动力蓄电池及管理系统

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1、第二章 动力蓄电池及管理系统 02 第一节 动力电池系统基础知识 1电压 （1）端电压。 （2）标称电压。 （3）开路电压。 （4）工作电压。 （5）充电终止电压。 （6）放电终止电压。 一、动力电池主要性能指标 第一节 动力电池系统基础知识 2容量 （1）额定容量。 （2）n小时率容量。 （3）理论容量。 （4）实际容量。 （5）荷电状态。 3内阻 电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力，一般是蓄电池中电解质、正负 极群、隔板等电阻的总和。电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效 率越低。 一、动力电池主要性能指标 第一节 动力电池系统基础知识 4能量 （1）总能量。 （2

2、）理论能量。 （3）实际能量。 （4）比能量。 （5）能量密度。 （6）充电能量。 5功率 （1）比功率 （2）功率密度 一、动力电池主要性能指标 第一节 动力电池系统基础知识 6输出效率 （1）容量效率。 （2）能量效率。 7自放电率 自放电率是指电池在存放期间容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失 的速度，它表示蓄电池搁置后容量变化的特性。 8放电倍率 电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示，即电池的放电倍率用放电时间表示或 者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示，由此可见，放电时间越短， 即放电倍率越高，则放电电流越大。 一、动力电池主要性能指标 第一节 动力电池系统

3、基础知识 9使用寿命 一、动力电池主要性能指标 电池类型 质量能量密度 （W h/kg） 质量功率密度 （W/kg） 能量效率 （%） 循环寿命 （次） 铅酸电池3550150400805001000 镍镉电池30501001507510002000 镍氢电池60802004007010001500 锂离子电池1002002003509015003000 第一节 动力电池系统基础知识 1纯电动汽车电池的工作要求 （1）电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过1C，典型峰值放电一 般不超过3C；如果电动汽车上具有回馈制动功能，电池组必须能够接受高达SC的脉冲电 流充电。 （2）电池

4、要能够实现深度放电（如80%）而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷甚至 全负荷放电。 （3）需要安装电池管理系统和热管理系统，以显示电池组的剩余电量和实现温度控制。 （4）由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要 认真研究。 二、电动汽车对动力电池的工作要求 第一节 动力电池系统基础知识 2混合动力汽车对电池的工作要求 （1）串联式混合动力汽车完全由电机驱动，发动机-发电机总成与电池组一起为电机提 供需要的电能，电池SOC处于较高的水平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要 小一些。 （2）并联式混合动力汽车发动机和电机都可直接为车轮提供驱动力，整车的功率需求

5、可 以由不同的动力组合来满足。动力电池的容量可以更小，但是电池组瞬时提供的功率要 满足汽车加速或爬坡要求，电池的最大放电电流有时可能高达20C以上。 二、电动汽车对动力电池的工作要求 第一节 动力电池系统基础知识 3插电式混合动力汽车（ PHEV）对电池的工作要求 PHEV对动力电池的要求应兼顾纯电动和混合动力两种模式。 PHEV在设计上既要实现在城市里以纯电动汽车模式行驶，又要实现在高速公路上以 混合动力模式行驶。PHEV期望纯电动工作模式的行驶里程能够达到几十公里，而且期望 电池在低SOC时也能提供很高的功率，满足HEV模式。 二、电动汽车对动力电池的工作要求 PHEV的工作模式 PHEV

6、、EV和HEV对电池要求的差别 第一节 动力电池系统基础知识 （一）动力电池系统的结构组成 新能源汽车的车载电源系统主要由辅助动力源和动力电池系统（动力电池模组、电 池管理系统、动力电池箱辅助元器件）组成。 三、动力电池系统的基本结构原理 动力电池系统的组成 第一节 动力电池系统基础知识 （二）动力电池系统工作原理 动力电池模组放置在一个密封并且屏蔽的动力电池箱内，动力电池系统使用可靠的 高压接插件与高压控制盒相连，然后输出的直流电由电动机控制器转变为三相脉冲高压 电，驱动电动机工作；系统内的BMS实时采集各电芯的电压、各传感器的温度值、电池 系统的总电压值和总电流值等数据，实时监控动力电池的

7、工作状态，并通过CAN线与 ECU或充电动机进行通信，对动力电池系统充放电等进行综合管理。 三、动力电池系统的基本结构原理 第一节 动力电池系统基础知识 （一）铅酸蓄电池 1铅酸蓄电池的基本分类 （1）免维护铅酸蓄电池 免维护铅酸蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内 基本不需要补充蒸馏水它具有耐振、耐高温、体积小、自放电小的特点。 （2）阀控密封式铅酸蓄电池 阀控密封式铅酸蓄电池在使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构1不会漏酸， 也不会排酸雾电池盖子上设有溢气阀（也叫安全阀），其作用是当电池内部气体量超过 一定值，即当电池内部气压升高到一定值时，溢气阀自动打开排出

8、气体，然后自动关闭， 防止空气进入电池内部。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 2铅酸蓄电池的型号含义 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 （二）锂离子电池 1锂离子电池的分类及特点 按电解质材料分类：根据所用电解质材料的不同，锂离子电池可以分为聚合物锂离子 电池和液态锂离子电池。 按正极材料分类：根据正极材料的不同，锂离子电池可以分为锰酸锂离子电池、磷酸 铁锂离子电池、镍钴锂离子电池以及三元（镍钴锰）材料锂离子电池。目前应用广泛的 是锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池和三元锂电池。 按外形分类：根据外形形状的不同，锂离子电池可以分为方形锂离

9、子电池和圆柱形锂 离子电池。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 （二）锂离子电池 （2）普通锂离子电池的特点 单体电池工作电压高达3.7V，是镍-镉电池、镍-氢电池的3倍，铅酸蓄电池的2倍；重 量轻；比能量大；体积小；提供了合理的结构和更美观的外形设计条件、设计空间和可 能性；循环寿命长，循环次数可达l000次；自放电率低；无记忆效应；电池充放电深度 对电池的寿命影响不大，可以全充全放；无污染。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 2典型锂离子电池 （1）钴酸锂电池 优点：工作电压较高（平均工作电压为3.7V），充放电电压平稳，适合大电流充

10、放电， 比能量高，循环性能好，电导率高，生产工艺简单，容易制备等。 缺点：价格昂贵，抗过充电性较差，循环性能有待进一步提高。 （2）锰酸锂电池 优点：安全性略好于镍钴锰酸锂三元材料；电压平台高，1C放电中值电压为3.8V左右， 10C放电平台在3.5V左右；电池低温性能优越；对环境友好；成本低。 缺点：电池高温循环性能差；极片压实密度低于三元材料，只能达到3.0gcm3左右； 锰酸锂电池比容量低，一般只有105mAh/g左右；循环性能比三元材料差。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 （3）磷酸铁锂电池 磷酸铁锂电池有以下特点： 高效率输出。标准放电为2C5C，连续高

11、电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s） 可达20C。 高温时性能良好。外部温度65时内部温度则高达95，电池放电结束时温度可达 160。 电池的安全性好。即使电池内部受到伤害，电池也不燃烧、不爆炸，安全性好。 经500次循环，其放电容量仍大于95%。 过放电到OV也无损坏。 对环境无污染。 可快速充电。 成本低。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 （4）镍钴锰酸锂三元材料电池 优点：镍钴锰酸锂材料比容量高，电池循环性能好，10C放电循环可以达到500次以上； 高低温性能优越；极片压实密度高，可以达到3.4/cm3以上。 缺点：电压平台低，1C放电中值电压为3.6

12、6V左右，10C放电平台在3.45 V左右；电池 安全性能相对差一点；成本较高。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第一节 动力电池系统基础知识 （三）镍-氢电池 镍-氢电池技术目前在美、日等发达国家的很多油电混合动力汽车均使用镍-氢 （NiMH）电池组。镍-氢电池是由美国人斯坦福发明，其正极材料是氢氧化镍（NiOH）， 负极则是金属氢化物，即储氢合金（MH），电解液是30%的氢氧化钾水溶液。这里所谓 “储氢合金”是指具有很强吸收，氢气能力的金属镍，其单位体积储氢的密度相当于储 存1000个大气压的高压氢气、储氢合金能稳定的储气和放气，其工作原理是利用水的氢 离子移动反应来获得电流，这时氢气在负

13、极上被逐渐消耗掉。 四、电动汽车蓄电池的种类及特点 第二节 动力电池组的充电控制 （1）自动调节充电参数。在充电过程中，充电系统必须能根据蓄电池组的状态、蓄电池 管理系统（ BMS）输出的信息和整车监控输出的信息，自动调节充电参数和自动控制充 电。 （2）自动控制和自动保护功能。在充电过程中，锂离子电池组和电动汽车发生任何不正 常情况时，如锂离子电池组短路、断路、高温、起火及损坏时，充电系统应能迅速切断 电源，停止充电。 （3）与整车CAN总线通信。在充电过程中，充电系统的信息可与整车CAN总线通信。 一、动力蓄电池组的充电要求 第二节 动力电池组的充电控制 1分段恒流充电控制方案 （1）充电

14、时间参数控制方法简单，但在蓄电池型号不同、充电起始状态不同、所需的充 电时间也不一样的条件下，如果单以充电时间来控制阶段恒流充电的结束，容易导致蓄 电池过充电或延长充电时间。 （2）温度参数控制方法的优点是可实现蓄电池温度过高保护，但是由于受环境和传感器 响应时间延迟的影响，如果仅以蓄电池温度参数作为阶段恒流充电终止判断标准，则容 易造成蓄电池过充电。 （3）电压参数控制被认为是较好的阶段恒流充电终止控制方法，其不足也是显而易见的， 如不能识别因蓄电池极板硫化而产生的充电电压异常升高及蓄电池充电过程中出现的异 常温升等，将导致蓄电池充电时间延长或蓄电池损坏。 二、动力蓄电池组充电分段恒流控制

15、第二节 动力电池组的充电控制 2分段恒流充电智能化控制方案 （1）采用容量梯度法确定阶段恒流充电终止标准。采用容量梯度参数d U/dC作为阶段恒 流充电终止判断标准，按该型蓄电池恒流充电特性曲线确定充电终止容量梯度参数，在 充电过程中，控制器以设定的频度对充电电压进行采样，计算I（n），下的容量梯度值， 并与设定的充电终止容量梯度标准进行比较，根据比较结果判断是否终止当前阶段恒流 充电。 （2）减小各段恒流值下降梯度。通过试验确定该型蓄电池初次恒流值I（1），并减小阶 段恒流充电的电流下降幅度。如果降低充电电流后，达到充电终止容量梯度值的时间很 短（设定一个最小充电时间），则适当增大电流下降的

16、幅度。 （3）将蓄电池温度设为充电安全保障控制参数。设置蓄电池最高温度限定值，在充电过 程中，如果蓄电池温度达到了限定值，立即停止充电。当蓄电池温度降至正常温度时， 适当减小充电电流继续充电，直到该段恒流充电结束。 二、动力蓄电池组充电分段恒流控制 第二节 动力电池组的充电控制 1断流与分流 2能耗型与回馈型 3能量功率变换器 4充电、放电和动态均衡 5单向和双向 6集中与分散 7独立与级联 8效率与安全 9控制与管理 三、动力蓄电池组充电的均衡控制 第三节 动力电池管理系统及运行模式 一、动力电池管理系统的基本功能 建立电池模型- 描述电池参数的动态变化规律，用数学方程表达，用于动力电池系 统仿真 数据检测及采集集中式或分布式检测装置 单体电池电压、电流，动力电池组总电压、总电流检测和采集，控 制均衡充放电策略 能量管理电池管理器模块 根据电池的电压、电流，荷电状态SOC控制电池的充放电，防止过 充和过放 状态估算电池管理器模块 根据动力电池荷电状态SOC和SOH的算法，估算电池寿命 （衰减） 状态 热量管理热量检测模块及传感器冷却系统和