课件3---动力电池与能源管理

电动汽车构造与维修任课老师：书号：项目三、动力电池与能源管理xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx学习导航3.1汽车电池3.2BMS电池管理系统学习目标•掌握电动汽车的结构与分类；•掌握电池主要参数；•掌握镍氢电池、锂离子电池、飞轮电池、超级电容的结构与原理；•掌握电源数据采集方法与电量管理以及数据通信系统；•掌握充电站基本构成；•掌握充电的方法；3.1.1动力电池的基本概念请简述出电池的技术发明与发展过程•1800年代，亚历山大·伏特制成了人类历史上最早的电池，后人称之为伏特电池……….。3.1.1动力电池的基本概念在电动汽车发展的技术发展中，电池的安全与续航能力一直是电动汽车发展的瓶颈。现在通过技术创新与技术改进，电池技术已经有了很大的突破。电动汽车常见电池一次电池（不可充电电池）金属锂电池：锂锰电池、锂亚电池、锂铁电池；干电池：锌锰干电池、碱性锌锰电池；贮备电池：银锌电池。二次电池（可充电电池）铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锌空气电池、液态锂离子电池、聚合物锂离子电池。其它电池（只能发电，不能储电）燃料电池：氢氧燃料电池、直接甲醇燃料电池；太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、光敏化学太阳能电池。3.1.1动力电池的基本概念电池主要参数1.电压•什么是工作电压？•什么是额定电压？•什么是终止电压？•什么是充电电压？•什么是端电压？•什么是开路电压？•什么是电动势？电池的放电过程3.1.1动力电池的基本概念容量与比容量•什么是容量？•什么是比容量？•什么是额定容量？•什么是实际容量？2.1.1动力电池的基本概念3.功率与比功率•什么是功率？•什么是比功率？3.1.1动力电池的基本概念4.放电率•什么是放电率？•什么是时率？•什么是倍率？•什么是放电深度？3.1.1动力电池的基本概念5.荷电状态•荷电状态，是指剩余电量与额定容量或实际容量的比例。3.1.1动力电池的基本概念6.自放电与存储性能•什么是自放电与存储性能？•电池自放电的大小用自放电率衡量，通常以单位时间内容量减少的百分比表示：•自放电率=(C1-C2)/C1×100%•C1：储存前电池容量•C2：储存后电池容量3.1.1动力电池的基本概念7.使用寿命•什么是使用寿命？•什么是充放电循环寿命？3.1.2新能源汽车对动力电池的要求请思考：电动汽车电池应当能具有哪些性能要求？•由于动力电池的能量密度远远低于燃油的能量密度，使得电动汽车的质量有较大增加，碰撞中需要车辆耗散的动能明显增加，产生的事故后果也更为严重。3.1.2新能源汽车对动力电池的要求电安全设计要求有哪些？•由于电动汽车集成了大量的高压电气设备和线束，所以纯电动汽车在发生危险工况下的电安全设计要求非常重要。监控布局3.1.3常用电动汽车动力电池常用的车用动力电池主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂电池等。•请说说各自的优缺点？3.1.4铅酸电池铅酸蓄电池工作过程是化学能与电能的相互转化。什么是放电过程？什么是充电过程？铅酸电池型号标注6个单格G：高起动率S：塑料壳D：低温起动特征（常见电池产品特征代号）额定容量为60A•h如：6—QA—60S起动的拼音缩写，表示起动蓄电池3.1.4铅酸电池镍镉电池•1-正极板•2-接线柱•3-加液口盖•4-绝缘导管•5-负极板•6-吊架•7-单格电池连接条•8-极板骨架•9-绝缘层•10-镀镍薄钢板•11-外壳•12-通孔•13-活性物质•14-正极板导管•15-氢氧化镉3.1.5镍氢（MH/Ni）电池3.1.5镍氢（MH/Ni）电池什么是镍氢电池？和镍镉电池比较有哪些优点？镍镉电池镍氢电池•镍氢电池是目前除锂电池外另一主流电动车动力电池种类，于上世纪90年代后逐渐发展开来，如以丰田普锐斯为代表的很多混合动力汽车均采用此类电池作为储能元件。其能量密度与普通的锂电池差距并不大，约为70-100Wh/kg，但由于电池单体电压仅为1.2V，是锂电池的1/3，因此在需求电压一定的情况下，其电池组的体积要比锂电池大上一些。3.1.5镍氢（MH/Ni）电池请思考：影响镍氢电池的因素有哪些？有哪些保护措施？镍氢电池的工作反应混动汽车镍氢电池组3.1.5镍氢（MH/Ni）电池3.1.6锂离子电池什么是锂离子电池？有哪些特性和优点？•充电和锂离子电池仅由锂的位移放电离子实现，这个过程被称为“离子移动”。•当卸载原子锂失去电子给外部电路成为带正电荷的离子（Li+）时，它的内部电路通过电解质向正极金属电极迁移并被沉积在氧化物层。当装载嵌入式锂离子从金属-氧化物层的释放，并通过电解质和隔膜插入石墨负电极迁移为从正极在外部电路接收的电子，这都是吸和抽到负电极如在外部电路由生成器从加上电极的分隔符。3.1.6锂离子电池电解液的类型3.1.6锂离子电池汽车用锂离子电池主要有哪些？3.1.6锂离子电池锂离子电池正极材料的特性名称钴酸锂(LiCoO2)锂镍钴锰三元(LiNiCoMnO2)锰酸锂(LiMn2O4)磷酸铁锂(LiFePO4)振实密度（g/cm3）2.8～3.02.0～2.32.2～2.41.0～1.4比表面积（m2/g）0.4～0.60.2～0.40.4～0.812～20克容量(mAh/g)135～140140～18090～100130～140电压平台(V)3.73.53.83.2循环性能≥500次≥500次≥300次≥2000次过渡金属贫乏贫乏丰富非常丰富原料成本很高高低廉低廉环保含钴含镍、钴无毒无毒安全性能差较好良好优秀适用领域中小电池小电池/小型动力电池动力电池、低成本电池动力电池/超大容量电源3.1.6锂离子电池磷酸铁锂电池•优势：低成本，较好的循环性能，安全性好，环境友好。•缺点：振实密度低，导电性差，低温性能差，量产产品性能稳定性差。3.1.6锂离子电池锂电池与其他二次电池的对比项目镍镉电池镍氢电池铅酸电池锂离子电池聚合物锂离子电池能量密度(Wh/kg)45～8060～12030～50110～160～160循环寿命1500300～500200～300500500快速充电时间（h）12～48～162～42～4耐过充能力中等低高低低自放电（/月）20%30%5%10%10%单体电压(V)1.251.2523.63.6负载电流(峰值)20C5C5C2C2C负载电流(最佳值)1C0.5C或更低0.2C1C或更低1C或更低工作温度（℃）-40～60-20～60-40～60-20～60-20～60维护要求30～60天60～90天3～6月不需不需典型价格(相对值)506025100100环境影响含有毒金属轻微毒性环境污染环境友好环境友好记忆效应有轻微无无无耐滥用性高高低低中等运输问题无限制无限制受限制受限制受限制锂离子电池结构与化学反应•充电正极上发生的反应为：LiCoO2==Li(1-x)CoO2+XLi++Xe-•充电负极上发生的反应为：6C+XLi++Xe-=LixC6•充电电池总反应：LiCoO2+6C=Li(1-x)CoO2+LixC6•充电时：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-放电时：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4。①正极②外壳③锂金属氧化物④分离器⑤锂石墨⑥负极⑦锂离子电池3.1.6锂离子电池锂离子电池的工作原理3.1.6锂离子电池锂离子电池的工作原理3.1.6锂离子电池SK动力电池内部结构3.1.6锂离子电池全球各大厂家在电动汽车中使用的锂电池技术锂离子电池重量电压容量能量含量冷却方式智能ED148kg400V16.5Ah6.2kWh液体奔驰S级28kg126V7Ah0.8kWh气候宝马7系28kg126V7Ah0.9kWh气候欧宝198kg360V44.4Ah16kWh液体特斯拉450kg375V135Ah53kWh液体奔驰威霆Eca.400kg360V100Ah36kWh液体丰田普锐斯III140kg345.6V15Ah5.2kWh空气奔驰ATEGO混动版125kg345V5.5Ah1.9kWh空气奥迪Q5混动版38kg266V5Ah1.3kWh空气+气候3.1.6锂离子电池3.1.6锂离子电池锂离子电池的充放电特性•在电压方面，锂离子电池对充电终止电压的精度要求很高，一般误差不能超过额定值的1%。•充电电流方面，锂电池的充电率为0.5～1C。•放电方面，锂离子电池的最大放电电流一般被限制在2～3C左右。在造成过放电（低于3.0V）时，还会造成电池的失效。•为了保证即使在负载大幅波动的情况下也能可靠运行，需要对高电压电池进行冷却处理。•电池温度应该不超过45℃至60℃，取决于所使用的系统。在冷却效果较理想的情况下，电池的温度保持在40℃以下。3.1.6锂离子电池锂离子电池的充放电曲线充电曲线放电曲线3.1.7飞轮电池请思考？飞轮电池的组成有哪些？工作原理是什么？工作原理•在储能时，外界电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮转子加速旋转，直至达到设定的某一转速。在飞轮加速旋转的过程中，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械动能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中。之后，飞轮以设定的那一转速旋转，直到接受到一个能量释放的控制信号。释能时，电机作为发电机使用，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流和电压，完成机械动能到电能转换的释放能量过程。在释能的过程中，飞轮的转速不断的下降。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出。3.1.7飞轮电池飞轮储能汽车基本原理•利用飞轮的惯性储存能量的装置称飞轮储能装置，也称飞轮电池。安装有飞轮储能装置的汽车也称为飞轮储能汽车，它利用飞轮的惯性，储藏发动机非满负荷时剩余的能量和车辆下坡、减速行驶的能量，再驱动汽车行驶和加速飞轮旋转。3.1.7飞轮电池3.1.8超级电容请思考：什么是超级电容，在结构上有什么特点？工作原理是什么？3.1.8超级电容电容的基本作用•电容的基本作用就是充电与放电，但由基本充、放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容有着更丰富多彩的用途。在一般的电子电路中，常用电容器来实现旁路、耦合、滤波、振荡、相移以及波形变换等，这些作用都是充、放电功能的演变。3.1.9锂-空气蓄电池锂-空气蓄电池工作原理•在蓄电池放电时，电子从消耗向阳极转移，而金属阳离子通过电解液向多空阳极转移，并且在阳极与氧气发生反应，形成过氧化锂等。充电时发生逆向过程。电池的其他前沿应用实训任务：自制丹尼尔蓄电池和法拉第电动机教师组织学生实训操作自制丹尼尔蓄电池和法拉第电动机。•工具：•1.铜棒、锌棒、硫酸锌电解液、玻璃杯，顶部有两个开口的塑料杯盖、万用表、导线、发光二极管、镀锌钉、铜币（或铜导线）、柠檬等；•2.尖嘴钳、小刀、小长条磁铁、漆包线1m左右、软电线20cm、平整硬泡沫板、透明胶带纸、回形针2个、5号南孚电池2个。学习导航3.1汽车电池3.2BMS电池管理系统3.2.1基本构成和功能什么是BMS电池管理系统？主要作用是什么？3.2.1基本构成和功能BMS的总体功能有：•-采集电池组内每一串电池模块的电压值•-采集每一串电池模块的温度或是某些特征位置的温度•-采集电池组的实时总电压，充电或者放电电流•-估算电池组SOC、SOH、SOE、最大可充放电功率等状态。•-热管理—冷却/加热控制•-均衡管理—实现电池组模块间的电量平衡•-充电管理，并与充电机实现通讯，实现智能充电。•-放电管理，并与整车控制器，仪表等实现通讯。•-绝缘监测，高压控制与保护，故障诊断等。3.2.1基本构成和功能电池管理系统主要由主控盒（BCU）、从控盒（BMU）、采样线束、温度传感器、分流器等组成。电池管理系统在硬件上可以分为主控模块和从控模块两大块。主要由数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块，）、显示单元、均衡单元检测模块（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等