《動力電池系統(tǒng)》ppt課件

1、第4章　動力電池系統(tǒng),4.1　動力電池簡介4.2　鋰離子動力電池4.3　其他電池4.4　動力電池管理系統(tǒng)4.5　動力電池組的使用壽命4.6　動力電池的梯次利用與回收,4.1　動力電池簡介,4.1.1　動力電池的基本結(jié)構(gòu)4.1.2　動力電池的基本參數(shù)4.1.3　動力電池分類,4.1.1　動力電池的基本結(jié)構(gòu),電池是一種把化學反應(yīng)所釋放的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。要實現(xiàn)化學能轉(zhuǎn)變成電能的過程，必須滿足如下條件：⑴必須把化學

2、反應(yīng)中失去電子的氧化過程（在負極進行），得到電子的還原過程（在正極進行），分別在兩個區(qū)域進行。⑵兩電極間必須具有離子導電性的物質(zhì)。⑶化學變化過程中電子的傳遞必須經(jīng)過外線路。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)、負極活性物質(zhì)、電解質(zhì)、隔膜、外殼以及導電柵、匯流體、端子、安全閥等零件。電池基本結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。,圖4-1　電池的基本結(jié)構(gòu),4.1.2　動力電池的基本參數(shù),(1)端電壓和電動勢(2)容量(3

3、)內(nèi)阻(4)能量與能量密度(5)功率與功率密度(6)荷電狀態(tài)(7)放電深度(8)循環(huán)使用壽命(Cycle(9)自放電率(10)輸出效率(11)抗濫用能力(12)成本(13)放電制度,4.1.2　動力電池的基本參數(shù),⑴端電壓和電動勢端電壓：動力電池正極和負極之間的電位差。動力電池在沒有負載情況下的端電壓叫開路電壓。動力電池接上負載后處于放電狀態(tài)下的電壓稱為負載電壓，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

4、為充電終止電壓和放電終止電壓。圖4-2所示為電池的充放電曲線，由圖可知電池的充放電結(jié)束時都有一個電壓極限值，充電時的電壓極限值就是充電終止電壓；放電時的電壓極限值就是放電終止電壓。電動勢（E）：組成電池的兩個電極的平衡電極電位之差。,圖4-2　電池充放電電壓變化曲線,(2)容量,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 或表示。理論容量：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。

5、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)的電化學當量精確求出。法拉第定律指出：電流通過電解質(zhì)溶液時，在電極上發(fā)生化學反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。數(shù)學式表達為,,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計算公式。額定容量：也叫標稱容量，是指按國家或有關(guān)部門規(guī)定的標準，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明

6、的安時容量，是驗收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標。實際容量（C）：在實際應(yīng)用工作情況下放電，電池實際放出的電量。充滿電的電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電時間的積分。,(3)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。電池內(nèi)阻是化學電源的一個極為重要的參數(shù)。它直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出

7、能量與功率等，對于一個實用的化學電源，其內(nèi)阻越小越好。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)阻是指化學電源的正極與負極在電化學反應(yīng)進行時由于極化所引起的內(nèi)阻。它是電化學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)

8、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。,(4)能量與能量密度,① 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。② 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。在電動汽

9、車應(yīng)用方面，電池的質(zhì)量比能量影響電動汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程，而體積比能量影響到電池的布置空間。,(5)功率與功率密度,① 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。② 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。,(6)荷電狀態(tài),荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）描述了電池的剩余電量，其

10、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%。,(7)放電深度,放電深度（Depth of Discharge, DOD）是放電容量與額定容量之比的百分數(shù)，與SOC之間存在如下數(shù)學計算關(guān)系：,(8)循環(huán)使用壽命(Cycle,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)，按一定測試標準，當電池容量降到某一規(guī)定值（一般規(guī)定為額定值的80%

11、）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。,(9)自放電率,自放電率是指電池在存放時間內(nèi)，在沒有負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數(shù)來表示。,(10)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能儲存起來，放電時再把化學能轉(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。電池的容量效率指電池放電時

12、輸出的容量與充電時輸入的容量之比，電池的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55~75%，容量效率為65～90%。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。,(11)抗濫用能力,指電池對短路、過充、過放、機械振動、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。,(12)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)，目前新開發(fā)的高比能量、高比功率的電池，如

13、鋰離子電池，成本較高，使得電動汽車的造價也較高。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。,(13)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。① 放電電流：放電電流是指電池放電時電流的大小。放電電流的大小直接影響電池的各項性能指標，因此，介紹電池的容量或能量時，必須說明放電電流的大小，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的速率，有時率或倍率兩種表示形式。

14、② 放電終止電壓: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稱為終止電壓，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。,4.1.3　動力電池分類,(1)按電解液種類分類(2)按工作性質(zhì)和儲存方式分類(3)按電池所用正、負極材料分類,(1)按電解液種類分類,① 堿性電池：電解質(zhì)主要以氫氧化鉀水溶液為主的電池，如堿性鋅錳電池(俗稱堿錳電池或堿性電池)、鎘鎳電池、氫鎳電池等。② 酸性電池：主要以硫酸

15、水溶液為介質(zhì)的電池，如鉛酸電池。③ 中性電池：以鹽溶液為介質(zhì)的電池，如鋅錳干電池、海水激活電池等。④ 有機電解液電池：主要以有機溶液為介質(zhì)的電池，如鋰離子電池等。,(2)按工作性質(zhì)和儲存方式分類,① 一次電池，又稱原電池，即不能再充電使用的電池，如鋅錳干電池、鋰原電池等。② 二次電池，即可充電電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。③ 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

16、電池等。④ 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，又稱海水激活電池。,(3)按電池所用正、負極材料分類,① 鋅系列電池，如鋅錳電池、鋅銀電池等。② 鎳系列電池，如鎳鎘電池、鎳氫電池等。② 鉛系列電池，如鉛酸電池。④ 鋰系列電池，如鋰離子電池、鋰聚合物電池和鋰硫電池。⑤ 二氧化錳系列電池，如鋅錳電池、堿錳電池等。⑥ 空氣(氧氣)系列電池，如鋅空氣電池、鋁空氣電池等。,動

17、力電池分類,圖4-2 電動汽車用動力電池分類,4.2　鋰離子動力電池,4.2.1　概述4.2.2　鋰離子動力電池的工作原理4.2.3　鋰離子動力電池的失效機理4.2.4　鋰離子動力電池的性能4.2.5　鋰離子動力電池的應(yīng)用,4.2.1　概述,鋰離子電池根據(jù)正極材料的不同，分為鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子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-Ion Batt

18、ery, LIB)和聚合物鋰離子電池(Polymer Lithium-Ion Battery, LIP)兩大類。相對于其他類型電池，鋰離子電池具有以下顯著的優(yōu)點 ： (1)工作電壓高 (2)比能量高 (3)循環(huán)壽命長 (4)自放電小 (5)無記憶效應(yīng) (6)環(huán)保性高,(1)工作電壓高,,鈷酸鋰鋰離子電池的工作電壓為3.6V，錳酸鋰鋰離子電池的工作電壓為3.7V，磷酸鐵鋰鋰離子電池的工作電壓為3

19、.2V，而鎳氫、鎳鎘電池的工作電壓僅為1.2V。,(2)比能量高,鋰離子電池正極材料的理論比能量可達200以上，實際應(yīng)用中由于不可逆容量損失，比能量通常低于這個數(shù)值，但也可達140，該數(shù)值仍為鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍。,(3)循環(huán)壽命長,目前，鋰離子電池在深度放電情況下，循環(huán)次數(shù)可達1000次以上；在低放電深度條件下，循環(huán)次數(shù)可達上萬次，其性能遠遠優(yōu)于其他同類電池。,(4)自放電小,鋰離子電池月自放電率僅為總電容量的5~9%，

20、大大緩解了傳統(tǒng)的二次電池放置時由自放電所引起的電能損失問題。,(5)無記憶效應(yīng),無記憶效應(yīng),(6)環(huán)保性高,相對于傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池甚至鎳氫電池廢棄可能造成的環(huán)境污染問題，鋰離子電池中不包含汞、鉛、鎘等有害元素，是真正意義上的綠色電池。,4.2.2　鋰離子動力電池的工作原理,圖4-3　鋰離子電池的工作原理,4.2.3　鋰離子動力電池的失效機理,造成鋰離子電池容量衰退的原因主要有： (1)正極材料的溶解(2)正極材料的相變化(

21、3)電解液的分解(4)過充電造成的容量損失(5)自放電(6)SEI界面膜的形成(7)集流體的腐蝕,(1)正極材料的溶解,以尖晶石為例，Mn的溶解是引起可逆容量衰減的主要原因。Mn的溶解沉積造成正極活性物質(zhì)減少；溶解的Mn游離到負極時會造成負極SEI（Solid Electrolyte Interface, SEI）膜的不穩(wěn)定，被破壞的SEI膜再形成時會消耗鋰離子，造成鋰離子的減少。Mn的溶解是尖晶石鋰離子電池容量衰減的重要原因，

22、在這一點學界已經(jīng)基本達成共識，但是對于Mn的溶解機理卻存在多種不同的解釋。,(2)正極材料的相變化,一般認為，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，導致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體構(gòu)型。這種現(xiàn)象叫做Jahn-Teller效應(yīng)（或J-T扭曲）。在 電池中，J-T效應(yīng)所導致的尖晶石結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變，也是容量衰減的主要原因之一。J-T效應(yīng)多發(fā)生在過放電階段；在起始材

23、料中加入過量的鋰、摻雜Ni、Co、Al等陽離子或者S等陰離子可以有效的抑制J-T效應(yīng)。,(3)電解液的分解,鋰離子電池中常用的電解液主要包括由各種有機碳酸酯(如PC、EC、DMC、DEC等)的混合物組成的溶劑以及由鋰鹽(如 、 、 等)組成的電解質(zhì)。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)。電解液還原消耗了電解質(zhì)及其溶劑，對電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響。,(

24、4)過充電造成的容量損失,電池在過充電時，會造成負極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極氧的損失。這些副反應(yīng)或者消耗了活性物質(zhì)，或者產(chǎn)生不溶物質(zhì)堵塞電極孔隙，或者正極氧損失導致高電壓區(qū)的J-T效應(yīng)，這些都會導致電池容量衰減。,(5)自放電,鋰離子電池的自放電所導致的容量損失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。造成不可逆自放電的原因主要有：鋰離子的損失（形成不可溶的 等物質(zhì)），電解液氧化產(chǎn)物堵塞電極微孔，造成內(nèi)阻增

25、大等。,(6)SEI界面膜的形成,因界面膜的形成而損失的鋰離子將導致兩極間容量平衡的改變，在最初的幾次循環(huán)中就會使電池的容量下降。另外，界面膜的形成使得部分石墨粒子和整個電極發(fā)生隔離而失去活性，也會造成容量的損失。,(7)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，集流體的腐蝕會導致電內(nèi)阻增加，從而造成容量損失。,4.2.4　鋰離子動力電池的性能,(1)充放電特性(2)安全性,(1)充放電特性,① 充電電流對

26、充電特性的影響。以額定容量100A·h某鋰離子電池為例，在SOC=40%、恒溫20℃的情況下，采用不同充電率充電，充電曲線如圖4-5所示。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100鋰離子電池在不同SOC、以0.3C恒流限壓進行充電。試驗參數(shù)見表4-1，充電曲線如圖4-6所示。在圖4-6中，曲線從左到右放電容量依次增加。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行充電，以某額定容

27、量200A·h鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條件是充電電流下限為1A的充電參數(shù)，見表4-2。④ 放電特性影響因素。,(1)充放電特性,圖4-4　鋰離子電池基本充放電電壓曲線,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。,以額定容量100A·h某鋰離子電池為例，在SOC=4

28、0%、恒溫20℃的情況下，采用不同充電率充電，充電曲線如圖4-5所示。,圖4-5　鋰離子電池充電曲線,① 充電電流對充電特性的影響,在恒溫環(huán)境溫度20℃下，對額定容量100鋰離子電池在不同SOC、以0.3C恒流限壓進行充電。試驗參數(shù)見表4-1，充電曲線如圖4-6所示。在圖4-6中，曲線從左到右放電容量依次增加。,表4-1　不同放電深度充電試驗參數(shù),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100鋰離子電池在不同SO

29、C、以0.3C恒流限壓進行充電。試驗參數(shù)見表4-1，充電曲線如圖4-6所示。在圖4-6中，曲線從左到右放電容量依次增加。,圖4-6　鋰離子電池20℃、0.3C恒流充電曲線,② 放電深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，記錄充電截止條件是充電電流下限為1A的充電參數(shù)，見表4-2。,表4-2　不同溫度電池充電參數(shù),③ 充電溫度對充電特性的影響,④ 放電

30、特性影響因素。,圖4-7　鋰離子電池100A(0.5C)放電過程的曲線,以某額定容量200 鋰離子電池為例。在環(huán)境溫度20℃情況下，將電池充滿電，分別在 -20℃，0℃，20℃進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4-7所示。,(2)安全性,① 材料穩(wěn)定性。鋰離子電池在一些濫用狀態(tài)下，如高溫、過充、針刺穿透以及擠壓等情況下，會導致電極和有機電解液之間的強烈作用，如有機電解液的劇烈氧化、還原或正極分解產(chǎn)生的氧

31、氣進一步與有機電解液反應(yīng)等。這些反應(yīng)產(chǎn)生的大量熱量如不能及時散到周圍環(huán)境中，必將導致電池內(nèi)熱失控的產(chǎn)生，最終導致電池的燃燒、爆炸。因此，正負電極、有機電解液相互作用的熱穩(wěn)定性是制約鋰離子電池安全性的首要因素。,(2)安全性,② 制造工藝。鋰離子電池的制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池。無論是什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，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。如正極和負極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、

32、化成等諸道工序的質(zhì)量控制，無一不影響電池的性能和安全性。漿料的均勻度決定了活性物質(zhì)在電極上分布的均勻性，從而影響電池的安全性。漿料細度太大，電池充放電時會出現(xiàn)負極材料膨脹與收縮比較大的變化，可能出現(xiàn)金屬鋰的析出；漿料細度太小，會導致電池內(nèi)阻過大。,(2)安全性,涂布加熱溫度過低或烘干時間不足，會使溶劑殘留，黏結(jié)劑部分溶解，造成部分活性物質(zhì)容易剝離；溫度過高可能造成黏結(jié)劑炭化，活性物質(zhì)脫落形成電池內(nèi)短路。,4.2.5　鋰離子動力電池的應(yīng)用

33、,(1)在便攜式電器方面的應(yīng)用(2)在交通行業(yè)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,(1)在便攜式電器方面的應(yīng)用,,目前移動電話、筆記本電腦、微型攝像機等需要便攜式電源的用電器已經(jīng)成為人們生活中不可缺少的一部分。在電源方面，無一例外的選擇鋰離子電池作為市場的主流。據(jù)統(tǒng)計，2013年全球手機產(chǎn)量超過20億部，形成了龐大的鋰離子電池應(yīng)用市場 。,(2)在交通行業(yè)的應(yīng)用,隨著社會文明的進步，人們的保環(huán)意識提高并對環(huán)境的

34、要求日益高漲。環(huán)保的交通工具已經(jīng)進入人們的視野。目前，我國以電動自行車為主的電動輕型車呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，鋰離子動力電池已開始在部分高端車型應(yīng)用。在電動汽車開發(fā)方面，鋰離子動力電池已經(jīng)成為主流。在國內(nèi)眾多汽車研制和生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的電動汽車車型大部分采用鋰離子電池。國際上，已經(jīng)進入市場銷售的純電動汽車和插電式混合動力電動汽車，如日產(chǎn)公司的LEAF，美國特斯拉（Tesla Motors）公司的Tesla Model S以及通用公司的VOLT

35、均采用了鋰離子電池系統(tǒng)。,(3)在軍事裝備及航空航天事業(yè)中的應(yīng)用,,在軍事裝備中，鋰離子電池主要用作動力啟動電源、無線通信電臺電源、微型無人駕駛偵察飛機動力電源等。此外，諸如激光瞄準器、夜視器、飛行員救生電臺電源、船示位標電源等現(xiàn)在也普遍采用鋰離子電池。在航天領(lǐng)域，鋰離子電池已經(jīng)用于地球同步軌道衛(wèi)星和低軌道通信衛(wèi)星，作為發(fā)射和飛行中校正、地面操作的動力。,(4)其他,鋰離子電池由于自身的結(jié)構(gòu)特點和特殊的工作原理，決定了其原材料豐富、環(huán)保

36、、比容量高、循環(huán)性能和安全性能好等特點，在醫(yī)療行業(yè)（例如，助聽器、心臟起搏器等）、石化行業(yè)（例如，采油動力負荷調(diào)整）、電力行業(yè)（例如，儲能電源）等均具有廣闊的應(yīng)用前景。其在追求能源綠色化的今天，具有更加重要的意義。,4.3　其他電池,4.3.1　鉛酸電池4.3.2　鎳氫電池4.3.3　超級電容器4.3.4　燃料電池,4.3.1　鉛酸電池,圖4-8　鉛酸電池的結(jié)構(gòu),鉛酸電池外型各異，但主要構(gòu)成部件相似，主要包括正負極板、隔板、電解液

37、、電池殼、電池蓋、排氣栓等。鉛酸電池單體內(nèi)還有鏈條、極柱、液面指示器等零部件。,4.3.1　鉛酸電池,圖4-9　鉛酸電池的反應(yīng)原理,4.3.2　鎳氫電池,鎳氫電池是在鎳鎘電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型綠色電池，其正極主要成分為氫氧化物，負極主要成分為儲氫合金，電解質(zhì)為氫氧化鉀水溶液，隔膜主要有尼龍纖維、聚丙烯纖維和維綸纖維電池隔膜。 鎳氫電池中沒有鉛、鎘等重金屬元素，不會對環(huán)境造成污染，能滿足混合動力電動汽車所要求的高能量、高功率、

38、長壽命和足夠?qū)挼墓ぷ鳒囟确秶蟆５呛豌U酸電池相比，鎳氫電池價格較高，而且自放電損耗大，對環(huán)境溫度敏感，還有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題。 鎳氫電池以其高功率密度、耐久性好的優(yōu)點，曾在混合動力電動汽車上廣泛應(yīng)用，如日本豐田公司的普銳斯（Prius）混合動力電動汽車采用的就是288V、6.5的鎳氫動力電池系統(tǒng)。,4.3.3　超級電容器,圖4-10　超級電容器的結(jié)構(gòu),超級電容器（Ultracapacitor）是一種介于電解質(zhì)電容器和電化學

39、蓄電池之間的儲能裝置，其儲能方式與傳統(tǒng)電容器不同。,4.3.4　燃料電池,圖4-11　燃料電池的結(jié)構(gòu)與原理圖,燃料電池與普通化學電池相類似，兩者均通過化學反應(yīng)將化學能轉(zhuǎn)換成電能；但從實際應(yīng)用角度來看，兩者之間存在較大差別。,4.4　動力電池管理系統(tǒng),4.4.1　基本構(gòu)成4.4.2　主要功能,4.4.1　基本構(gòu)成,圖4-12　電池管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu),如圖4-12所示為主從式電池管理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，它采用一個主控單元（BCU）、多個從控單

40、元（HMU、BMU）的結(jié)構(gòu)形式。,4.4.1　基本構(gòu)成,圖4-13　電池管理系統(tǒng)的電氣連接,電池管理系統(tǒng)也能通過CAN總線與組合儀表及充電機等進行通訊，實現(xiàn)參數(shù)顯示、充電監(jiān)控等功能。,4.4.2　主要功能,(1)數(shù)據(jù)采集(2)電池狀態(tài)計算(3)能量管理(4)安全管理(5)熱管理(6)均衡控制(7)通信功能(8)人機接口,4.4.2　主要功能,圖4-14　電池管理系統(tǒng)功能示意圖,(1)數(shù)據(jù)采集,,電池管理系統(tǒng)的所有算法均以采

41、集的動力電池數(shù)據(jù)作為輸入，采樣速率、精度和前置濾波特性是影響電池系統(tǒng)性能的重要指標。電動汽車電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于20Hz（50ms）。,(2)電池狀態(tài)計算,,電池狀態(tài)計算主要包括SOC和電池組健康狀態(tài)（State of Heath, SOH）兩方面。SOC用來提示動力電池組剩余電量，是計算和估計電動汽車續(xù)駛里程的基礎(chǔ)。SOH用來提示電池技術(shù)狀態(tài)、預計可用壽命等健康狀態(tài)的參數(shù)。 SOC是防止動力電池過充和過放的

42、主要依據(jù)，只有準確估算電池組的SOC才能有效提高動力電池組的利用效率、保證電池組的使用壽命。在電動汽車中，準確估算蓄電池SOC主要有保護蓄電池、提高整車性能、降低對動力電池的要求以及提高經(jīng)濟性等作用。,(3)能量管理,能量管理主要包括以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數(shù)為條件進行放電功率控制兩個部分。,(4)安全管理,安全管理主要用于監(jiān)視電池電壓、電流、溫度等是否超過正常范圍，防止電池組

43、過充、過放。現(xiàn)在在對電池組進行整組監(jiān)控的同時，多數(shù)電池管理系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到對極端單體電池進行過充、過放、過溫等安全狀態(tài)管理。 安全管理系統(tǒng)主要有以下功能：煙霧報警；絕緣檢測；自動滅火；過電壓和過電流控制；過放電控制；防止溫度過高；在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。,(5)熱管理,熱管理主要用于電池工作溫度超高時對電池進行冷卻，低于適宜工作溫度下限時對電池進行加熱，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

44、衡。對于大功率放電和高溫條件下使用的電池，電池的熱管理尤為必要。 熱管理主要有以下功能：電池溫度的準確測量和監(jiān)控；電池組溫度過高時的有效散熱和通風；低溫條件下的快速加熱；有害氣體產(chǎn)生時的有效通風；保證電池組溫度場的均勻分布。,(6)均衡控制,由于電池的一致性差異導致電池組的工作狀態(tài)由最差電池單體決定。在電池組各個電池之間設(shè)置均衡電路，實施均衡控制是為了使各單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體電池組的工作性能。,(7)

45、通信功能,通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)電池參數(shù)和信息與車載設(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)是電池管理系統(tǒng)的重要功能之一，根據(jù)應(yīng)用需要，數(shù)據(jù)交換可采用不同的通信接口，如：模擬信號、PWM信號、CAN總線或I2C串行接口。,(8)人機接口,圖4-15　某電池管理系統(tǒng)的監(jiān)控信息顯示界面,(8)人機接口,圖4-16　電池管理系統(tǒng)的實際安裝位置,4.5　動力電池組的使用壽命,4.5.1　動力電池單體壽命的影響因素4.5.2　動

46、力電池的一致性與電池組壽命,4.5.1　動力電池單體壽命的影響因素,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，甚至超過電池電化學電位后進行充電一般會加劇副反應(yīng)的發(fā)生，并導致電池使用壽命縮短，并可能導致電池內(nèi)部短路損壞，甚至著火爆炸等危險工況的出現(xiàn)。② 放電深度。深度放電會加速動力電池的衰退。表4-3所示為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)。從中可以發(fā)現(xiàn)，淺充淺放可以有效地提高動力電池的使用

47、壽命。,4.5.1　動力電池單體壽命的影響因素,③ 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。充放電倍率越高，動力電池單體的容量衰退越快。圖4-19是在不同充放電倍率下動力電池單體的容量衰退情況，可以看出，同樣是0.5C充電，1C放電的電池退化較0.5C放電的嚴重；同樣是1C放電，1C充電的電池退化較0.5C放電的嚴重。由此可知，動力電池單體大倍率的充放電都會加快其容量

48、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。,4.5.1　動力電池單體壽命的影響因素,④ 環(huán)境溫度。不同的動力電池均有最佳的工作溫度范圍，過高或過低的溫度都將對電池的使用壽命產(chǎn)生影響。圖4-20所示為某鋰離子動力電池在兩種溫度條件下采用0.3C充電、0.5C放電的方式進行循環(huán)的容量衰減曲線?？梢钥闯鲈诟邷叵逻\行應(yīng)用的動力電池容量衰減明顯大于常溫下工作的電池。,4.5.1　動力電池單體壽

49、命的影響因素,⑤ 存儲條件。存儲過程中，由于電池的自放電、正負極材料鈍化、電解液分解蒸發(fā)、電化學副反應(yīng)等因素，將導致電池產(chǎn)生不可逆的容量損失。以鋰離子電池為例，在鋰離子電池存儲期間，石墨負極的副反應(yīng)是引起鋰離子動力電池容量衰減的主要原因。鋰離子電池電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)后，其負極表面會形成一層電子絕緣且離子可導的固體電解質(zhì)界面膜，這主要是由于電解液在負極表面的還原分解而形成的。這層膜的性質(zhì)和質(zhì)量直接影響著電極的充、放電性

50、能和安全性。,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，甚至超過電池電化學電位后進行充電一般會加劇副反應(yīng)的發(fā)生，并導致電池使用壽命縮短，并可能導致電池內(nèi)部短路損壞，甚至著火爆炸等危險工況的出現(xiàn)。,圖4-17　降低充電截止電壓對電池容量衰退影響比較圖,① 充電截止電壓,① 充電截止電壓,圖4-18　提高充電截止電壓對電池容量衰退影響比較圖,② 放電深度,表4-3　放電深度與循環(huán)壽命的對應(yīng)關(guān)系,深度放電會加速動力電池的衰

51、退。表4-3所示為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)。從中可以發(fā)現(xiàn)，淺充淺放可以有效地提高動力電池的使用壽命。,③ 充放電倍率,圖4-19　不同充放電倍率下動力電池的容量衰退情況,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。充放電倍率越高，動力電池單體的容量衰退越快。圖4-19是在不同充放電倍率下動力電池單體的容量衰退情況，可以看出，同樣是0.5C充電，1C放電的電池退化

52、較0.5C放電的嚴重；同樣是1C放電，1C充電的電池退化較0.5C放電的嚴重。由此可知，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。,④ 環(huán)境溫度,圖4-20　某10A·h鋰離子動力電池不同溫度條件下的容量衰減,不同的動力電池均有最佳的工作溫度范圍，過高或過低的溫度都將對電池的使用壽命產(chǎn)生影響。圖4-20所示為某鋰離子動力電池在兩種溫度

53、條件下采用0.3C充電、0.5C放電的方式進行循環(huán)的容量衰減曲線?？梢钥闯鲈诟邷叵逻\行應(yīng)用的動力電池容量衰減明顯大于常溫下工作的電池。,⑤ 存儲條件,,存儲過程中，由于電池的自放電、正負極材料鈍化、電解液分解蒸發(fā)、電化學副反應(yīng)等因素，將導致電池產(chǎn)生不可逆的容量損失。以鋰離子電池為例，在鋰離子電池存儲期間，石墨負極的副反應(yīng)是引起鋰離子動力電池容量衰減的主要原因。鋰離子電池電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)后，其負極表面會形成一層電子絕

54、緣且離子可導的固體電解質(zhì)界面膜，這主要是由于電解液在負極表面的還原分解而形成的。這層膜的性質(zhì)和質(zhì)量直接影響著電極的充、放電性能和安全性。,4.5.2　動力電池的一致性與電池組壽命,不一致性主要表現(xiàn)在兩方面：① 在制造過程差異引起的單體原始差異：由于工藝上的問題和材質(zhì)的不均勻，使得電池極板活性物質(zhì)的活化程度和厚度、微孔率、連條、隔板等存在很微小的差別，這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性，就會使同一批次出廠的同一型號電池的容量、內(nèi)阻等

55、參數(shù)不可能完全一致。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。,4.5.2　動力電池的一致性與電池組壽命,(1)電池一致性的分類(2)電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)律(3)提高電池一致性的措施(4)一致性對電池組壽命的影響,(1)電池一致性的分類,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

56、的互充電，當并聯(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)電壓不一致性如圖4-21所示，設(shè)U1的端電壓低于U2，則電流方向如圖4-21所示，如同電池充電電路。這種連接方式，會使低壓電池容量小幅增加的同時高壓電池容量急劇降低，能量將損耗在互充電過程中而達不到預期的對外輸出。,(1)電池一致性的分類,② 容量一致性：電池組在出廠前的分選試驗可以保證單體電池初始容量一致性較好，在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

57、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相同，最終會影響電池單體的能量狀態(tài)。,(1)電池一致性的分類,圖4-21　并聯(lián)電壓不一致性,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

58、聯(lián)電壓不一致性如圖4-21所示,(2)電池組電壓一致性的發(fā)展規(guī)律,圖4-22　電壓不一致性統(tǒng)計結(jié)果,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。最直觀的反映為運行一段時間后，單體電池電壓不一致程度增加。以某鋰離子電池組為例，說明電池組在使用過程中電壓一致性的分布規(guī)律，如圖4-22所示。,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，以電壓、內(nèi)阻及電池化成數(shù)據(jù)為標準進行參數(shù)相關(guān)性分析，篩選

59、相關(guān)性良好的電池，以此來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在電池組使用過程中檢測單電池參數(shù)，尤其是動、靜態(tài)情況下（電動汽車停駛或行駛過程中）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)電池進行及時調(diào)整或更換，以保證電池組參數(shù)不一致性不隨使用時間而增大。④對使用中發(fā)現(xiàn)的容量偏低的電池，進行單獨維護性充電，使其性能恢復。,(3)提高電池一致性

60、的措施,⑤間隔一定時間對電池組進行小電流維護性充電，促進電池組自身的均衡和性能恢復。⑥盡量避免電池過充電，盡量防止電池深度放電。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)，對電池組充放電進行智能管理。,(3)提高電池一致性的措施,①溫度差異：在電動車輛上電池的安裝位置根據(jù)布置的需要可能在不同的位置，電池所處的熱環(huán)境存在差異，如某箱電池可能靠近電機等熱源，而部分電

61、池可能處于通風狀況良好的區(qū)域。或者在同一位置的電池內(nèi)由于通風條件的差異導致單體間的溫差。②充放電倍率差異：同一種電池都有相同的最佳放電率，容量不同，最佳放電電流就不同。在串聯(lián)組中電流相同，所以有的電池在最佳放電電流工作，而有的電池達不到或超過了最佳放電電流。即由于不一致性在工作過程中的放電率差異。,(4)一致性對電池組壽命的影響,③放電深度差異：電動汽車行駛距離相同，因容量不同，電池的放電深度也不同。在大多數(shù)電池還屬于淺放電情況下，容

62、量不足的電池已經(jīng)進入深放電階段，并且在其他電池深放電時，低容量電池可能已經(jīng)沒有電量可以放出，成為電路中的負載。即容量不一致導致的放電深度差異。④電池單體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，甚至超出電池電壓最高限，形成安全隱患，影響整個電池組充電過程，并且過充電將嚴重影響電池的使用壽命。,(4)一致性對電池組壽命的影響,(4)一致性對電池組壽命