新能源汽车电池及管理系统检修PPT课件(共15单元)05动力电池均衡与废弃处理

空白演示在此输入您的封面副标题学习任务三 动力电池均衡与废弃处理学习场景二1.了解电池均衡的定义及意义。2.掌握主动均衡的定义、原理及优缺点。3.掌握被动均衡的定义、原理及优缺点。4.能够叙述动力电池均衡方法。5.能够进行废电池的回收处理。学习目标一电池均衡的定义 电池均衡是指对串联电池组中不同的电池采用差分电流。串联电池组中每个电池的电流通常是一样的，因此必须给电池组增加额外的元件和电路来实现电池均衡。只有当电池组中的电池是串联的，同时串联电池等于或大于三级时才会考虑电池均衡问题。二电池均衡的意义 由于生产制造和工作环境的影响会造成电池单体的不一致性，在电压、容量、内阻等性质上出现差别，导致每个单体电池在实际使用过程中有效容量和充放电电量是不一样的。为保证电池系统的整体性能和延长使用寿命，为减少单体电池之间的差异性而对电池进行均衡控制是十分必要的。均衡管理有助于电池容量的保持和放电深度的控制。根据电池自身储电与放电特性，当某个电池单体充满电时其他电池单体没有充满，或者某个最小电量的单体电池放电截止时其他电池还没有达到放电截止限制的现象，这是一种电池自我保护的特性，也是为了防止出现电池过充或者过放电的现象，导致电池内部会发生一些不可逆的化学反应使电池的性质受到影响，从而影响电池的使用寿命。三动力电池的均衡方法 BMS 均衡管理主要分为被动均衡（有损均衡）和主动均衡（无损均衡）。1.被动均衡 通过能量消耗，限制电压最高的电池单元的充电电流，来实现和电压较低的电池单元的充电平衡。（1）优缺点 被动均衡的优点是电路架构简单、实现成本低廉，但是缺点也很明显。因为其均衡方式是通过功率电阻消耗电量实现均衡，所以能量损耗极大，同时会产生大量的热量，而且触发方式死板，均衡效率低下。三动力电池的均衡方法（2）触发方式及原理1）被动均衡的触发方式。当锂电池充电至恒压充电阶段时，电压小于 15%后充电至 100%且每节电池电压大于 3V 才会触发被动均衡。2）被动均衡的原理。被动均衡一般通过电阻放电的方式，对电压较高的电池进行放电，以热量形式释放电量，为其他电池争取更多充电时间。这样整个系统的电量受制于容量最少的电池。充电过程中，锂电池一般有一个充电上限保护电压值，当某一串电池达到此电压值后，锂电池保护板会切断充电回路，停止充电。如果充电时的电压超过这个数值，也就是俗称的“过充”，锂电池就有可能燃烧或者爆炸。三动力电池的均衡方法2.主动均衡 通过能量补充，补充电压最低的电池单元的充电电流，来实现和电压较高的电池单元的充电平衡。（1）优缺点 主动均衡的优点是可以实时进行均衡，车辆无论是在行驶、停止或充电过程中，只要动力电池处于不均衡状态，主动均衡就会启动。主动均衡的缺点是系统结构复杂，无法完全集成进专用 IC。而结构的复杂意味着电路的复杂，这必然导致成本与故障率攀升。目前市面上应用的主动均衡 BMS 售价远高于被动均衡 BMS，这也多少限制了主动均衡 BMS 的推广。三动力电池的均衡方法（2）触发方式及原理1）主动均衡的触发方式。当动力电池组内的单体电池电压出现大于 30mV 以上的静态压差时，就会自动启动均衡措施，进行削峰填谷。2）主动均衡的原理。削峰填谷就是把电压高的动力电池单体的能量转移一部分出来，给电压低的动力电池单体，从而推迟最低动力电池单体电压触及放电截止阈值和最高动力电池单体电压触及充电终止阈值的时间，获得系统提升充入电量和放出电量的效果。削高填低型的实施方案包括电容式均衡、电感式均衡、变压器式均衡。此三种均衡方式包括锂电池在充电过程中的均衡以及静置过程的均衡。三动力电池的均衡方法3.主动均衡与被动均衡的比较 由于主动均衡系统相对复杂，成本相对较高，目前市面上的主流依然还是被动均衡。四废电池的回收处理1.废旧锂电池的资源性和对环境的危害性（1）废旧锂电池的资源性 组成锂离子电池的正极、负极、隔膜、电解质等材料中含有大量的有价金属。不同动力锂电池正极材料中所含的有价金属成分不同，其中潜在价值最高的金属包括钴、锂、镍等。例如，三元锂电池中锂的平均含量为 1.9%、镍为 12.1%、钴为 2.3%；此外，铜部分、铝部分等占比也达到了 3.3%和 12.7%，如果能得到合理回收利用，将成为创造收入和降低成本的一个主要来源。四废电池的回收处理（2）废旧锂电池对环境的危害性 废旧动力电池对环境和人类健康有潜在威胁。现有的废旧电池处理方式主要有固化深埋、存放于废矿井和资源化回收，但目前我国电池资源化回收的能力有限，大部分废旧电池没有得到有效的处置，将会给自然环境和人类健康带来潜在的威胁。虽然动力电池中不包含汞、镉、铅等毒害性较大的重金属元素，但也会带来环境污染。此外动力电池中含有的金属和电解液会危害人体健康。四废电池的回收处理2.动力电池回收渠道及商业模式 动力电池的回收利用可以分为两个循环过程：梯次利用主要针对电池容量降低使电池无法向电动汽车提供足够电能运行，但是电池本身没有报废，仍可以在别的途径继续使用，如用于电力储能。拆解回收主要针对电池容量损耗严重，使得电池无法继续使用，只有将电池进行资源化处理，回收有利用价值的再生资源。（1）回收小作坊（2）专业回收公司（3）政府回收中心（4）商业模式比较四废电池的回收处理3.动力电池的回收技术 废旧锂离子电池的资源化技术，是将废旧锂离子电池中有价值的成分，依据其各自的物理化学性质，将其分离。一般而言，整个回收工艺分为四个部分：预处理部分、电极材料修复、有价金属的浸出和化学纯化。在回收过程中，按照不同的提取工艺分类，可将锂离子电池的回收技术分为三大类：干法回收技术、湿法回收技术和生物回收技术。四废电池的回收处理1）干法回收技术。干法回收主要包括机械分选法和高温热解法（或称高温治金法）。干法回收工艺流程较短，回收的针对性不强，是实现金属分离回收的初步阶段。干法回收是指不通过溶液等媒介，直接实现材料或有价金属的回收方法，主要是通过物理分选法和高温热解法，对电池破碎进行粗筛分类，或高温分解除去有机物以便于进一步的元素回收。它以物理上的拆解粉碎为主，剥离外壳后进行焙烧，回收电池其他辅助有价值材料，如铜铝箔等。这种方法工艺较简单，成本低，但回收的产品纯度也低，目前来看，比较适合现阶段磷酸铁锂的回收。四废电池的回收处理2）湿法回收技术。湿法回收技术工艺比较复杂，但各有价金属的回收率较高，是目前处理废旧镍氢电池和锂离子电池的主要技术。湿法回收技术是以各种酸碱性溶液为转移媒介，将金属离子从电极材料中转移到浸出液中，再通过离子交换、沉淀、吸附等手段，将金属离子以盐、氧化物等形式从溶液中提取出来。湿法冶金通过溶解的方法，得到含钴镍等贵金属元素的溶液，再利用液相合成等工艺得到新的三元正极材料。这种方法工艺难度较高，但回收的元素纯度更高，适合更高纯度有价值金属的提取，因此较为适用于三元材料的回收。四废电池的回收处理3）生物回收技术。生物回收技术具有成本低、污染小、可重复利用的特点，是未来锂离子电池回收技术发展的理想方向。生物回收技术主要是利用微生物浸出，将体系的有用组分转化为可溶化合物并选择性地溶解出来，得到含有效金属的溶液，实现目标组分与杂质组分离，最终回收锂等有价金属。目前，关于生物回收技术的研究刚刚起步，之后将逐步解决高效菌种的培养问题、周期长的问题以及对于浸出条件的控制问题。四废电池的回收处理4）回收工艺流程。第一步是预处理过程，其目的是初步分离回收旧锂离子电池中的有价部分，高效选择性地富集电极材料等高附加值部分，以便于后续回收过程顺利进行。预处理过程一般结合了破碎、研磨、筛选和物理分离法。主要的几种预处理方法包括预放电、机械分离、热处理、碱液溶解、溶剂溶解、手工拆解等。四废电池的回收处理 第二步是材料分离。预处理阶段富集得到了正极和负极的混合电极材料，为了从中分离回收 Co、Li 等有价金属，需要对混合电极材料进行选择性提取。材料分离的过程也可以按照干法回收、湿法回收和生物回收的分类技术分为无机酸浸出、生物浸出、机械化学浸出。第三步是化学纯化，其目的在于对浸出过程得到的溶液中的各种高附加值金属进行分离和提纯并回收。浸出液中含有 N、Co、Mn、Fe、Li、Al 和 Cu 等多种元素，其中 Ni、Co、Mn、Li 为主要回收的金属元素。通过调节 pH 值将 Al 和 Fe 选择性沉淀出后，再对浸出液中的 Ni、Co、Mn、Li 等元素进行下一步的处理回收。常用的回收方法有化学沉淀法、盐析法、离子交换法、萃取法和电沉积法。