課題2-2動(dòng)力蓄電池的性能指標(biāo)及參數(shù)識(shí)讀課時(shí)4課時(shí)（180min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）了解動(dòng)力蓄電池的性能指標(biāo)。（2）掌握新能源汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的性能要求。素質(zhì)目標(biāo)：（1）培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義精神和創(chuàng)新精神，立志科技報(bào)國(guó)。（2）培養(yǎng)學(xué)生具備從事汽車行業(yè)工作的職業(yè)素養(yǎng)。（3）培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，分工明確、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互幫助、共同進(jìn)步。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：了解動(dòng)力蓄電池的性能指標(biāo)。教學(xué)難點(diǎn)：掌握新能源汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的性能要求。教學(xué)方法情景模擬法、問(wèn)答法、討論法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)過(guò)程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負(fù)責(zé)人取得聯(lián)系，組織學(xué)生下載“任務(wù)工單——吉利EV純電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池維護(hù)與單體蓄電池檢查”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行組內(nèi)分工，同時(shí)提醒同學(xué)通過(guò)超星APP或其他學(xué)習(xí)軟件，收集新能源汽車常用充電方式的相關(guān)資料，并進(jìn)行了解【學(xué)生】提前上網(wǎng)觀看相關(guān)資料，熟悉教材考勤【教師】使用超星APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到互動(dòng)導(dǎo)入【教師】講述“國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中，堅(jiān)持純電動(dòng)戰(zhàn)略取向，發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從大國(guó)走向強(qiáng)國(guó)必由之路”相關(guān)新聞，并提出問(wèn)題動(dòng)力蓄電池作為純電動(dòng)汽車動(dòng)力核心，如何判斷其動(dòng)力性能呢？【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、討論、回答傳授新知【教師】通過(guò)大家的發(fā)言，引入新的知識(shí)點(diǎn)，講解動(dòng)力蓄電池的相關(guān)性能要求等內(nèi)容一、電池的儲(chǔ)能原理與基本結(jié)構(gòu)【教師】通過(guò)多媒體展示“電池的儲(chǔ)能原理與基本結(jié)構(gòu)”圖片，并進(jìn)行講解1.電池的儲(chǔ)能原理在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁强侩姵貎?nèi)部自發(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，這種反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。當(dāng)外電路斷開(kāi)時(shí)，兩極之間雖然有電位差（開(kāi)路電壓），但沒(méi)有電流，存儲(chǔ)在電池中的化學(xué)能并不轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)外電路閉合時(shí)，在兩電極電位差的作用下即有電流流過(guò)外電路。同時(shí)在電池內(nèi)部，由于電解質(zhì)中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應(yīng)，以及反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。電荷在電解質(zhì)中的傳遞也要由離子的遷移來(lái)完成。充電時(shí)，電池內(nèi)部的傳電和傳質(zhì)過(guò)程的方向恰與放電相反；電極反應(yīng)必須是可逆的，才能保證反方向傳質(zhì)與傳電過(guò)程的正常進(jìn)行，儲(chǔ)能原理示意圖如圖所示。以經(jīng)典的丹尼爾原理電池單體化學(xué)反應(yīng)為例進(jìn)行講解：在金屬冶金中，如果把鋅加入Cu2+溶液中，銅就會(huì)沉淀出來(lái)了。該化學(xué)反應(yīng)就是從含有鋅的礦石中提取出銅的常用方法。該化學(xué)反應(yīng)包含的化學(xué)能是不可利用的，能量以熱能的形式被消耗掉。上述從電解液中提取銅的反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)是在鋅表面發(fā)生。如果鋅和銅處于獨(dú)立的兩個(gè)元件中，那么上述反應(yīng)式就必須在兩個(gè)不同的位置（電極）發(fā)生，而且只有在有電流連接兩個(gè)電極的情況下反應(yīng)才能繼續(xù)進(jìn)行。該反應(yīng)可以通過(guò)控制正、負(fù)極的連接狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有效控制，使化學(xué)能按需轉(zhuǎn)化為有用的電能，丹尼爾電池示意圖如圖2-2-2所示。負(fù)極：Zn—2e-=Zn2+正極：Cu2++2e-=Cu電池反應(yīng)：Zn+Cu2+=Zn2++Cu2.電池的基本結(jié)構(gòu)電池要實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的過(guò)程，必須滿足如下條件：1）必須把化學(xué)反應(yīng)中失去電子的氧化過(guò)程（在負(fù)極進(jìn)行），得到電子的還原過(guò)程（在正極進(jìn)行），分在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行，這與一般的氧化還原反應(yīng)存在區(qū)別。2）兩電極必須具有離子導(dǎo)電性的物質(zhì)。3）化學(xué)變化過(guò)程中電子傳遞必須經(jīng)過(guò)外線路。電池需包含以下組成部分，結(jié)構(gòu)如圖所示。1）正極活性物質(zhì)。它具有較高的電極電位，電池放電時(shí)進(jìn)行還原反應(yīng)或陰極過(guò)程。2）負(fù)極活性物質(zhì)。它具有較低的電極電位，電池工作時(shí)進(jìn)行氧化反應(yīng)或陽(yáng)極過(guò)程。3）電解質(zhì)。它擁有很高的、選擇性的離子電導(dǎo)率，提供電池內(nèi)部的離子導(dǎo)電的介質(zhì)。大多數(shù)電解質(zhì)為無(wú)機(jī)電解質(zhì)水溶液，也有固體電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)、非水溶液電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)。有的電解質(zhì)也參加電極反應(yīng)而被消耗。除了主要組成部分外，電池還常常需要導(dǎo)電柵、匯流體、端子、安全閥等零件。電池可以制成各種形狀和結(jié)構(gòu)，如圓柱形、扣式、扁平和方形，如圖所示。二、電池的特性參數(shù)【教師】通過(guò)多媒體展示“各類型動(dòng)力蓄電池特性參數(shù)”圖片，并進(jìn)行講解1.電壓參數(shù)（1）電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)是電池在理論上輸出能量大小的度量之一，電池的電動(dòng)勢(shì)是熱力學(xué)的兩極平衡電極電位之差。（2）開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓是指在開(kāi)路狀態(tài)下（幾乎沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)），電池兩極之間的電勢(shì)差。（3）額定電壓額定電壓也稱公稱電壓或標(biāo)稱電壓，是指在規(guī)定條件下電池工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓。采用額定電壓可以區(qū)分電池的化學(xué)體系。如下表常用不同電化學(xué)體系電池的單體額定電壓值所示。序號(hào)電池類型單體額定電壓/V1鉛酸蓄電池（VRLA）22鎳鎘電池（Ni-Cd）1.23鎳鋅電池（Ni-Zn）1.64鎳氫電池（Ni-MH）1.25鋅空氣電池（Zn/Air）1.26鋁空氣電池（Al/Air）1.47鈉氯化鎳電池（Na/NiCl2）2.58鈉硫電池（Na/S）2.09錳酸鋰電池（LiMn2O4）3.710磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）3.2（4）工作電壓工作電壓是指電池接通負(fù)載后在放電過(guò)程中顯示的電壓，又稱負(fù)荷（載）電壓或放電電壓。工作電壓低于開(kāi)路電壓，當(dāng)然也必然低于電動(dòng)勢(shì)。（5）放電終止電壓也稱放電截止電壓是指電池放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值。不同類型的電池及不同的放電條件，放電終止電壓是不同的。一般而言，低溫或大電流放電時(shí)，終止電壓規(guī)定得低些；小電流或間歇放電時(shí)，終止電壓值規(guī)定得高些。2.容量參數(shù)電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池容量，以符號(hào)C表示。其單位常用A·h或mA·h表示。1）理論容量（C0），即假定活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所能提供的電量。理論容量可根據(jù)活性物質(zhì)的數(shù)量按法拉第定律計(jì)算求出。2）額定容量（C），即按國(guó)家或有關(guān)部門規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下應(yīng)該放出的最低限度的容量。3）實(shí)際容量（Ct），在工作中電池實(shí)際放出的電量，是放電電流與放電時(shí)間的積分，實(shí)際放電容量受放電率的影響較大，所以常在字母C的右下角標(biāo)明放電率，如C20=50A·h，表明在20小時(shí)率下的容量為50A·h。由于電池內(nèi)阻和其他原因，活性物質(zhì)不可能完全被利用，所以實(shí)際容量、額定容量總是低于理論容量。4）剩余容量。剩余容量是指在一定放電倍率下放電后，電池剩余的可用容量。剩余容量的估計(jì)和計(jì)算受到電池前期放電率、放電時(shí)間等因素以及電池老化程度、應(yīng)用環(huán)境等多種因素影響，所以在準(zhǔn)確估算上存在一定的困難。3.內(nèi)阻參數(shù)電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱為電池內(nèi)阻，由于電池內(nèi)阻的作用，放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓，充電時(shí)充電端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓。電池內(nèi)阻是非常重要的參數(shù)，它直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出能量與功率等，實(shí)用的化學(xué)電源，其內(nèi)阻越小越好。電池內(nèi)阻不是常數(shù)，它包括歐姆內(nèi)阻和電極在化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主要是由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成。它與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、電極的成形方式以及裝配的松緊度有關(guān)；極化內(nèi)阻是正極與負(fù)極由于電化學(xué)極化和濃差極化所引起的電阻之和，與活性物質(zhì)的本性、電極結(jié)構(gòu)、電池制造工藝有關(guān)，尤其是與電池的工作條件密切相關(guān)，隨放電率、溫度等條件的改變而改變。4.能量與能量密度電池的能量是指電池在一定放電制度下，電池所能釋放出的能量，通常用W·h或kW·h表示。（1）理論能量假設(shè)電池在放電過(guò)程中電壓保持電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值，而且活性物質(zhì)的利用率為100%，在此條件下電池所輸出的能量為理論能量W0，即：W0=C0E。（2）實(shí)際能量實(shí)際能量是指電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量，數(shù)值上等于電池實(shí)際放電電壓、放電電流與放電時(shí)間的積分。在實(shí)際應(yīng)用中，估算常采用電池組額定容量與放電平均電壓乘積進(jìn)行電池實(shí)際能量的計(jì)算。由于活性物質(zhì)不可能完全被利用，電池的工作電壓總是小于電動(dòng)勢(shì)，所以電池的實(shí)際能量總是小于理論能量。（3）能量密度電池的能量密度是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，相應(yīng)地稱為質(zhì)量能量密度（Wh/kg）或體積能量密度（Wh/L），也稱質(zhì)量比能量或體積比能量。5.功率與功率密度（1）功率電池的功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，其單位為瓦（W）或千瓦（kW）。理論上電池的功率可以表示為:P0=W0/t=C0/t=IE式中：t—放電時(shí)間；C0—電池的理論容量；I—恒定的放電電流。此時(shí)，電池的實(shí)際功率應(yīng)當(dāng)為：P0=IV=I（E-IRW）=IE-I2RW式中I2RW是消耗于電池內(nèi)阻上的功率，這部分功率對(duì)于負(fù)載是無(wú)用的。（2）功率密度單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率稱為功率密度，又稱比功率，單位為kW/kg或W/g。比功率的大小，表征電池所能承受的工作電流的大小，電池比功率大，表示它可以承受大電流放電。比功率是評(píng)價(jià)電池及電池組是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。6.荷電狀態(tài)電池荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）描述了電池的剩余電量，是電池使用過(guò)程中的重要參數(shù)，此參數(shù)與電池的充放電歷史和充放電電流大小有關(guān)。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對(duì)量，一般用百分比的方式來(lái)表示。美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)（USABC）定義SOC為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。由于SOC受充放電倍率、溫度、自放電、老化等因素的影響，實(shí)際應(yīng)用中要對(duì)SOC的定義進(jìn)行調(diào)整。例如，日本本田公司定義SOC為：其中，剩余容量等于額定容量減去凈放電量、自放電量、溫度補(bǔ)償容量后的差值。電池剩余電量受到動(dòng)力蓄電池的基本特征參數(shù)（端電壓、工作電流、溫度、容量、內(nèi)部壓強(qiáng)、內(nèi)阻和充放電循環(huán)次數(shù)）和動(dòng)力蓄電池使用特性因素的影響，使得對(duì)電池組的荷電狀態(tài)SOC的測(cè)定很困難。7.放電深度放電深度（DepthofDischarge，DOD）是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，與SOC之間存在如下數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系：DOD=1-SOC放電深度的高低對(duì)二次電池的使用壽命有很大的影響，一般情況下，二次電池常用的放電深度越深，其使用壽命就越短，因此在使用中應(yīng)盡量避免二次電池深度放電。8.使用壽命電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)或一個(gè)周期。在一定放電制度下，二次電池的容量降至某一規(guī)定值之前，電池所能耐受的循環(huán)次數(shù)，稱為蓄電池的循環(huán)壽命或使用周期。鉛酸蓄電池為300-500次；鋰離子蓄電池可達(dá)1000次以上。9.自放電率自放電率是電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒(méi)有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，自放電率采用單位時(shí)間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。自放電率=式中Aha—電池儲(chǔ)存時(shí)的容量（A·h）；Ahb—電池儲(chǔ)存以后的容量（A·h）；t—電池儲(chǔ)存的時(shí)間（天或月）。自放電率通常與時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)，電池久置時(shí)要定期補(bǔ)電，并在適宜的溫度和濕度下儲(chǔ)存。10.不一致性電池的不一致性是指同一規(guī)格、同一型號(hào)的單體蓄電池組成電池組后，在電壓、內(nèi)阻及其變化率、荷電量、容量、充電接受能力、循環(huán)壽命、溫度影響、自放電率等參數(shù)方面存在的差別。電動(dòng)汽車必須使用多塊單體蓄電池構(gòu)成的電池組來(lái)滿足使用要求。電池的不一致性對(duì)于成組使用的動(dòng)力蓄電池才有意義，由于不一致性的影響，動(dòng)力蓄電池組在電動(dòng)汽車上使用的性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體蓄電池原有水平，使用壽命可能縮短數(shù)倍甚至十幾倍，嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的性能和應(yīng)用。11.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)，新開(kāi)發(fā)的高比能量、比功率的電池成本就高，如鋰離子電池，使得電動(dòng)汽車的造價(jià)也較高。因此開(kāi)發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。電池成本一般以電池單位容量或能量的成本進(jìn)行表示，單位為：元/A·h或元/kW·h，以方便對(duì)于不同類型或同類型不同生產(chǎn)廠家、不同型號(hào)的電池進(jìn)行比較。12.放電制度放電制度就是電池放電時(shí)所規(guī)定的各種條件，主要包括放電電流（放電速率）、終止電壓和溫度等。1）放電電流：放電電流的大小直接影響到電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此介紹電池的容量或能量時(shí)，必須說(shuō)明放電電流的大小，指出放電的條件。放電電流通常用放電率表示，放電率是指電池放電時(shí)的速率，有時(shí)率或倍率兩種表示形式。2）放電終止電壓：與電池材料直接相關(guān)，并受到電池結(jié)構(gòu)、放電率、環(huán)境溫度等多種因素影響。一般來(lái)說(shuō)，由于低溫大電流放電時(shí)，電極的極化大，活性物質(zhì)不能充分利用，電池的電壓下降較快。三、新能源汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的性能要求【教師】通過(guò)多媒體展示“新能源汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的性能要求”圖片，并進(jìn)行講解動(dòng)力蓄電池最重要的特點(diǎn)就是高功率和高能量。高功率意味著更大的充放電強(qiáng)度，高能量表示更高的質(zhì)量比能量和體積比能量。動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要按照最優(yōu)化的整車設(shè)計(jì)應(yīng)用指標(biāo)設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)。1.高能量對(duì)于電動(dòng)車輛高能量意味著更長(zhǎng)的續(xù)駛里程，續(xù)駛里程的延長(zhǎng)可有效提升車輛應(yīng)用的方便性和適用范圍。鋰離子動(dòng)力蓄電池能夠在電動(dòng)車輛上廣泛推廣和應(yīng)用，主要原因就是其能量密度是鉛酸動(dòng)力蓄電池的3倍，并且還有繼續(xù)提高的可能性。2.高功率動(dòng)力蓄電池組要能夠提供驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)高功率輸出，滿足車輛動(dòng)力性要求。但長(zhǎng)期大電流、高功率放電對(duì)于電池的使用壽命和充放電效率會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至影響電池使用的安全性，因此在功率方面還需要一定的功率儲(chǔ)備，避免讓動(dòng)力蓄電池在全功率工況下工作。3.長(zhǎng)壽命鉛酸動(dòng)力蓄電池使用壽命在深充深放工況下可以達(dá)到400次，鋰離子動(dòng)力蓄電池可以達(dá)到1000次以上，混合動(dòng)力用鎳氫蓄電池已經(jīng)可以達(dá)到10年以上。但動(dòng)力蓄電池長(zhǎng)壽命，關(guān)系到電池成本。車輛應(yīng)用過(guò)程中電池更換的費(fèi)用，是電動(dòng)汽車使用成本的重要組成部分。提高動(dòng)力蓄電池的使用壽命目前是電池技術(shù)研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。4.低成本動(dòng)力蓄電池的成本與電池的新技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前高比能量的電池成本較高，使得電動(dòng)汽車的造價(jià)也較高，開(kāi)發(fā)和研制高效、低成本的動(dòng)力蓄電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。5.安全性好動(dòng)力蓄電池為電動(dòng)汽車提供了高達(dá)300V以上的驅(qū)動(dòng)供電電壓，可能危及人身安全和車載電器的使用安全。動(dòng)力蓄電池作為高能量密度的儲(chǔ)能載體，自身也存在一定的安全隱患，以鋰離子電池為例：1）充放電過(guò)程如果發(fā)生熱失控反應(yīng)，可能導(dǎo)致電池短路起火，甚至產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。2）鋰離子電池采用的有機(jī)電解質(zhì)，在4.6V左右易發(fā)生氧化，并且溶劑易燃，若出現(xiàn)泄漏等情況，也會(huì)引起電池著火燃燒、甚至爆炸。3）發(fā)生碰撞、擠壓、跌落等極端的狀況，導(dǎo)致電池內(nèi)部短路．也會(huì)引起危險(xiǎn)狀況出現(xiàn)。6.工作溫度適應(yīng)性強(qiáng)車輛應(yīng)用一般不應(yīng)受地域的限制，不同的空間和時(shí)間應(yīng)用，需要車輛適應(yīng)不同的溫度，僅以北京地區(qū)的車輛應(yīng)用為例，北京夏季地表溫度可達(dá)50℃以上，冬季可低至-15℃以下，在該溫度變化范圍內(nèi)，動(dòng)力蓄電池應(yīng)可以正常工作，因此，對(duì)于動(dòng)力蓄電池而言，需要?jiǎng)恿π铍姵鼐哂辛己玫臏囟冗m應(yīng)性?，F(xiàn)在的動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮到電池的溫度適應(yīng)性問(wèn)題，一般都需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)或加熱系統(tǒng)來(lái)達(dá)到動(dòng)力蓄電池的最佳工作溫度。7.可回收性好按照動(dòng)力蓄電池使用壽命的標(biāo)準(zhǔn)定義，電池在其容量衰減到額定容量的80%時(shí)，確定為動(dòng)力蓄電池壽命終結(jié)。隨著電動(dòng)汽車的大量應(yīng)用，必然出現(xiàn)大量廢舊動(dòng)力蓄電池的回收問(wèn)題。對(duì)于動(dòng)力蓄電池的可回收性，在電化學(xué)性