氢电池在充电过程中容易发热,在高温状态下,正极板的充电效率变差,并加速正极板的氧化,使电池的寿命缩短。负极储氢合金加速氧化,并使储氢合金平衡压力增加,储氢合金的储氢量减少,降低镍氢电池的性能。镍氢电池在充电后期,会产生大量的氧气,如果安全阀不能及时开启,会有发生爆炸的危险。

 

1.3.3 锂离子电池

锂离子电池的正极采用2LiMnO 等锂的化合物制造,负极采用天然球状石墨或片状石墨、人造石墨和层状石墨的锂—碳化合物(6LiC )等制造。由于锂的化学性能活泼,遇到水时会发生激烈的化学反应,所以必须采用非水性电解质,通常用有机溶剂/无机盐、无机溶剂/无机盐、固体锂离子导体或融熔盐组成。

在锂离子电池中正极采用不同的材料时,其电化学氧化反应会略有不同。

MnO2为例:

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锂离子电池显示出很多优点,电压高达 3.6~4V,比能量达到 100~200Wh/kg,比功率高达1500W/kg,循环寿命可达 1000 次以上。充电放电效率高,功率输出密度大,没有记忆效应等。

锂离子电池的主要问题是快速充、放电的性能较差,需要进一步解决对其充放电过程的控制和配备专用的充电器。另外,锂的制取比较困难,管理和使用较复杂,要求有严格的安全措施,需要配备电子保护电路、电池管理系统和热管理系统等,因此其附属装置更复杂,也增加了电池组的造价。

 

1.3.4 锌空气电池

锌空气电池以锌为正极,以氧为负极,以氢氧化钾为电解质。锌空气电池的化学反应与普通碱性电池类似,但需要特殊的催化剂。在化学反应过程中,必须要与氧气作用,只要阻隔空气进入锌空气电池,即可控制电池的化学反应。因此锌空气电池的自放电率很低,可以长期保持活性。锌空气电池的化学反应方程式为:

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锌空气电池的理论比能量可达 1350Wh/kg,但目前的锌空气电池的实际比能量值约为 180~230Wh/kg。采用锌空气电池后,能够明显地延长电动车辆的续驶里程。成组的锌空气电池具有良好的一致性,没有像其他类型电池的充电和放电的不均匀现象。锌空气电池允许深度放电,其容量不受放电强度和温度的影响;它能在-20~80℃的温度范围内正常工作,可以实现完全密封免维护。此外,锌空气电池在循环使用中,不会污染环境,生产成本也较低。但是,锌空气电池目前尚存在寿命短、比功率小,不能输出大电流及难以充电等缺点。

 

1.4.1 电池组热管理的意义

为确保混合动力汽车的电池组具有良好的工作性能,并延长其使用寿命,对电池组进行有效的管理和控制就显得尤为重要。从国内外对动力电池组管理系统的研究来看,混合动力汽车电池组的管理系统主要包括以下四个方面
1)电池荷定状态(SOC)的准确估计;
2)电池组均衡控制策略;
3)电池组热管理系统;
4)电池监控诊断与过载保护。

在传统的燃油汽车上,电池组多用作发动机的起动及各类车载电子设备,其功率需求相对有限,所以对电池组热管理的研究在之前并未引起重视。但是随着各种限制车辆排放的法规的相继颁布,以及用户对车辆经济性需求的不断提升,动力电池组已成为混合动力汽车行驶时的主要能源之一。由于电池内阻的焦尔效应以及电池化学反应生成的反应热,给电池组带来了很大的热负荷。如果不能在车辆行驶过程中及时地带走上述热量,势必会影响电池的工作性能和使用寿命,甚至可能给行车安全带来了很大的隐患。以常见的 Ni/MH 电池为例,工作温度和电流历史是影响 Ni/MH 电池寿命的最主要的两个因素[8]Ni/MH 电池的最佳工作温度范围在 20~40℃,但是当温度上升到 45℃时,其循环次数将减小近 60%;在高倍率充电时,每 5℃的温升将使电池寿命减半。锂离子电池也存在相似的问题,不仅如此,由于锂离子电池的高能量密度以及电池中所包含的化学反应物质,锂离子电池存在电解质燃烧和热失控的危险,在最糟的情况下甚至可能发生爆炸。由于上述原因,每节锂离子单体电池均需要诸如爆炸盘,阻燃电池套等额外的保护措施

来源:深圳市国威威电器有限公司
深圳市国威威电器有限公司
黄琨
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