新能源汽車電池及管理系統(tǒng)課件 1-3 鎳氫蓄電池的技術(shù)分析

鎳氫蓄電池的技術(shù)分析

任務(wù)導(dǎo)入：

鎳氫電池具有高能量、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染、安全性高等特點(diǎn)。鎳氫電池主要應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車上，如豐田普銳斯。我國(guó)的長(zhǎng)安、吉利汽車也使用鎳氫電池，因此，作為汽車維修企業(yè)的技術(shù)人員，應(yīng)掌握鎳氫電池技術(shù)，能對(duì)鎳氫電池的技術(shù)進(jìn)行分析。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.知識(shí)目標(biāo)

（1）熟悉鎳氫電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

（2）了解鎳氫電池的工作原理；

（3）掌握鎳氫電池的充電過(guò)程。

2.能力目標(biāo)

（1）能描述鎳氫電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（2）能描述鎳氫電池的充電過(guò)程。

一、鎳氫高壓電池組結(jié)構(gòu)

鎳氫高壓動(dòng)力電池組由鎳氫電池單體串聯(lián)成電池模塊，電池模塊再串聯(lián)成電池模組，把電池模組串并聯(lián)后構(gòu)成電池組。

1.

鎳氫電池單體鎳氫電池單體及結(jié)構(gòu)如圖所示。

鎳氫電池單體及結(jié)構(gòu)2.鎳氫電池模塊電池單體串聯(lián)成的鎳氫電池模塊如圖所示。3.鎳氫電池模組電池模組如圖1-3-3所示。圓柱電池模塊和方形鎳氫電池模塊

鎳氫電池模組

二、鎳氫電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池。鎳氫電池正極活性物質(zhì)為Ni（OH）2（稱NiO電極），負(fù)極活性物質(zhì)為金屬氫化物，也稱儲(chǔ)氫合金（電極稱儲(chǔ)氫電極），電解液為6mol/L氫氧化鉀溶液。

鎳氫動(dòng)力電池具有無(wú)污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性好等許多優(yōu)異特性。

與鉛酸蓄電池相比，鎳氫蓄電池具比能量高、重量輕、體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；

與鎳鎘電池相比，其比能量是鎳鎘電池的兩倍。

另一大優(yōu)點(diǎn)就是鎳氫蓄電池不含鎘、鉛這類有毒金屬，其中一些金屬還有較高的回收價(jià)值，可稱為綠色能源。

鎳氫電池的主要特點(diǎn)：

（1）可靠性強(qiáng)

鎳氫電池具有較好的過(guò)放電、過(guò)充電保護(hù)，可耐較高的充放電率并且無(wú)枝晶形成。具有良好的比特性。其質(zhì)量比容量為60A·h/kg，是鎘鎳電池的5倍。

（2）耐過(guò)充放電能力強(qiáng)；

（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)，可達(dá)數(shù)1000次以上。在混合動(dòng)力汽車上可使用5年以上。

（4）與鎳鎘電池相比，全密封，維護(hù)少。

（5）低溫性能優(yōu)良，在-10℃時(shí)，容量沒(méi)有明顯改變。

（6）對(duì)環(huán)境無(wú)污染，無(wú)記憶效應(yīng)等。

（7）安全性高

短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動(dòng)等安全性、可靠性試驗(yàn)無(wú)爆炸燃燒現(xiàn)象。

三、豐田普銳斯鎳氫高壓（HV）動(dòng)力電池組

普銳斯高壓動(dòng)力電池組由上下箱體、電池模組、電池管理系統(tǒng)、含接觸器的高壓配電盒總成、動(dòng)力電池冷卻風(fēng)扇(無(wú)電刷)、維修開(kāi)關(guān)等組成，如圖所示。

1.電池模組

普銳斯鎳氫高壓電池組由14個(gè)電池模組串聯(lián)組成，一個(gè)模組由2個(gè)電池模塊串聯(lián)而成，6個(gè)1.2V的電池單體串聯(lián)成一個(gè)7.2V的電池模塊。電池模組內(nèi)有檢測(cè)電池溫度的傳感器，還有電池排氣孔，如圖所示。

鎳氫電池模組

2.

高壓配電盒（又稱高壓配電箱、高壓接線盒）

普銳斯高壓配電盒內(nèi)安裝有動(dòng)力電池正極接觸器、負(fù)極接觸器、電流傳感器、預(yù)充電阻及相關(guān)的高壓電纜和維修開(kāi)關(guān)。電池管理系統(tǒng)（BMS）也安裝在配電盒內(nèi)，如圖下所示。

動(dòng)力電池組通過(guò)高壓接觸器與車輛的變頻器相連。在車輛的正常運(yùn)行過(guò)程中，高壓接觸被接通（電流開(kāi)始流動(dòng)）。高壓接觸器屬于接觸型繼電器，對(duì)電池電流沒(méi)有任何限制。普銳斯動(dòng)力電池高壓配電盒

（1）高壓動(dòng)力電池接觸器結(jié)構(gòu)及原理

接觸器結(jié)構(gòu)及原理如下圖所示，給線圈接通小電流后線圈產(chǎn)生電磁吸力，觸點(diǎn)吸合。端子3和4接通，動(dòng)力電池的大電流即可通過(guò)端子3輸入，再由端子4輸出。接觸器的結(jié)構(gòu)與原理圖

（2）高壓動(dòng)力電池接觸器的功能

1）汽車上電時(shí)，將動(dòng)力電池組連接到變頻器,并監(jiān)控電池組和變頻器之間的高壓電路。

2）允許高壓電流在電池組和變頻器之間流通。

3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被關(guān)閉時(shí)，斷開(kāi)動(dòng)力電池組與變頻器的連接。

4）車輛緊急停機(jī)時(shí)，斷開(kāi)動(dòng)力電池組與變頻器的連接。

（3）高壓動(dòng)力電池接觸器控制電路1）高壓動(dòng)力電池接觸器總控電路小貼士：

HV-ECU是混動(dòng)動(dòng)力控制單元，用來(lái)根據(jù)加速踏板位置傳感器信號(hào)、檔位傳感器信號(hào)、蓄電池電壓及電流和溫度信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU信號(hào)、車身穩(wěn)定系統(tǒng)ECU信號(hào)來(lái)確定車輛行駛狀態(tài)，計(jì)算車輛行駛所需的扭矩和功率。

逆變器（變頻器）總成根據(jù)HV-ECU發(fā)出的指令信號(hào)來(lái)控制發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作。

發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)HV-ECUd信號(hào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和動(dòng)力進(jìn)行控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳狀態(tài)。2）預(yù)充接觸器電路

新能源汽車高壓上電時(shí)，要先對(duì)變頻器（電機(jī)控制器）內(nèi)的母線電容預(yù)充電。如圖上所示，若高壓上電時(shí)，直接閉合正、負(fù)極接觸器，相當(dāng)于直接將動(dòng)力電池正負(fù)極接通，此時(shí)動(dòng)力電池等同于短路，回路中產(chǎn)生瞬時(shí)大電流將損壞高壓回路及高壓部件。因此高壓上電時(shí)，先閉合負(fù)極接觸器和預(yù)充接觸器，預(yù)充電接觸器通過(guò)預(yù)充電阻，將動(dòng)力電池組連接到變頻器（電機(jī)控制器）上，作為高壓系統(tǒng)的一個(gè)自檢程序，如果系統(tǒng)某項(xiàng)自檢沒(méi)有通過(guò)，預(yù)充電繼電器會(huì)立刻斷開(kāi)，并生成一個(gè)故障碼（DTC）。動(dòng)力電池的電流流經(jīng)預(yù)充電阻，以規(guī)定的速率為變頻器母線電容充電，如圖上所示。

3.

維修開(kāi)關(guān)

第三代普銳斯高壓動(dòng)力電池組維修開(kāi)關(guān)位于電池的右下方，從行李箱內(nèi)可以拆卸。如右圖所示。

4.

電池信息采集器（BIC，又稱數(shù)據(jù)采集模塊）

采集電池單體和電池模組電壓和電池組溫度，對(duì)電壓差異大的電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡。

檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)采集器輸送到動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，系統(tǒng)上報(bào)混合動(dòng)力控制器VCU，VCU根據(jù)工作條件和駕駛員的需求控制動(dòng)力電池組進(jìn)行相應(yīng)的充電或放電。如電池單體、電池模組或部分電路的電壓不平衡，部分帶充電系統(tǒng)的電動(dòng)汽還可以用BIC來(lái)進(jìn)行電池電壓均衡。普銳斯動(dòng)力電池維修開(kāi)關(guān)位置

5.

傳感器

（1）電壓傳感器

電壓傳感器在電池組多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并比較電池模組不同部分性能，以確認(rèn)電池模組有無(wú)失去平衡。電壓傳感器測(cè)量單個(gè)電池單體電壓，也測(cè)量電池模組或動(dòng)力電池組的電壓，使BIC能對(duì)電池進(jìn)行分段監(jiān)測(cè)，每段的電壓和電量應(yīng)大致相同。BIC與每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（通常是被測(cè)的電池單體或電池模組的正負(fù)極端子）之間通過(guò)采集線線相連接。

普銳斯在14個(gè)位置上監(jiān)視電池模組電壓，如下圖所示。

（2）溫度傳感器

普銳斯動(dòng)力電池組使用3個(gè)溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)電池溫度（如下圖所示）。通常情況下電池組越大，溫度傳感器越多。傳感器通常被安裝在電池單體或模組的外部，或與電池單體、電池模組的正負(fù)極端口相連。

（3）電流傳感器

1）安裝位置

安裝在動(dòng)力電池組總成的正極電纜側(cè)，如下圖所示。用于檢測(cè)流入動(dòng)力電池組的電流。電流傳感器監(jiān)控原理

電流監(jiān)控原理

如圖上所示，電池管理系統(tǒng)從電流傳感器端將信號(hào)電壓輸入端子IB，該電壓與安培數(shù)成比例并在0~5V之間變化。電流傳感器的輸出電壓低于2.5V表示動(dòng)力電池組正在放電，高于2.5V表示動(dòng)力電池組正在充電?；旌蟿?dòng)力控制單元（HVECU）根據(jù)電池管理系統(tǒng)輸入其端子IB的信號(hào)來(lái)確定動(dòng)力電池組的充電和放電安培數(shù)，并通過(guò)累計(jì)的安培數(shù)計(jì)算動(dòng)力電池組的荷電量（SOC）充電狀態(tài)。

非插電式混動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電：

非插電式混動(dòng)汽車不能用外接電源直接充電。

車輛減速制動(dòng)過(guò)程中減少的動(dòng)能會(huì)被系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)能。

非插電式混合動(dòng)力汽車電池由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)充電。

低速起步時(shí)只能由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車輪可以由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，也可以電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輪。

代表車型有：豐田普銳斯、凱美瑞尊瑞。課堂練習(xí)：一、填空題1.鎳氫蓄電池的主要特點(diǎn)：

、

、

、

、

、

、等。2.第三代普銳斯的動(dòng)力電池系統(tǒng)由

、

、

、

、

等組成。3.電池信息采集器（BIC）根據(jù)

、

、

參數(shù)來(lái)計(jì)算荷電量。4.

測(cè)量單個(gè)電池單體的電壓，也測(cè)量電池模組或動(dòng)力電池組的電壓。5.溫度傳感器通常被安裝在電池單體或模組的

，或與電池單體、電池模組的

端口相連。動(dòng)力電池使用的溫度傳感器至少有

個(gè)。6.

電流傳感器一般都是安裝在

的位置，通常是在電池組的

。7.電流傳感器端將信號(hào)電壓輸入電池管理器端子IB，該電壓在

和

V之間變化，電壓低于

Ｖ表示動(dòng)力電池組正在放電，高于

Ｖ表示動(dòng)力電池組正在充電。8.高壓接觸器屬于

，對(duì)電池電流沒(méi)有任何限制。9.新能源汽車的動(dòng)力電池通常使用

限制車輛上電時(shí)的電流。二、看圖寫(xiě)出鎳氫電池部件名稱