混合动力车单体软包电池结构设计 能源学专业.doc

混合动力车单体软包电池结构设计 摘 要 混合动力的汽车一般采用油电混合，而其中的蓄电池是混合动力汽车的辅助电力能源，其作用是作为发动机的辅助动力源，在汽车的动力性能方面后者在电动机作为驱动源时为其提供店里能源。本次设计中采用的软包锂离子电池具有设计灵活性能更强，并兼具重量低、密度高以及安装方面便利等特点。 本论文第一大章主要概述了混合动力车的发展历史和组成。第二章讲述了蓄电池的性能指标和蓄电池种类的选择。第三章讲述了在理离子电池形状的选择。第四章讲述了软包电池结构和主要零件设计。第五章讲述了软包锂离子电池设计计算。第六章讲述了锂离子电池的性能测试。 关键词：蓄电池；方软包电池；电池结构；性能测试 Structural Design of Hybrid Electric Vehicle Single Package Battery Abstract：Battery is one of the main components of hybrid electric vehicle. Battery is an auxiliary power source in hybrid electric vehicle. It is used as an auxiliary power source of engine to improve the power performance of vehicle or as an electric power source when motor drives vehicle. The soft-packed lithium-ion batteries used in this design have the advantages of more flexible design, low weight, high density and convenient installation. The first chapter of this paper describes the development and composition of hybrid electric vehicles. In the second chapter, the performance index of battery and the selection of battery types are described. Chapter 3 describes the shape selection of in-process ion batteries. Chapter 4 describes the structure of soft-packed battery and the design of its main parts. Chapter 5 describes the design and calculation of soft-packed lithium-ion batteries. Chapter 6 describes the performance test of lithium ion batteries. Keywords：Battery; Square Soft Pack Battery; Battery Structure; Performance Test 目 录 第1章 绪论 1 1.1 混合动力车发展概况 1 1.2混合动力车主要组成 1 第2章 混合动力车电池选择 2 2.1蓄电池性能指标 2 2.1.1铅酸电池 2 2.1.2镍-镉电池 4 2.1.3镍-氢电池 4 2.1.4锂离子电池 5 2.2混合动力车电池方案确定 6 2.2.1本设计中电池方案优选 6 第3章 混合动力车锂离子电形状选择 7 3.1锂离子电池结构分类 7 3.1.1圆柱形锂离子电池 7 3.1.2方形锂离子电池 7 3.1.3软包锂离子电池 8 3.2混合动力车电池形状的确定 8 第4章 软包电池结构和主要零件设计 8 4.1软包电池主要零部件设计 8 4.1.1正极 8 4.1.2负极 9 4.1.3隔膜 9 4.1.4电解液 10 第5章 软包锂离子电池设计计算 11 5.1带电状态下电芯尺寸计算 11 5.2锂离子卷绕层数、极片密度计算 12 5.3裸电芯厚度计算 13 5.4卷芯计算 14 5.5极片、隔离膜尺寸计算 15 5.6电解液质量计算 16 5.7电芯质量计算 17 5.8容量、内阻计算 18 第6章 锂离子电池性能测试 19 6.1循环寿命测试 19 6.2恒定湿热测试 19 第7章 结 论 20 参考文献 21 致 谢 22 第1章 绪论 1.1 混合动力车发展概况 汽车已经成为人们必不可少的出行工具。但是现在的汽车多数都是采用的内燃机，即燃烧柴油或者汽油，这种汽车队环境的污染有着很大的污染，所以现在很多的汽车生产厂家都选择研究减少污染的新型汽车，所以混合动力汽车应运而生。混合动力车是将传统发动机做小，让部分动力由电池和电动系统来承担，即发挥了发动机工作时间长、动力行好的优点，但是又保留了电动机的无污染，低噪音的特点。混合动力车按能量的合成分为并联和串联两种。与传统汽车相比，降低了排放；能量可以自动回收，提高了能量利用率；采用纯电动行驶模式，可以实现零排放。简单的来说，混合动力汽车就在传统的汽车中加入了一个电力驱动装置和储存能源的装置所相结合起来，而且他们之间的结合不仅仅是可以相互互补，避免他们的不足；而且他们的配合十分良好，可以说这种结合是现在科技所能找到的最优选择。 1.2混合动力车的主要组成 混合动力车的主要组成包括发动机、电动机和电池。 （1）发动机：混合动力汽车可以广泛采用四冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发 动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般来说转子发动机的燃烧效率是要比燃气发动机燃烧效率高的，而且转子发动机的排放比较清洁。我们可以根据不同的发动机的不同的特性来组成不同的混合动力汽车。 （2）电动机：电动机的选择随着时代的发展也在不定的变化，曾经的直流发电机到了如今已经很少会有人在去选择了。现在的混合动力汽车呢一般都会采用感应式和永磁式这两种的电动机，特别是曾经不受重视的开关磁阻电动机现在也在人们的眼前越来越活跃了，甚至我们还可以根据不同的混合动力汽车来选择特种的电动机。 （3）电池：混合动力汽车可以采用各种不同的蓄电池、燃料电车、储能电车和超级电池容等作为电池，电池一般作为混合动力的辅助能源，只有在混合动力汽车用电动机启动发动机或电动机辅助驱动时才被使用。 第 25 页 共 22 页 第2章 混合动力车电池选择 2.1蓄电池性能指标 蓄电池的基本作用是储蓄电能，其基本工作原理是电能→化学能→电能→化学能可逆变化过程，使得电能能反复使用。而在现代技术的发展下，蓄电池技术也逐渐成熟，也使的混合动力汽车的动力性不断提高，一次充电之后能够行驶的里程也在不断的增加。蓄电池主要性能指标如下。 （1） 电压（v）： ①电动势：电池正极和负极之间的电位差E。 ②开路电压：电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。 ③额定电压：电池在标准规定条件下工作是应达到的电压。 ④工作电压：在电池两端接上负载R后，在放电过程中显示的电压。 ⑤终止电压：电池的电压逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压。 （2） 电池容量（A·h） ①实际容量：在一定条件下所能输出的电能，等于放电电流与放电时间的乘积。 ②额定容量：按一定指标规定的放电条件，电池应放的最低额度。 （3） 能量（W·h） 电池能提供汽车行驶的距离。 （4） 功率（w） 电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定了混合动力车的加速性能。 （5）使用年限 一般用电池的使用年限来表达其寿命。 （6） 成本 成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关。另外还要求电池无毒性、对环境不会造成影响，使用安全。良好的充电性等。 2.1.1铅酸电池 以酸性水溶液为电解质的蓄电池为酸电池。由于电池电极是以铅及其氧化物为2蓄电池按电池槽结构分为半密封式与密封式，半密封式又有防酸式与消氢式。根据排气方式，密封式铅酸电池可分为排气式和非排气式。 铅酸电池电池的特点是开路高电压，放电平稳，充电效率高，能在常温下正常工作，生产技术成熟，价格便宜。铅酸电池的放电和充电的过程可以用下列化学反应方程式表示： PbO2 + 2H2SO4 +Pb = PbSO4 + 2H2O + PbSO4 正极 负极 正极 负极 铅酸电池在放电过程时，化学反应是由左向右进行的，其相反过程为充电过程的化学反应。单体铅酸蓄电池的电压为2V，在使用一段时间后，电池电压降到1.8V以下，或H2SO4溶液的密度下降到1.2/cm³时蓄电池就要充电，如果电压继续下降，电池就会损坏。 如图2.1铅酸电池基本是单体电池。每个单体电池都由正极板、负极板和隔板组成。铅酸电池总成经过灌装电解液和充电后，就可以从铅酸电池的接线柱上引出电流。铅酸蓄电池通常采用密封，并在电解液中加入硅酸胶，形成一种胶体电解质。使用起来会更加方便。 铅酸蓄电池虽然较高的比能量和比功率、良好的循环寿命，以及快速充电等性能但铅酸蓄电池十分笨重，电池中存在着大量的铅，在废弃后若处理不当，将对环境产生污染。 2.1铅酸蓄电池结图构 2.1.2镍-镉电池 镍-镉电池是一种碱性电池，是混合动力车的首选电池之一。镍-镉电池极板强度高，工作电压平稳，能带电充电，深度放电性能好。循环使用寿命长，是铅酸电池的2倍。采用全密闭外壳，可在真空环境下工作。 为了提高镍-镉电池的寿命和改善高温性能，通常在电解液中加入氧化锂。以羟基氢氧化镍为正极，金属镉为负极，水溶性氧化钾为电解液，电解液在化学反应中不会被消耗。镍-镉电池的化学反应方程式为： 2Ni(OH)3 +2KOH +Cd =2Ni(OH)2 +2KOH+ Cd(OH)2 正极 负极 正极 负极 如图2.2所示为镍-镉电池的结构，每个单体电池都由正极板、负极板与隔板组成。将单体电池组合就得到不同电压和不同容量的的镍-镉电池 。在灌装电解液并充电后，就可以在接线柱上引出电流。 图2.2镍-镉电池结构 镍-镉电池有记忆效应，镍是一种有害金属，报废后必须回收。但镍-镉电池的成本是铅酸电池的4~5倍，购置费用较高，但循环使用寿命与比能量比铅酸电池高，总的费用不超过铅酸电池的费用。所以日本本田公司、雪铁龙公司都采用过镍-镉电池。 2.1.3镍-氢电池 镍-氢电池是一种碱性电池，镍-氢电池是比能量可达到70~80W·h/kg，是铅酸电池的2倍，能够提高混合动力车的启动性能和加速性能。镍-氢电池可以带电充电，并可以快速充电，在15分钟内可以充60%的容量，1小时就可以充满。循环寿命可以达到1000次以上。在低温的条件下，也能够长时间存放。 在电池充电过程中，水在电解质液体中分解为氢离子与氢氧根离子，氢离子被负离子吸收，负极由金属转化为金属氧化物。放电过程中，氢离子和氢氧根离子在电解质中结合成水并释放电量。化学方程式如下： 2NiOOH + KOH + H2= Ni(OH)2 +KOH + Ni(OH)2 正极 负极