電動汽車原理與應(yīng)用技術(shù) 第3版 PPT課件04 動力電池系統(tǒng)

第4章動力電池系統(tǒng)1動力電池簡介

鋰離子動力電池

其他儲能裝置動力電池管理系統(tǒng)動力電池組動力電池的梯次利用與回收目錄動力電池簡介3動力電池的基本構(gòu)成1）必須將化學(xué)反應(yīng)中失去電子的氧化過程（在負(fù)極進(jìn)行)，得到電子的還原過程（在正極進(jìn)行），分別在兩個區(qū)域進(jìn)行。電池是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。要實現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的過程，必須滿足如下條件：2）兩電極間必須具有離子導(dǎo)電性的物質(zhì)。3）化學(xué)變化過程中電子的傳遞必須經(jīng)過外線路。動力電池簡介4動力電池的基本構(gòu)成為滿足構(gòu)成電池的條件，電池需包含以下基本組成部分：正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、電解質(zhì)、隔膜、外殼以及導(dǎo)電柵、匯流體、端子、安全閥等零件。電池的基本結(jié)構(gòu)動力電池簡介5動力電池的基本參數(shù)端電壓：動力電池正極和負(fù)極之間的電位差。動力電池在沒有負(fù)載情況下的端電壓叫開路電壓。動力電池接上負(fù)載后處于放電狀態(tài)下的電壓稱為負(fù)載電壓，又稱為工作電壓。電池充放電結(jié)束時的電壓稱為終止電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓。端電壓和電動勢電動勢（E）：組成電池的兩個電極的平衡電極電位之差。電池充放電電壓變化曲線動力電池簡介6動力電池的基本參數(shù)容量是指電池在一定的放電條件下所能放出的電量，用符號C表示，單位常用A·h或mA·h表示。容量理論容量是假定電池中的活性物質(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)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量，按法拉第定律計算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。動力電池簡介7動力電池的基本參數(shù)法拉第定律指出，電流通過電解質(zhì)溶液時，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。數(shù)學(xué)式表達(dá)為容量

動力電池簡介8動力電池的基本參數(shù)容量理論容量是電池容量的最大極限值，電池實際放出的容量只是理論容量的一部分。額定容量也叫標(biāo)稱容量，是指按國家或有關(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。額定容量是制造廠標(biāo)明的安時容量，是驗收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。動力電池簡介9動力電池的基本參數(shù)容量實際容量（C）是指在實際應(yīng)用工作情況下放電時電池放出的電量。充滿電的電池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積分。實際容量的計算方法如下：

恒電流放電時變電流放電時

I——放電電流，是放電時間t的函數(shù)；T——放電至終止電壓的時間。動力電池簡介10動力電池的基本參數(shù)內(nèi)阻電流通過電池內(nèi)部時受到阻力，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，電池放電時端電壓低于電動勢和開路電壓。充電時充電的端電壓高于電動勢和開路電壓。它直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出能量與功率等，其內(nèi)阻越小越好。動力電池簡介11動力電池的基本參數(shù)內(nèi)阻電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過程中由于活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度的變化以及放電時間而變化。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻，兩者之和稱為電池的全內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時由于極化所引起的內(nèi)阻。它是電化學(xué)極化和濃差極化所引起的電阻之和。極化內(nèi)阻與活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，尤其與電池的工作條件密切相關(guān)，放電電流和溫度對其影響很大。動力電池簡介12動力電池的基本參數(shù)能量與能量密度能量是指電池在一定放電制度下所能釋放出的電能，單位常用W·h或kW·h表示。電池的能量分為理論能量和實際能量。

也可用電池組額定容量與電池放電平均電壓的乘積來估算動力電池簡介13動力電池的基本參數(shù)能量與能量密度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（W·h/kg）或體積能量密度（W·h/L），也稱為質(zhì)量比能量或體積比能量。功率與功率密度功率是指在一定的放電制度下，單位時間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。功率密度又稱比功率，是單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。比功率是評價電池及電池包是否滿足電動汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。動力電池簡介14動力電池的基本參數(shù)電荷狀態(tài)荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）描述了電池的剩余電量，其值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。荷電狀態(tài)值是個相對量，一般用百分比的方式來表示，SOC的取值為：0≤SOC≤100%。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)計算關(guān)系：放電深度DOD=100%-SOC動力電池簡介15動力電池的基本參數(shù)循環(huán)使用壽命（CycleLife）循環(huán)使用壽命是指以電池充電和放電一次為一個循環(huán)，按一定測試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定值（一般規(guī)定為額定值的80%）以前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)總次數(shù)。循環(huán)使用壽命是評價電池壽命性能的一項重要指標(biāo)。自放電率是指電池在存放時間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，用單位時間（月或年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示。自放電率動力電池簡介16動力電池的基本參數(shù)輸出效率電池實際上是一個能量存儲器，充電時把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來，放電時再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?，供用電裝置使用。電池的輸出效率通常用容量效率和能量效率來表示。容量效率指電池放電時輸出的容量與充電時輸入的容量之比。能量效率指電池放電時輸出的能量與充電時輸入的能量之比。通常，電池的能量效率為55%~85%，容量效率為65%~95%。對電動汽車而言，能量效率是比容量效率更重要的一個評價指標(biāo)。動力電池簡介17動力電池的基本參數(shù)抗濫用能力指電池對短路、過充電、過放電、機(jī)械振動、撞擊、擠壓以及遭受高溫和著火等非正常使用情況的容忍程度。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)。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。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。成本動力電池簡介18動力電池的基本參數(shù)放電制度放電制度是電池放電時所規(guī)定的各種條件，主要包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。放電電流是指電池放電時的電流大小。放電電流通常用放電率表示。放電率是指電池放電時的速率，有時率或倍率兩種表示形式。時率以一定的放電電流放完額定容量所需的時間（h），常用C/n來表示，其中，C為額定容量，n為一定的放電電流。倍率是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量所輸出的電流值。放電終止電壓是指電池放電時，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓，其值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。動力電池簡介19動力電池的分類按電解液種類分類堿性電池以氫氧化鉀水溶液為主的電池，氫鎳電池等。酸性電池以硫酸水溶液為介質(zhì)的電池，如鉛酸蓄電池。中性電池以鹽溶液為介質(zhì)的電池，如鋅錳干電池。有機(jī)電解液電池以有機(jī)溶液為介質(zhì)的電池，如鋰離子電池等。動力電池簡介20動力電池的分類按工作性質(zhì)和儲存方式分類一次電池即不能再充電使用的電池，如鋰原電池等。二次電池即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池等。燃料電池活性材料在電池工作時才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、金屬燃料電池等。儲備電池儲備電池儲存時電極板不直接接觸電解液，直到電池使用時，才加入電解液，如鎂?氯化銀電池。動力電池簡介21國內(nèi)外動力電池的研究現(xiàn)狀電池的壽命和成本問題一直是制約電動汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸。經(jīng)過不斷的技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)改進(jìn)，電池技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。已從傳統(tǒng)的鉛酸電池演化到包含鎳氫動力電池、鈷酸鋰、錳酸鋰、聚合物、三元鋰、磷酸鐵鋰等先進(jìn)的綠色動力電池的技術(shù)體系。在比能量、比功率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命、成本等方面取得了長足進(jìn)步。動力電池簡介22國內(nèi)外動力電池的研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段在電動汽車上使用的主流電池類型及其基本特性見下表。鋰離子動力電池具有容量高、比能量高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，因而成為當(dāng)前電動汽車用動力電池技術(shù)研究開發(fā)的主要方向。電動汽車用主流電池類型及其基本特性動力電池簡介

鋰離子動力電池

其他儲能裝置動力電池管理系統(tǒng)動力電池組動力電池的梯次利用與回收目錄鋰離子動力電池24概述鋰離子電池根據(jù)正極材料的不同，分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元材料鋰離子電池等；根據(jù)所用電解質(zhì)材料不同，分為液態(tài)鋰離子電池（Lithium-IonBattery，LIB）和聚合物鋰離子電池（PolymerLithium-IonBattery，PLB）兩大類。三元材料鋰離子電池以其能量密度高、安全性好等優(yōu)點開始在電動汽車上得到廣泛的應(yīng)用。鋰離子動力電池25概述相對于其他類型電池，鋰離子電池具有以下顯著的優(yōu)點：工作電壓高鈷酸鋰單體電池的工作電壓為3.6V，錳酸鋰單體電池的工作電壓為3.7V。能量密度高正極材料的理論能量密度可達(dá)200W·h/kg以上。循環(huán)壽命長在深度放電情況下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次以上；在低放電深度條件下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)上萬次。自放電小月自放電率僅為總電容量的5%~9%。無記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是多次充電后電池容量減少的現(xiàn)象。環(huán)保性高不包含汞、鉛、鎘等有害元素。鋰離子動力電池26鋰離子動力電池的工作原理鋰離子電池的電極反應(yīng)表達(dá)式分別為正極反應(yīng)式：負(fù)極反應(yīng)式：電池反應(yīng)式：鋰離子電池工作原理鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋰離子動力電池27鋰離子動力電池的失效機(jī)理理想的鋰離子電池除了鋰離子在正、負(fù)極之間嵌入和脫出外，不發(fā)生其他副反應(yīng)，不出現(xiàn)鋰離子的不可逆消耗。鋰離子電池每時每刻都有副反應(yīng)存在，也有活性物質(zhì)不可逆的消耗，如電解液分解、活性物質(zhì)溶解、金屬鋰沉積等。鋰離子動力電池28鋰離子動力電池的失效機(jī)理造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有：正極材料的溶解以尖晶石LiMn2O4為例，Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰減的主要原因。正極材料的相變化鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹與收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體構(gòu)型。電解液的分解在充電的條件下，電解液對含碳電極具有不穩(wěn)定性，故會發(fā)生還原反應(yīng)。鋰離子動力電池29鋰離子動力電池的失效機(jī)理造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有：過充電造成的容量損失電池在過充電時，會造成負(fù)極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧的損失。自放電鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。SEI膜的形成因SEI膜形成而損失的鋰離子將導(dǎo)致兩極間容量平衡的改變。集流體的腐蝕鋰離子電池中的集流體材料常用銅和鋁，兩者都容易發(fā)生腐蝕。鋰離子動力電池30鋰離子動力電池的性能充放電特性鋰離子電池充電從安全、可靠及兼顧充電效率等方面考慮，通常采用兩段式充電方法。第1階段為恒流限壓，第2階段為恒壓限流。鋰離子電池充電的最高限壓值根據(jù)正極材料不同而有一定的差別。鋰離子電池基本充放電電壓曲線如圖所示。曲線采用的充放電電流為0.3C。鋰離子電池基本充放電電壓曲線鋰離子動力電池31鋰離子動力電池的性能充放電特性以額定容量100A·h某鋰離子電池為例，在SOC=40%、恒溫20℃情況下，采用不同充電率充電。充電曲線如圖所示（1）充電電流對充電特性的影響隨充電電流的增加，恒流時間逐步減少，恒流可充入容量和能量也逐步減少。在實際電池組應(yīng)用中，可以以鋰離子電池允許的最大充電電流充電，達(dá)到限壓后，進(jìn)行恒壓充電。應(yīng)綜合考慮充電時間和效率，選擇適中的充電電流，以減少內(nèi)阻能耗。鋰離子電池充電電流曲線鋰離子動力電池32鋰離子動力電池的性能充放電特性（2）放電深度對充電特性的影響在恒溫環(huán)境溫度20℃下，對額定容量100A·h鋰離子電池在不同SOC、以0.3C恒流限壓進(jìn)行充電。試驗參數(shù)見表。鋰離子動力電池33鋰離子動力電池的性能充放電特性（2）放電深度對充電特性的影響①隨放電深度增加，充電所需時間增加，但平均每單位容量所需的充電時間減少，即充電時間的增加隨放電深度不成正比增加；②隨放電深度增加，恒流充電時間所占總充電時間比例增加，恒流充電容量占所需充入容量的比重增加；③隨放電深度增加，等安時充放電效率有所降低，降低幅度不大。鋰離子動力電池34鋰離子動力電池的性能充放電特性（3）充電溫度對充電特性的影響在不同環(huán)境溫度下對鋰離子電池進(jìn)行充電，以某額定容量200A·h鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條件為充電電流下限為1A的充電參數(shù)不同溫度電池充電參數(shù)鋰離子動力電池35鋰離子動力電池的性能充放電特性（3）充電溫度對充電特性的影響隨著環(huán)境溫度降低，電池的可充入容量明顯降低，而充電時間明顯增加。低溫（?25℃）同室溫（25℃）相比，相同的充電結(jié)束電流，可充入容量和能量降低約25%~30%。若以5A為充電結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，則電池僅能充入在此溫度下可充入容量或能量的75%~85%。但降低充電結(jié)束電流，就意味著充電時間的大幅增加。在冬季低溫情況下，電池可充入容量低，為了防止電池過放電，必須降低單次充電電池的可用容量。鋰離子動力電池36鋰離子動力電池的性能充放電特性（4）放電特性影響因素以某額定容量200A·h鋰離子電池為例。在20℃的環(huán)境溫度下，將電池充滿電，分別在?20℃、0℃、20℃進(jìn)行不同放電電流下的放電試驗，100A（0.5C）放電過程的曲線如圖。鋰離子電池100A（0.5C）放電過程的曲線鋰離子動力電池37鋰離子動力電池的性能充放電特性（4）放電特性影響因素在同一溫度、同樣的放電終止電壓下，不同的放電結(jié)束電流，可放出的容量和能量有一定的差別。電流越小，可放出容量和能量越多。在低溫下，電池的放電電壓較低，尤其在放電初期同樣的放電電流下，電池電壓將出現(xiàn)一個急劇下降，所以放電能量偏低；在放電中期，放電消耗在電池內(nèi)阻上的能量使得電池自身的溫度升高，鋰離子電池活性物質(zhì)的活性增加，電池電壓有所升高，因此可放出的能量增加；在放電后期，電池電壓降低，單位時間放出的能量隨之降低。鋰離子動力電池38鋰離子動力電池的性能安全性鋰離子電池在熱沖擊、過充電、過放電和短路等濫用情況下，其內(nèi)部的活性物質(zhì)及電解液等組分間將發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱量與氣體，使得電池內(nèi)部壓力升高，積累到一定程度可能導(dǎo)致電池著火甚至爆炸。其主要原因如下：材料穩(wěn)定性在高溫、過充電、針刺穿透以及擠壓等情況下，可以導(dǎo)致電極和有機(jī)電解液之間的強(qiáng)烈作用。反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如不能及時散失到周圍環(huán)境中，必將導(dǎo)致電池內(nèi)熱失控的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致電池的燃燒、爆炸。制造工藝制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池的制造工藝。電極制造、電池裝配等制造過程都會對電池的安全性產(chǎn)生影響。鋰離子動力電池39鋰離子動力電池的應(yīng)用（1）便攜式電器（2）交通行業(yè)鋰離子動力電池40鋰離子動力電池的應(yīng)用（3）在軍事裝備及航空航天事業(yè)中的應(yīng)用（4）其他動力電池簡介鋰離子動力電池其他儲能裝置動力電池管理系統(tǒng)動力電池組動力電池梯次利用與回收目錄424.3其他儲能裝置鉛酸電池：因為可靠性好、成本低、瞬時輸出功率大、安全性好、易維護(hù)等優(yōu)點，鉛酸電池是在今所有化學(xué)電源中生產(chǎn)規(guī)模最大。組成：鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)主要成分為二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)主要成分為絨狀鉛，隔板由微孔橡膠、顏料玻璃纖維等材料制成，電解液由濃硫酸和凈化水配制而成。鉛酸電池434.3其他儲能裝置鉛酸電池的應(yīng)用：起動、點火、照明電池，主要用于汽車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)車等工業(yè)用鉛酸蓄電池，用于通信、發(fā)電廠和變電所開關(guān)控制設(shè)備以及計算機(jī)備用電源閥控密封式鉛酸蓄電池，用于應(yīng)急燈、UPS、電信等動力電池，主要用于電動汽車、高爾夫球車、電動叉車、礦用車等444.3其他儲能裝置鎳氫電池鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種綠色電池，屬于堿性電池。其正極主要成分為氫氧化物，負(fù)極主要成分為儲氫合金，電解質(zhì)為氫氧化鉀溶液，隔膜主要有尼龍纖維、聚丙烯纖維和維綸纖維電池隔膜。壽命長溫度適應(yīng)性好高功率無記憶效應(yīng)優(yōu)點：鎳氫電池應(yīng)用與鋰電池相比，鎳氫電池采用堿性水溶液做電解質(zhì)，安全性更好，且其快速充放電性能好，所以在日系的混合動力車型中應(yīng)用廣泛，如豐田普銳斯等。但是由于鋰電池的比能量密度更高，可以滿足電動汽車高續(xù)航的需求，我國國產(chǎn)混合動力車型普遍采用鋰電池作為動力電池。454.3其他儲能裝置鎳氫電池or鎳氫電池鋰電池464.3其他儲能裝置超級電容器超級電容器依靠電解質(zhì)與電極接觸界面上形成的特有雙層結(jié)構(gòu)儲存能量。超級電容器的比功率高，儲存電荷的能力強(qiáng)，并具有充放電速度快、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬、無污染等特點，是一種非常有前途的綠色儲能裝置。特性：超級電容具有與電池不同的充放電特性，在相同的放電電流情況下，電壓呈現(xiàn)隨放電時間線性下降的趨勢。這種特性使超級電容的剩余能量預(yù)測以及充放電控制相對于電池的非線性特性曲線簡單了許多。超級電容放電曲線

超級電容器主要應(yīng)用在混合動力電動汽車上，超級電容器-蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來電動汽車動力問題的有效途徑之一。當(dāng)前針對于搭載超級電容器-蓄電池復(fù)合電源的混合動力汽車的能量管理策略已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了研究。隨著對電動車用超級電容的進(jìn)一步研究和開發(fā)，超級電容—蓄電池復(fù)合電源系統(tǒng)在滿足性能和成本要求上更具有實用性，其市場前景廣闊。474.3其他儲能裝置超級電容器動力電池簡介鋰離子動力電池其他儲能裝置動力電池管理系統(tǒng)動力電池組動力電池梯次利用與回收目錄基本功能：數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估計、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、通信功能和人機(jī)接口動力電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）是用來對蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及管理、保障電池性能的裝置，可以起到保證動力電池組應(yīng)用的安全可靠、延長電池使用壽命、能量管理的作用。494.4動力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)動力電池管理系統(tǒng)的功能：504.4動力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集：電池電壓、溫度等基本數(shù)據(jù)的采集狀態(tài)估計：荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）的估計能量管理：確保電池的實時能量輸出和輸入不超出系統(tǒng)的承載能力安全管理：監(jiān)視電池電壓、電流、溫度等是否超過正常范圍熱管理：使電池處于適宜的工作溫度范圍內(nèi)，并在電池工作過程中保持電池單體間溫度均衡均衡控制：使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，延長使用壽命通信功能：實現(xiàn)電池參數(shù)信息與車載設(shè)備或非車載設(shè)備的通信，為充放電控制、整車控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)人機(jī)接口：根據(jù)設(shè)計需要設(shè)置的顯示信息以及控制按鍵、旋鈕等電池管理系統(tǒng)可以進(jìn)行電池一次測量參數(shù)的采集，也可以完成二次參數(shù)（SOC、內(nèi)阻）的測量和預(yù)測，能夠識別極端參數(shù)進(jìn)行電池狀態(tài)預(yù)警，還可以通過數(shù)據(jù)總線直接參與車輛狀態(tài)的控制。514.4動力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)工作原理工作原理：數(shù)據(jù)采集電路采集電池電壓、電流、溫度等狀態(tài)信息后，通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送給電子控制單元ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，然后根據(jù)分析結(jié)果BMS對電池工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如控制風(fēng)機(jī)開、關(guān)等。同時，電池管理系統(tǒng)也能通過CAN總線與組合儀表及充電設(shè)備等進(jìn)行通信，實現(xiàn)參數(shù)顯示、充電監(jiān)控等功能。過高或過低的溫度都將直接影響動力電池的使用壽命和性能，可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)的安全問題，且電池箱內(nèi)溫度場的長久不均勻分布將造成各電池模塊、單體間性能的不均衡，因此電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對于電動車輛動力電池系統(tǒng)而言是必需的。524.4動力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)電池單體不一致性熱失控534.4動力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)按照傳熱介質(zhì)分類，熱管理系統(tǒng)可分為空冷、液冷及相變材料冷卻3種方式。比較：空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡單，重量相對較?。粵]有發(fā)生漏液的可能；有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)；成本較低與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻、加熱速度慢液體冷卻

（直接接觸和非直接接觸兩種方式）與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻、加熱速度快；體積較小存在漏液的可能；重量相對較大；維修和保養(yǎng)復(fù)雜；需要水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜相變材料冷卻不需要運動部件，不需要耗費電池額外能量，能夠有效降溫，滿足各電池單體間溫度分布的均衡要求結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用不廣泛散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計：電池模塊的溫度差異與電池組布置有很大關(guān)系，一般情況下，中間位置的電池容易積累熱量，邊緣的電池散熱條件要好些。所以在進(jìn)行電池組結(jié)構(gòu)布置和散熱設(shè)計時，要盡量保證電池組散熱的均勻性。以空冷散熱為例，通風(fēng)方式一般有串行通風(fēng)和并行通風(fēng)兩種來保證電池組散熱的均勻性。電池組熱管理系統(tǒng)有如下5項主要功能：電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；低溫條件下的快速加熱；有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；保證電池組溫度場的均勻分布。544.4動力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計：554.4動力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)串行通風(fēng)并行通風(fēng)串行通風(fēng)一般是使空氣從電池包一側(cè)流往另外一側(cè)，從而達(dá)到帶走熱量的效果。這時氣流會將先流過的地方的熱量帶到后流過的地方，從而導(dǎo)致兩處溫度不一致且溫差較大。而并行通風(fēng)時，模塊間空氣都是直立上升氣流，這樣能夠更均勻地分配氣流，從而保證電池包中各處的散熱一致性。熱管理系統(tǒng)按照是否有內(nèi)部加熱或制冷裝置可分為被動式和主動式兩種。被動系統(tǒng)成本較低，采取的措施相對簡單；主動系統(tǒng)相對復(fù)雜，并且需要更大的附加功率，但效果較為理想564.4動力電池管理系統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)比較：圖1被動加熱與散熱圖2被動加熱與散熱（內(nèi)部空氣流通）圖3主動加熱與散熱圖1，圖2盡管空氣是經(jīng)過汽車空調(diào)或供暖系統(tǒng)冷卻和加熱的，但它仍然被認(rèn)為是一種被動系統(tǒng)。運用這種被動系統(tǒng)，由于引入環(huán)境空氣的溫度的不一致性，環(huán)境空氣必須在0-35℃中才能正常進(jìn)行熱管理，在環(huán)境極冷或極熱條件下運行電池包可能會產(chǎn)生更大的不均勻度。

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鋰離子動力電池

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動力電池管理系統(tǒng)動力電池組動力電池的梯次利用與回收目錄58動力電池組單體電池的電壓和容量無法滿足電動汽車的需求，因此必須通過串并聯(lián)的方式組成電池組來提供能量。由于電池組內(nèi)單體間不一致性的存在，在電池組使用過程中，電池組的最大可用容量與單體的可用容量下降速度不同步，也將導(dǎo)致各單體的SOC狀態(tài)各不相同。電動汽車動力電池組電池單體間的不一致性59動力電池組木桶短板效應(yīng)電池組的性能并不等于各單體電池性能的簡單相加，而是存在類似于木桶短板效應(yīng)的問題，因此電池組壽命和電池單體相比有明顯降低。木桶短板效應(yīng)：一只木桶能盛多少水，并不取決于最長的那塊木板，而是取決于最短的那塊木板。如果把電池組比喻成是一個盛水的木桶，那么組成電池組的電池單體就是組成這個木桶的木板，性能最差的那一個電池單體，決定了電池組的整體性能。60由于現(xiàn)階段電池能量密度的限制，為了達(dá)到滿足車輛用戶需求的續(xù)駛里程，電池系統(tǒng)占整車的質(zhì)量比例較高，在10%到20%之間。因此電池包在整車上的布置位置對電動車輛的性能和布置結(jié)構(gòu)有很大的影響。動力電池組動力電池組的布置形式動力電池組布置形式分類61按照軸荷分配質(zhì)量的位置分類，具體可分為前軸前、后軸后和兩軸之間三個位置。電動客車電池分別置于兩軸間以及后軸后的位置，混合動力電動汽車由于電池較少，采用單一位置進(jìn)行電池布置。動力電池組動力電池組的布置形式按照軸荷分配質(zhì)量的位置分類普銳斯混合動力電動汽車電池包位置電動客車骨架圖62近年來很多乘用車采用底盤均布的方式布置動力電池系統(tǒng)，不僅可以提高電池系統(tǒng)的安全性，還可以降低車輛重心，增強(qiáng)車輛的操縱穩(wěn)定性和安全性。具體來說，布置方式又可分為底盤上部布置、一體化布置等。動力電池組動力電池組的布置形式按動力電池組與底盤的關(guān)系分類電池系統(tǒng)底盤上部布置63采用底盤上部布置方式的電池系統(tǒng)一般安裝在車輛座椅下、底盤上部。動力電池組動力電池組的布置形式按動力電池組與底盤的關(guān)系分類電池系統(tǒng)底盤上部布置64將電池系統(tǒng)與底盤結(jié)構(gòu)融為一體可提高電池系統(tǒng)、車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)電池系統(tǒng)的碰撞安全性。動力電池組動力電池組的布置形式按動力電池組與底盤的關(guān)系分類電池系統(tǒng)一體化布置65電池一致性是指同一規(guī)格型號的單體電池組成電池組后，其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內(nèi)阻及其變化率、壽命、溫度影響、自放電率等參數(shù)存在一定的差別。電池一致性主要表現(xiàn)在兩方面：動力電池組動力電池組的一致性1.在制造過程差異引起的單體原始差異：由于工藝問題和材質(zhì)不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率等存在差別，這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不一致性使同一批次出廠的同一型號電池的容量、內(nèi)阻等參數(shù)不完全一致。2.在裝車使用時的環(huán)境差異引起的單體退化差異：由于電池組中各個電池的溫度、通風(fēng)條件、自放電程度、電解液密度等差別的影響，在一定程度上增加了電池電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)的不一致性。66根據(jù)使用中電池組不一致性擴(kuò)大的原因和對電池組性能的影響方式，可將電池的一致性分為電壓一致性、容量一致性和電阻一致性。動力電池組動力電池組的一致性電池一致性的分類并聯(lián)電壓不一致性1.電壓一致性電壓不一致的主要影響因素在于并聯(lián)組中電池的互充電，當(dāng)并聯(lián)組中一節(jié)電池電壓低時，其他電池將給此電池充電。并聯(lián)電壓不一致性如右圖所示，設(shè)V1的端電壓低于V2，則電流方向如圖所示，如同電池充電電路。67動力電池組動力電池組的一致性電池一致性的分類低壓電池和正常電池一起使用將成為電池組的負(fù)載，影響電池組的壽命。所以在電池組不一致程度明顯增加的深放電階段，不能再繼續(xù)行車，否則會造成低容量電池過放電，影響電池組使用壽命。電池靜態(tài)開路電壓（電池靜止1h以上）在一定程度上是電池SOC的集中表現(xiàn)。由于電池SOC在一定范圍內(nèi)還與電池開路電壓呈線性關(guān)系，因此開路電壓不一致也在一定程度上體現(xiàn)了電池能量狀態(tài)不一致。68動力電池組動力電池組的一致性電池一致性的分類2.容量一致性在電池使用過程中可以通過電池單體單獨充放電來調(diào)整單體電池初始容量使之差異性較小，所以初始容量不一致不是電動汽車電池成組應(yīng)用的主要矛盾。在電池組實際使用過程中，容量不一致主要是電池起始容量不一致和放電電流不一致綜合影響的結(jié)果。3.內(nèi)阻一致性電池內(nèi)阻不一致使得電池組中每個單體在放電過程中熱損失的能量各不一樣，最終會影響電池單體的能量狀態(tài)。69動力電池組動力電池組的一致性電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)律隨使用時間和行駛里程的增加，電池的不一致程度逐漸增加。最直觀的反映為單體電池電壓不一致程度增加。從下圖中可以看出，電池組的電壓分散程度隨著使用時間的增加而增加，各電壓段概率值的分布狀態(tài)與正態(tài)分布相似。某鋰離子電池組在使用過程中電壓一致性的分布70動力電池組動力電池組的一致性提高電池一致性的措施電池組的一致性是相對的，不一致性是絕對的。電池的不一致性在生產(chǎn)階段就已經(jīng)產(chǎn)生了，在應(yīng)用過程中，需要采取一定的措施，減緩其擴(kuò)大的趨勢或速度。常用措施有以下八種：1.提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質(zhì)量，尤其是初始電壓的一致性。同一批次電池出廠前，篩選相關(guān)性良好的電池，保證同批電池的性能盡可能一致。2.在動力電池成組時，務(wù)必保證電池組采用同一類型、同一規(guī)格、同一型號的電池。3.盡量避免電池過充電，盡量防止電池深度放電。71動力電池組動力電池組的一致性提高電池一致性的措施4.在電池組使用過程中檢測單體電池參數(shù)，尤其是動、靜態(tài)情況下的電壓分布情況，掌握電池組中單體電池不一致性的發(fā)展規(guī)律，對極端參數(shù)電池進(jìn)行及時調(diào)整或更換。5.對使用中發(fā)現(xiàn)的容量偏低的電池進(jìn)行單獨維護(hù)性充電，使其性能恢復(fù)。6.間隔一定時間對電池組進(jìn)行小電流維護(hù)性充電，促進(jìn)電池組自身的均衡和性能恢復(fù)。7.保證電池組良好的使用環(huán)境，盡量保證電池組溫度場均勻，減小振動，避免水、塵土等污染電池極柱。8.采用電池組均衡系統(tǒng)，對電池組充放電進(jìn)行智能管理。72動力電池組動力電池組的一致性一致性對電池組壽命的影響電池組壽命的影響因素除了單體本身所含因素以外，還包括單體電池之間的一致性水平。在車輛應(yīng)用過程中，主要體現(xiàn)在以下差異：1.溫度差異：根據(jù)需要，電池的安裝位置可能不同，其所處的熱環(huán)境存在差異，或者在同一位置的電池模組內(nèi)由于通風(fēng)條件的差異導(dǎo)致單體間有溫差。2.充放電倍率差異：在串聯(lián)組中電流相同，但由于電池的不一致性，有的電池在最佳放電電流工作，有的電池達(dá)不到或超過了最佳放電電流。因此導(dǎo)致電池在工作過程中的放電率有差異。73動力電池組動力電池組的一致性一致性對電池組壽命的影響3.放電深度差異：由于電池組中電池單體容量不一致，低容量電池比其他電池提前進(jìn)入深放電階段，并且在其他電池深放電時，其沒有電量可以放出而成為負(fù)載，從而導(dǎo)致各個電池放電深度有差異。4.單體電池與電池組的可用容量差異：在充電過程中，小容量電池將提前充滿，為使電池組中其他電池充滿，小容量電池必將過充電，充電后期充電電壓偏高，形成安全隱患，影響電池使用壽命。各種一致性水平的差異導(dǎo)致了電池組壽命與單體電池壽命存在較大差異。不一致參數(shù)之間是相互影響、互為因果關(guān)系的。電池初始容量不一致及衰退速度不一致是造成荷電狀態(tài)不一致的原因。74動力電池組動力電池組的一致性一致性對電池組壽命的影響所有的不一致性最直接的表現(xiàn)形式就是電池電壓的不一致，它可以從一定程度上反映動力電池組其他各種不一致性。電池組不一致性的成因和傳遞過程如下圖所示。75動力電池組動力電池的使用壽命動力電池單體在充放電循環(huán)使用過程中，由于一些不可避免的副反應(yīng)的存在，電池可用活性物質(zhì)逐步減少，性能逐步退化，其退化程度隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加而加劇，其退化速度與動力電池單體充放電的工作狀態(tài)和環(huán)境有直接聯(lián)系。動力電池單體壽命的影響因素主要包括充放電速率、充放電深度、環(huán)境溫度、存儲條件、電池維護(hù)過程、電流波紋以及過充電量和過充電頻率等。76動力電池組動力電池的使用壽命1.充電截止電壓動力電池在充電過程中一般都伴隨有副反應(yīng)，提高充電截止電壓會加劇副反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致電池使用壽命縮短，并可能導(dǎo)致內(nèi)部短路電池?fù)p壞，甚至造成著火爆炸等危險工況。以某鋰離子動力電池為例，降低充電截止電壓將有效提高電池循環(huán)壽命，但代價是降低電池的可用容量。降低充電截止電壓對電池容量衰退的影響77動力電池組動力電池的使用壽命提高充電截止電壓對動力電池容量衰退的影響也是巨大的。提高充電截止電壓對電池容量衰退的影響充電截止電壓提高0.15V，動力電池容量保持在800mAh以上的循環(huán)壽命從350次降低到140次。78動力電池組動力電池的使用壽命2.放電深度深度放電會加速動力電池的衰退。某鋰離子動力電池在不同放電深度下的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)如下表所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，淺充淺放可以有效提高動力電池的使用壽命。放電深度（%）100502510循環(huán)壽命/次5001500250047003.充放電倍率動力電池單體的充放電倍率是其在使用工況下最直接的特征參數(shù)，其大小直接影響著動力電池單體的衰退速度。放電深度與循環(huán)壽命的對應(yīng)關(guān)系79動力電池組動力電池的使用壽命動力電池單體大倍率的充放電都會加快其容量的退化速度，如果充放電倍率過大，動力電池單體還可能會出現(xiàn)直接損壞，甚至過熱、短路起火等極端現(xiàn)象。不同充放電倍率下動力電池的容量衰退圖充放電倍率越高，動力電池單體的容量衰退越快。