动力电池自学资料精编版.docx

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动力电池自学资料精编版

动力电池自学资料

剖面图：

实物图：

电池组成：

任何电池都由四个部分组成，即由电极、电解质、隔离物及外壳组成。

电池组：

每一块电池被连接起来，配合着电池自身的电压控制系统、冷却系统和充放电系统，被集中结合在电池盒里，这个电池工作系统被称为电池组。

一次电池

　　一次电池，又称“原电池”，即放电后不能用充电的方法使它复原的电池。

换言之，这种电池只能使用一次，放电后电池只能被遗弃了。

这类电池不能再充电的原因，或是电池反应本身不可逆，或是条件限制使可逆反应很难进行。

二次电池

　　二次电池，又称“蓄电池”，即放电后又可用充电的方法使活性物质复原而能再次放电，且可反复多次循环使用的一类电池。

这类电池实际上是一个化学能量贮存装置，用直流电将电池充足，这时电能以化学能的形式贮存在电池中，放电时，化学能再转换为电能。

动力电池就属于二次电池。

功率：

p单位：

瓦w

电压：

u单位：

伏v

电流：

I单位：

安A

电功：

W单位：

焦j

时间：

t单位：

小时h

热量：

Q单位：

焦j

电阻：

R单位：

欧Ω

　　电压（V）=电流（I）x电阻（R）

　　电荷量（Q）=电流（I）x时间（T）

　　功率（P）=VxI=

　　能量（W）=PxT=QxV

电流强度：

单位时间内通过导体某一截面，电荷量的代数和，常用字母“A”表示。

电压：

水要有水位差才能流动，同样的，要使电荷作有规则的移动，必须在电路两端有一个电势差，这个电势差叫电压。

常用字母“V”表示。

电流：

在电场力的作用下，自由电子或离子所发生的有规则地运动称为电流。

电阻：

电子在物体内移动所遇到的阻力叫电阻。

电阻单位是欧姆，常用字母“Ω”表示。

短路：

电流不经负载而由电源一端直接回到另一端，导致电路中电流猛烈加大，这就叫短路。

断路：

电路中电流不通叫断路。

动力电池的评价条件

在电动汽车上,电池系统是一项关键核心的部件.特别是在纯电动汽车上,蓄电池作为唯一的动力源尤为重要.处于实际运行的需要,电动汽车对电池的性能提出了一定的要求,

主要包括:

（1）能量密度高,以提高运行效率和续航里程

（2）输出功率密度高,以满足驾驶性的要求

（3）工作温度范围宽广,以满足夏季高温和冬季低温的运行需要（-40℃~+50℃）

（4）循环寿命长，保证电池的使用年限和行驶总里程；

（5）无记忆效应，以满足车辆在使用的时候常处于非完全放电状态下的充电需要

（6）自放电率小，满足车辆较长时间的搁置需求。

（7）此外，还要求电池的安全性好、可靠性高以及可循环利用等。

电池的工作原理：

电池使用过程，电池放电过程。

电池放电时，在负极上进行氧化反应，向外提供电子，在正极上进行还原反应，从外电路接受电子，电流经外电路而从正极流向负极，电解液是离子导体，离子在电池内部的正负极之间的定向而导电，阳离子流向正极，阴离子流向负极。

电池放电的负极为阳极，放电的正极为阴极，在阳极两类导体界面上发生氧化反应，在阴极的两类导体界面上发生还原反应。

整个电池形成了一个由外电路的电子体系和电解液的离子体系构成的完整放电体系，从而产生电能供电。

动力电池的性能参数解析：

下面是中信国安盟固利公司的动力电池性能参数表

1、标称电压：

额定电压（或公称电压），系指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。

例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸蓄电池为2V，锂离子电池为3.6V。

2、标称容量：

额定容量。

系指在设计和生产电池时，规定或保证在指定放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。

3、内阻：

是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。

蓄电池的内阻包括：

正负极板的电阻，电解液的电阻，隔板的电阻和连接体的电阻等。

下面是中航锂电公司的动力电池性能参数表

1、充电截止电压：

2、放电截止电压：

电池在放电时其电压会随著电池电量的减少而逐渐降低,当电压降到所要求的准位时就不再让它继续放电,称为放电终止,而此电压准位称之为放电终止电压.通常厂商建议的放电终止电压约在0.9V~1.1V左右,电压放电到此准位时电量几乎已经放光了,此状况称为完全放电.镍镉电池已经完全放电了还不移掉负载而让它继续放电下去,那麼就成了过度放电,电压会急速下降直到0V为止.若电压尚未降到0V左右就终止放电,则电池电压会自动快速回升到标称电压1.2V左右.

3、标准充电电流：

4、循环寿命：

充放电循环寿命，是衡量二次电池性能的一个重要参数。

经受一次充电和放电，称为一次循环（或一个周期）。

在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值之前，电池能耐受的充放电次数，称为二次电池的充放电循环寿命。

充放电循环寿命越长，电池的性能越好。

在目前常用的二次电池中，镉镍电池的充放电循环寿命500～800次，铅酸电池200～500次，锂离子电池600～1000次，锌银电池很短，约100次左右。

　　二次电池的充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电制式等条件有关。

所谓“放电深度”是指电池放出的容量占额定容量的百分数。

减少放电深度（即“浅放电”），二次电池的充放电循环寿命可以大大延长。

5、工作温度范围：

6、储存温度范围：

电池充电效率

　　电池在一定放电条件下放至某一截止电压时放出的容量与输入的电池容量的比值，它可按照以下公式计算：

　　充电效率=（放电电流*放电至截止电压的时间/充电电流*充电时间）*100%

输入的能量部分用来将活性物质转换为充电态，部分消耗在副反应上来产生氧气，充电效率受到充电速率和环境温度的影响，充电时充电电流必须在一定范围内，电流太小或太大充电效率都很低，由于电池还存在自放电，致使电池无法充满电。

重量比能量、体积比能量：

电池的输出能量是指在一定的放电条件下，电池所能作出的电功，它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时（Wh）表示。

　　电池的比能量有两种。

一种叫重量比能量，用瓦时/千克（Wh/kg）表示；

另一种叫体积比能量，用瓦时/升（Wh/L）表示。

比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量。

它的比较电池性能优劣的重要指标。

　　必须指出，单体电池和电池组的比能量是不一样的。

由于电池组合时总要有连接条、外部容器和内包装层等，故电池组的比能量总是小于单体电池的比能量。

　　电池的功率是指在一定的放电条件下，电池在单位时间内所能输出的能量。

单位是瓦（W），或千瓦（kW）。

电池的单位重量或单位体积的功率称为电池的比功率，它的单位是瓦/千克（W/kg）或瓦/升（W/L）。

如果一个电池的比功率较大，则表明在单位时间内，单位重量或单位体积中给出的能量较多，即表示此电池能用较大的电流放电。

因此，电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。

经济速度与续驶里程：

传统汽车以经济速度行驶耗油最省,用百公里耗油量评价,经济速度由发动机效率、动力传动效率和摩擦力决定,电动汽车也有经济速度,由电池使用效率、电动机和控制器效率、摩擦阻力决定,经济速度与电池组内阻有直接关系,在一定范围内变化.以经济速度行驶,电动汽车能达到最大的续驶里程.固定整车和电动机,续驶里程可以考察动力电池组的能量供给能力,经济速度反映了电池组功率提供能力,电动汽车希望动力电池组能提供大容量和高功率.

加速与爬坡：

电动汽车在加速和爬坡时输出功率大,电池组放电电流大,电压跌落幅度也大,输出效率下降,欧姆损耗增大,另一方面,电压下降也会导致电机效率降低,工作条件恶劣,可能发生过强度放电,即超出电池电流输出能力,此时电池组处于过载使用.避免过载的措施:

使用功率较大的电池组;限电压、电流、功率或其组合限制行使;平稳行使,限制加速度.

锂离子电池充放电机理

目前锂离子电池公认的基本原理为“摇椅理论”，该理论认为锂离子电池充放电反应机理不是通过传统氧化还原反应来实现电子转移，而是通过锂离子在层状物质的晶格中嵌入和脱出，发生能量变化。

目前锂离子电池正极一般采用LiCOO2，负极为石墨，电解液为LiPF6+EC+DMC。

充电时锂离子从正极层状氧化物的晶格间脱出，通过有机电解液迁移到层状负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从外电路到达负极。

放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出回到正极氧化物晶格中。

在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的石墨和氧化物间的嵌入和脱出一般只引起层间距的变化，而不会引起晶体结构的破坏，伴随充放电进行，正负极材料的化学结构基本不发生变化，因此从充放电反应的可逆性来讲，锂离子电池是一种理想的可逆电池。

锂离子进入电极过程叫嵌入，从电极中出来的过程叫脱出，在充放电时锂离子在电池正负极中往返的嵌入———脱出，正像摇椅子一样在正负极中摇来摇去，故有人将锂离子电池形象的称为“摇椅电池”。

充放电时正负极发生反应为：

电池管理系统

英文为BatteryManagementSystem，简称BMS。

BMS一般是一个整体系统中的一个子系统，广泛应用于工业生产的各个环节，它的主要功能是通过监控和管理蓄电池，使电池始终保持在最佳工作状态，最大限度延长电池寿命;并将电池信息传输给相关子系统，为系统整体决策提供判断依据。

　　新能源汽车动力电池BMS

　　在各种BMS中，新能源汽车动力电池BMS较为独特，它必须具备实时监控并调整电池管理状态的能力，并可以与多个平行子系统同步协调工作。

　　车辆实际行驶中，加速和减速总是在不停地交替进行着，所以BMS必须能够接受动态信息反馈并不停地调整其监控管理方式。

下面是一个BMS的简单示意图，大家可以通过它感受一下BMS系统的复杂程度。

　　　1、监测电池组中各个单体电芯的健康状况;平衡各个电芯的性能;保证所有电芯都在额定工作范围内;当电芯被透支时最大限度地保护电池组整体功能;为个别电芯充电提供接入方式。

　　2、在系统失控或失去联系是提供故障保护;在紧急状态下（如过载、火灾等）将电池隔离;在部分电芯失效时提供“应急行驶模式”。

　　3、监控电池温度，调整散热/保温器的工作状态，保正电池在最佳温度运行。

　　4、向系统和车主提供电池SOC信息（充电程度）和SOH信息（健康程度）;计算电池余量可行驶的里程。

　　5、为电池提供最佳充电流程，并设定合适的充放电比例，防止回收动能时对电池过度充电。

　　6、为启动车辆前的负载阻抗测试预留足够的电量，实现分阶段充电以限制涌流的发生;

　　7、适应车辆驾驶模式的变化，实时调整电池管理模式。

　　8、记录电池使用情况，做使用历史记录。

　　9、获取并执行相关子系统给予的信息及命令。

宝马Megacity的电池组和前端的BMS

　　在实际应用当中，新能源汽车的BMS还可以集成更多的电能管理功能，就看设计上有没有这样的需求了。

单个模块集成度越高，占得体积越小，可以为电池腾出宝贵的空间，但高集成度也会带来一些不便，例如其损坏时殃及的范围广，修理更换的成本高等。

使用电池能量管理系统必备的条件：

       电池能量管理系统是对电池箱内电池模块的工作进行管理，我们认为电池能量管理系统并非一种专用仪表而是一个系统，也不是什么样的电池箱都能应用电池能量管理系统，它应具备一定的条件才能发挥其功能，否则会带来不可预见的后果。

3.1 电池模块方面的要求

3.1.1 电池模块应具备足够的使用寿命、可靠性和工作的稳定性

       大家都知道汽车是一种设计很紧凑的机-电—体化的产品。

电动汽车的紧凑性更加突出、电动汽车给安装电池箱留有的空间有限，有时会造成接近性很差，加上电池质量很大，拆-卸很不方便，不能随时进行拆卸。

所以要求应用的电池具有极好的使用寿命和可靠性，使其减少维护的频次、减少拆卸电池的次数给安装电池能量管理系统创造条件。

电池能量管理系统一个重要的功能是对剩余能量的计算，如应用的电池性能不稳定、可靠性很差，电池模块在工作中的性能难于进行SOC的估算，另外各种变化条件（温度、湿度、放电条件等）对电池模块的影响都造成对SOC影响，所以从剩余能量估算角度分析要求电池模块的性能要稳定。

3.1.2 电池应当是免维护电池

       电池应当是免维护的或维护周期长的少维护电池。

否则的话在电动汽车上不能应用。

原因除第一点谈到的以外，如果应用于开口电池除加液费时，工作量大以外，工作时电解液的外溢、外渗对周围环境污染严重，影响环境，有时会破坏电动汽车整车的电绝缘限值，影响车辆的使用寿命和使用安全。

3.1.3 电池充电后期排出的气体应能得到控制

       电池充电后期排出的气体（以氢为主）应能得到控制并能集中处理以保证工作安全。

各种电池排出的气体在电池箱内是一种不安全的因素，不能集存，必须排除。

一般有两种处理办法：

（1）是将每只电池的排气系统串联起来，集中排除电池箱外而扩散至安全处；

（2）是在箱内用强制的气流加以驱赶排除电池箱外。

3.1.4 电池性能的一致性达到控制要求

       电池能量管理的控制参数是由电池箱参与工作的电池模块采样的，而控制参数并非每个电池都要采样，否则参数量很大，不便管理，难于安装。

一般都在电池箱内不同区域里采取最有代表性的电池模块，某些性能参数（比如温度）作为控制参数，在经过计算对比后发布控制执行指令，执行各种控制功能，所以说被选择采样电池模块的性能参数量值上应能代表其他没被采样电池模块的性能，否则的话，它就失去代表的意义。

这时发出的指令不具备合理性，达不到对电池箱内电池模块的能量管理的目的。

比如电池箱中电池模块间的性能差异较大，每个电池模块都不具备代表整箱电池模块性能就难以取得可信的控制参数。

所以说，用于电池能量管理的电池模块其性能间的差异，即电池模块的间性能一致性差异必须在一定的范围之内，这样用哪一个电池模块作为采样电池都具备条件，都具有代表性。

3.2 电池模块用的电池箱

3.2.1 电池箱的要求

       为达到对电池进行能量管理的目的，电池模块必须装在一个箱内，该箱应具备一定条件：

（1）电池箱必须是密封的。

除必需的通风孔外均不能与大气相通。

密封箱内的要求主要考虑电池冷却气流的流动问题，不许在某处泄漏，避免冷却气流的流动性差造成电池模块工作温度的不一致，从而导致性能的一致性进一步的恶化。

（2）电池箱形状应达到与电池模块布置形状相适应。

当冷却系统工作时，冷却风扇提供的冷却气流能均匀地流过每个电池模块周围，箱内不能形成气流的“死区”和涡流的存在，保证电池模块工作过程中温度均匀、性能一致，防止个别电池模块早期损坏。

（3）电池箱应做到内部与电池的绝缘，外部与车身的绝缘，防止电池与车身绝缘电阻低下而影响系统工作，发生不安全事故。

（4）在电池模块安装条件下尽量减少电池模块自行放电的条件。

教学设计与反思免费下载3.2.2 冷却风扇空气进口的选择

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       电池能量管理系统，无论在充电或放电过程中它都存在工作的可能性，即它应具备全天候工作的条件。

所以电池能量管理系统冷却空气进口的选择就十分重要。

它要保证进入电池箱内的空气是清洁的即要求防尘和防雨水进入电池箱内。

如果防尘和防雨措施做得不好，会有灰尘脏物和雨水进入电池箱内，这样会造成电池模块间的爬电，自放电量的增加，电池箱与车身绝缘阻值的下降，严重时会造成电池模块的短路，这是很危险的。

此时管理系统会发出指令，停止车辆行驶或停止充电，而影响车辆的运行。

实际应用也说明了这一点能量管理系统冷却空气进口位置的选择十分重要，具体选在何处应由汽车设计者根据整车的总布置来决定。

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3.2.3 排气口的选择

       电池箱排气口的选择十分重要，排气口位置的选择正常与否会影响电池箱内冷却风扇的工作性能，选择得正确会有助于冷却风扇的工作。

如何利用汽车前进时在电池箱某部造成的，负压区，加速电池箱内气体的排除也是值得考虑的一个问题。

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3.2.4 电池冷却空气的提供方式（吸风或排风）的选择

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      电动汽车动力电池的冷却一般采用风冷的形式较多，其他冷却方式由于结构复杂或成本高应用的较少。

所以此处着重讨论风冷方式的冷却空气如何提供的问题，即采用吸风式还是排风式为宜。

关于选用哪种供风方式，要与电池结构联系起来分析。

（1）排风式：

电动汽车电池箱内对电池进行冷却的气体提供方式以排气的方式占绝大多数，这是因为电池在充电过程中要排出一定量的气体（多数为氢气），这些气体要与进入电池箱内的冷却气体混合排除到箱外。

上面已谈过这种气体的处理方式有两种，即集中引出箱外或由冷却空气带出箱外。

如果为后者，必须采用排气的方式，否则的话这种易燃气体通过电风扇的搅动后流出箱外很危险，此时应当采用防爆电机来推动冷却风扇，即使采用防爆电机也不应当应用这种供气方式以防不测。

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（2）吸风方式：

上面提到如果电池内的排除气体由管路集中引出箱外，且管路间的密封可靠从布置上考虑可以用吸风式对电池箱提供冷却空气。

如果总布置允许用排气方式从安全考虑最好采用排风方式为好。

数学题目大全带答案3.2.5 充电条件下对电池模块的冷却

        电动汽车尤其是纯电动汽车的电能补充都是在汽车停驶时依赖外源进行充电。

从蓄电池的工作状态来分析其放热量最大的时候是充电状态下而不是放电状态下，充电时往往要求对电池模块加强冷却，这时一般都是汽车停驶状态。

汽车停驶时一般汽车仪表用辅助电源均处于停电状态下，而此时的电池管理系统须供电使其具有指令的功能，保证电池模块的冷却条件，有的电动汽车忽略这一点，在停车时辅助电源由钥匙开关控制，全部停止供电是不行的，电池管理系统的电源应当处于常闭状态，电动汽车停驶时也应有电源供应，保证管理系统的正常工作。

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