新能源汽車技術 第2版 課件 項目5 動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)

新能源汽車技術項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述動力蓄電池是電動汽車的主要能量來源，其技術歷經了多次材料體系的變遷。每一次動力蓄電池材料體系的變化都會帶來電動車輛的一次發(fā)展高潮。最早的鉛酸蓄電池技術發(fā)展帶來了２０世紀初第一次電動汽車的研發(fā)和應用高潮，２０世紀８０年代鎳氫蓄電池技術突破帶來了混合動力電動汽車的產業(yè)化，２０世紀９０年代出現的鋰離子動力蓄電池帶來了現在以純電驅動為主的電動汽車研發(fā)和示范應用新紀元。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述GB/T19596-2017規(guī)定，動力蓄電池指為電動汽車動力系統(tǒng)提供能量的蓄電池。5.1.1動力蓄電池的定義5.1.2動力蓄電池的分類當前工業(yè)中廣泛應用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳金屬蓄電池、鋰離子蓄電池等，正處于開發(fā)研究階段的有超級電容器，以及具有發(fā)展遠景的燃料電池和太陽電池。電動汽車用蓄電池的主要性能指標是比能量、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和成本等。要使電動汽車能和燃油汽車相競爭，關鍵是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效蓄電池。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述5.1.2動力蓄電池的分類項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述5.1.2動力蓄電池的分類在常見蓄電池中，鉛酸蓄電池具有工藝成熟、過放電性能良好、安全性好、價格低廉的優(yōu)勢，目前廣泛應用于電動自行車、電動摩托車、電動船只、低速純電動汽車。但是，由于鉛酸蓄電池比能量和比功率較低，不能滿足純電動汽車長續(xù)駛里程的需求，在純電動汽車上未能廣泛應用。鎘鎳蓄電池具備充放電倍率好的優(yōu)點，但是鎘鎳蓄電池具有記憶效應、鎘金屬污染環(huán)境，現在已經不在電動汽車上應用。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述5.1.2動力蓄電池的分類氫鎳蓄電池有充放電倍率大、環(huán)境污染小、無記憶效應等優(yōu)點，但是氫鎳蓄電池電壓較低，為了滿足純電動汽車動力性和續(xù)駛里程的需求，需將大量單體蓄電池串、并聯，使得蓄電池模塊一致性變差，蓄電池管理系統(tǒng)復雜。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述5.1.2動力蓄電池的分類鋰離子蓄電池的能量密度是鎳鎘蓄電池的３倍，單體電池電壓為鎳氫蓄電池的３倍，因此能減少電池組中串、并聯單體的數量，使得蓄電池組故障概率降低，使用壽命延長。近年來，鋰離子蓄電池以其良好的性能得到了廣泛應用，性能上也取得較大的提高，是目前在純電動汽車上應用最為廣泛的動力電池。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.1概述5.1.3動力蓄電池術語單體蓄電池：將化學能和電能進行相互轉換的基本單元裝置，也稱為電芯。單體額定電壓也稱標稱電壓，不同蓄電池類型規(guī)定不同的電壓。蓄電池模塊：將１個以上單體蓄電池按照串聯、并聯或串并聯組合，并作為電源使用的組合體，也稱為蓄電池組。蓄電池包：通過包括蓄電池組、蓄電池管理系統(tǒng)、蓄電池箱及相應附件（冷卻部件、連接線纜等），具有從外部獲得電能并可對外輸出電能的單元。蓄電池系統(tǒng)：一個或一個以上蓄電池包及相應附件（管理系統(tǒng)、高壓電路、低壓電路、熱管理設備及機械總成等）構成的能量存儲裝置。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.1鉛酸蓄電池的基本結構鉛酸蓄電池都是由正極板、負極板、隔板、電解液、外殼、極柱和排氣閥等主要部件構成的。每個單體電池的標稱電壓為２Ｖ，故一個６Ｖ或１２Ｖ起動型鉛酸蓄電池一般由３個或６個單體電池串聯構成。由若干單體電池串聯組成蓄電池總成，可以滿足汽車用電設備的需要。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.1鉛酸蓄電池的基本結構１極板組極板組是電池的核心部分，它的作用是接收充入的電能和釋放向外的電能。極板分正極板和負極板兩種。蓄電池的充放電過程是靠極板上的活性物質與電解液的電化學反應來實現的。極板由柵架和活性物質組成。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.1鉛酸蓄電池的基本結構１極板組柵架的作用是容納活性物質并使極板形成，活性物質是進行電化學反應的主要成分。經過化成處理（正、負極板上的活性物質的轉化過程稱為化成處理）后，正極板上的活性物質多為孔性的二氧化鉛，呈紅棕色。負極板上的活性物質為海綿狀純鉛，呈灰青色。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.1鉛酸蓄電池的基本結構２隔板隔板的作用是將浸在硫酸溶液中的正、負極板隔開。為減小蓄電池的體積，使正、負極板盡可能地靠近，且確保正、負極板之間有必要的絕緣層，隔板需由帶微孔的橡膠、塑料、玻璃、纖維等絕緣材料制成。它除了在正、負極板間起絕緣作用外，還要使電解液中正、負離子順利通過，阻緩正、負極板活性物質的脫落，防止正極板因振動而損傷。近年來，有些廠家把隔板做成信封式套在正極板上，可以有效地防止活性物質脫落。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.1鉛酸蓄電池的基本結構３電解液電解液又稱電解質，俗稱電水。它的作用是形成電離，促使極板活性物質電離產生電化學反應。電解液是用專業(yè)的蓄電池用硫酸與鉛酸蓄電池用蒸餾水按一定的比例配置而成的。一般汽車用的鉛酸蓄電池采用的電解液是密度為（1.280±0.010）g／cm3

（25℃）的稀硫酸。配制電解液時，必須使用耐酸耐熱的器皿，因硫酸的比熱比水的比熱小得多，受熱時溫升很快，易產生氣泡，造成飛濺現象，所以配制電解液時切記只能將硫酸徐徐倒入蒸餾水中，并不斷攪拌。電解液的相對密度對電池的性能和使用壽命影響很大，為了提高蓄電池的容量和降低電解液冰點，需要電解液密度大些。但是密度過大，導致黏度增加，反而會降低蓄電池的容量。所以電解液必須符合標準相對密度。一般溫度每變化１℃，相對密度變化值為0.0007。電解液溫度升高，相對密度減小，溫度下降，相對密度增大。因此，溫度是確定電解液相對密度值的前提。世界各國規(guī)定了電解液的標準溫度，我國規(guī)定為15℃，日本規(guī)定為20℃，歐美國家規(guī)定為25℃和30℃。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.2鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池的電化學反應原理：充電時，將電能轉化為化學能在電池內儲存起來；放電時，將化學能轉化為電能供給外系統(tǒng)。在正常、合理的使用條件下，蓄電池能反復進行充、放電循環(huán)，發(fā)揮供電和儲電的特殊功能，因而又稱為二次電池或再生電。國產蓄電池一般的充放電循環(huán)期為２５０～５００次。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.2鉛酸蓄電池的工作原理蓄電池中發(fā)生的化學反應是可逆的。鉛酸蓄電池正極板上的活性物質是二氧化鉛，負極板上是海綿狀的純鉛，電解液是硫酸水溶液。根據雙硫化理論，接通用電設備時，蓄電池可以放出電流，而放電后以相反的方向通過電流，可以使極板上的活性物質恢復到原來的狀態(tài)。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.3鉛酸蓄電池的應用鉛酸蓄電池原材料來源豐富、價格低廉且性能優(yōu)良，是目前工業(yè)、通信、交通、電力系統(tǒng)最為廣泛使用的二次電池。目前主要應用領域有：１）汽車和摩托車行業(yè)。主要為發(fā)動機的起動點火和車載電子設備的使用提供電能等。２）工業(yè)電力系統(tǒng)。用于輸變電站、為動力機組提供合閘電流，為公共設施提供備用電源以及通信用電源。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.2鉛酸蓄電池5.2.3鉛酸蓄電池的應用３）電動汽車和電動自行車行業(yè)。取代汽油和柴油，作為電動汽車、電動自行車的行駛動力電源。４）新能源用鉛酸蓄電池。綠色能源（如風能和太陽能）發(fā)電時，先給鉛酸蓄電池充電，通過逆變器將鉛酸蓄電池的直流電變換為交流電，然后對外供電。此外，鉛酸蓄電池還廣泛應用于礦井、飛機、坦克、潛艇、工廠的搬運叉車等領域，作為這些行業(yè)設備的照明用電、應急電能，甚至作為動力電源。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.1氫鎳蓄電池概述氫鎳蓄電池是２０世紀９０年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，因具有能量高、使用壽命長、無污染等特點而成為世界各國競相發(fā)展的高科技產品之一。氫鎳蓄電池與鎘鎳蓄電池有許多相同的特性，但由于無鎘，所以不存在金屬污染問題，被稱為“綠色電池”。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.1氫鎳蓄電池概述氫鎳蓄電池的電量儲備比鎘鎳蓄電池多３０％，比鎘鎳蓄電池重量輕、使用壽命長，并且對環(huán)境無污染，氫鎳蓄電池的缺點是價格比鎘鎳蓄電池貴許多，性能比鋰離子蓄電池差。氫鎳蓄電池主要由電極材料、電解液、金屬材料及隔膜組成正、負極及電解液材料的差異使蓄電池有不同的性能，其中正極材料決定了蓄電池的容量，負極材料決定了大電流或高溫工作時，蓄電池充、放電的穩(wěn)定性。其負電極為經吸氫處理后的貯氫合金，正電極為氫氧化鎳，電解液為堿性電解液。目前，氫鎳蓄電池產品主要有圓柱形、扣式和方形３類。不論哪種結構的蓄電池，均由外殼、正極片、負極片以及正極極耳（導電帶）、密封圈、放氣閥帽（正極）、隔膜等組成。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.2氫鎳蓄電池的工作原理鎳氫蓄電池的反應原理鎳氫電池是一種堿性電池。鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效應。鎳氫電池正極板的活性物質為ＮｉＯＯＨ（放電時）和Ｎｉ（ＯＨ）２（充電時），負極板的活性物質為Ｈ２（放電時）和Ｈ２Ｏ（充電時），電解液采用３０％的氫氧化鉀溶液，充、放電時負極反應為正極反應為總反應為項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.2氫鎳蓄電池的工作原理鎳氫電池的電解液多采用ＫＯＨ水溶液，并加入少量的ＬｉＯＨ。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。為了防止充電過程后期電池內壓過高，電池中裝有防爆裝置。當鎳氫電池過充電時，金屬殼內的氣體壓力將逐漸上升。當該壓力達到一定數值后，頂蓋上的限壓安全排氣孔打開，可以避免電池因氣體過大而爆炸。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.2氫鎳蓄電池的工作原理１鎳氫電池的優(yōu)點１）功率性能好。鎳氫電池內部使用了大量的金屬材料，導電性能良好，可以適應大功率放電，目前比功率達到1500W/kg以上。２）低溫性能好。采用無機電解液體系，低溫性能相對比鋰系列電池好。３）循環(huán)壽命長。４）無污染。５）耐過充、過放。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.2氫鎳蓄電池的工作原理６）應用比較成熟。目前商業(yè)化的混合電動汽車如豐田的Prius、本田的Insight混合電動汽車使用的均為鎳氫電池。７）管理系統(tǒng)相對簡單。電池耐過充電和過放電能力比較強，不必監(jiān)測每只單體電池的電壓。電池在充電過程中可以通過和消耗氣體（氧氣）的副反應來實現自均衡，不必采用特別的均衡電路。８）具有較高的回收價值。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.2氫鎳蓄電池的工作原理２鎳氫電池的缺點１）電池的熱效應。鎳氫電池在電動汽車應用中遇到的主要問題為熱問題。主要原因有兩個：一是鎳氫電池本身的充電反應是一個放熱反應，充電過程中產生的熱量達到９４９Ｊ／（Ａ·ｈ）；二是充電效率低，鎳氫電池即使在空態(tài)下，充電效率也達不到１００％，充電量超過８０％后，副反應速度很快增加，產熱速度迅速上升，嚴重時會帶來熱失控問題。充電電流越大，充電效率越低，產生的熱量越多。２）蓄電池比能量較低。比能量一般為５０～７０Ｗ·ｈ／ｋｇ，雖然是鉛酸電池的２～３倍，但與鋰系列電池相比較，相差較大。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.3氫鎳電池5.3.2氫鎳蓄電池的工作原理３）標稱電壓低。標稱電壓為１.２Ｖ，若用來組合成數百伏的車用動力電源系統(tǒng)，就需要更多的電池串聯，對蓄電池的一致性、可靠性要求更高。４）高溫充電性能差。高溫下充電效率降低，反應效率的降低推動蓄電池溫度的進一步升高，最終可能會出現熱失控而出現安全問題。５）自放電大。在常用的鉛酸、鎳氫、鋰系列動力蓄電池中，鎳氫電池的自放電是比較大的。一般充滿電在常溫下擱置２８天時自放電達到１０％～３０％。６）材料成本高。鎳氫電池中使用了大量較貴重的金屬如鎳、鈷等，電池原材料成本比較高項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池。鋰離子蓄電池相比其他蓄電池具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應、工作溫度范圍寬、綠色無污染等優(yōu)點。鋰離子蓄電池是目前新能源汽車蓄電池的主流蓄電池。項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料，使用非水電解質。鋰離子蓄電池根據正極材料的不同，分為磷酸鐵鋰蓄電池、錳酸鋰蓄電池、鈷酸鋰蓄電池以及三元材料鋰離子蓄電池等。三元材料鋰離子蓄電池以其能量密度高、安全性好等優(yōu)點在電動汽車上得到了廣泛應用。5.4.1鋰離子蓄電池的結構項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池由正極材料、負極材料、電解液、隔膜和導電材料等組成。其中正、負極材料的選擇和質量直接決定鋰離子蓄電池的性能與價格。負極材料一般選用碳材料，目前已比較成熟；正極材料的開發(fā)已經成為制約鋰離子蓄電池性能提高、價格降低的重要因素。5.4.1鋰離子蓄電池的結構項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池１正極材料鋰蓄電池正極材料一般都是鋰的氧化物，應用比較多的有鈷酸鋰，鎳酸鋰，錳酸鋰，磷酸鐵鋰和釩的氧化物等。２負極材料活性物質為石墨，或近似石墨結構的碳，導電集流體使用厚度為7-15μｍ的電解銅箔。5.4.1鋰離子蓄電池的結構項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池３隔膜隔膜的主要作用是使蓄電池的正、負極分隔開來，防止兩極接觸而短路，此外還具有能使電解質離子通過的功能。鋰離子蓄電池隔膜具有大量曲折貫通的微孔，能夠保證電解質離子自由通過形成充、放電回路；而在蓄電池過度充電或者溫度升高時，隔膜通過閉孔功能將蓄電池的正極和負極分開以防止其直接接觸而短路，達到阻隔電流傳導，防止蓄電池過熱甚至爆炸的作用。5.4.1鋰離子蓄電池的結構項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池４電解液電解液在鋰蓄電池正、負極之間起到傳導電子的作用，是鋰離子蓄電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成。鋰蓄電池主要使用的電解質有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰等。用高氯酸鋰制成的蓄電池低溫效果不好，有爆炸的危險，在日本和美國已被禁止使用。用含氟鋰鹽制成的蓄電池性能好、無爆炸危險、適用性強，特別是用六氟磷酸鋰制成的蓄電池，除具有上述優(yōu)點外，其廢棄處理工作相對簡單。5.4.1鋰離子蓄電池的結構項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池５蓄電池外殼蓄電池外殼材料分為鋼殼（方形很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱形電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，電池的蓋帽可作為電池的正、負極引出端。5.4.1鋰離子蓄電池的結構項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池1）根據電池所用電解質的狀態(tài)不同，可分為液體鋰離子蓄電池、聚合物鋰離子蓄電池和全固態(tài)鋰離子蓄電池。2）根據電池的外形，一般可分為方形電池、圓柱形電池和軟包電池。聚合物鋰離子蓄電池除制成圓柱形和方形外，還可根據需要制成任意形狀，如圖5-16所示。3）按電池的正極材料，可分為磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池和三元鋰電池。在電動汽車上常見的有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，其中三元鋰電池又分為鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）和鎳（Ni）、鈷（Co）、鋁（Al）兩種，分別記為NCM和NCA三元鋰電池。5.4.2鋰離子電池的分類項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池不同正極材料的鋰電池在能量密度、溫度特性、循環(huán)壽命方面都有較大差異，但是其基本結構和工作原理都比較相似。鋰電池的結構主要包括正極、負極、隔膜和集流體，電解液主要存在于正負電極和隔膜之間。正負電極由電極材料、粘結劑和電解液幾部分構成。5.4.3鋰離子電池的工作原理項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池１）磷酸鐵鋰離子蓄電池磷酸鐵鋰（LiFePO4）離子蓄電池采用磷酸鐵鋰作為正極材料，采用石墨為負極材料，正、負極之間允許電子自由通過而金屬離子不能通過的隔膜材料，主要采用的是PP（polypropylene，聚丙烯）/PE（polyethylene，聚乙烯）/PP多層復合微孔膜，電解液一般采用六氟磷酸鋰為主要材料的混合溶劑。磷酸鐵鋰離子蓄電池充、放電正極的電化學反應方程如下。5.4.3鋰離子電池的工作原理項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池２）三元鋰離子蓄電池三元鋰離子蓄電池采用三元復合材料作為正極材料，目前較為常用的兩種正極材料是NCA（鎳鈷鋁酸鋰）和NCM（鎳鈷錳酸鋰），采用碳硅復合材料作為負極材料，隔膜材料與磷酸鐵鋰離子蓄電池的隔膜材料相同，只是隔膜的通過孔徑大小不完全一致，其電解液材料也與磷酸鐵鋰離子蓄電池差距不大，隨蓄電池型號和大小不同而存在差異.某型號NCM

鋰離子蓄電池在充、放電過程中的正、負極反應式如下。5.4.3鋰離子電池的工作原理項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池（1）磷酸鐵鋰電池磷酸鐵鋰電池作為動力電池具有良好的高溫性能和安全性，在電池放電過程中，電池內部溫度可比外部溫度高出30℃，此時電池結構依舊完好，而且電池內外部結構遭到損壞，均不會發(fā)生燃燒、爆炸；循環(huán)壽命長，經過2000次以0.5C倍率充電、1C倍率放電的充放電循環(huán)之后，其電池容量仍能達到93%；無記憶性，相比于鎳氫電池、鎳鎘電池，無論電池處于何種狀態(tài)下，都可以進行充電操作，而容量不會低于額定容量值。5.4.4鋰離子蓄電池的特點項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池（1）磷酸鐵鋰電池但磷酸鐵鋰電池的能量密度相對較低，在相同質量下，其續(xù)駛里程低于三元鋰電池。某磷酸鐵鋰電池的性能指標見表。5.4.4鋰離子蓄電池的特點項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池（2）三元鋰電池三元鋰電池之所以成為目前廣泛應用于電動乘用車的動力電池，主要是其具有能量密度高，相同質量下三元鋰電池的能量密度是磷酸鐵鋰電池的1.7-2.2倍；低溫性能良好，在低溫條件下，三元鋰電池容量和能量保持率均優(yōu)于磷酸鐵鋰電池，在零下30度時以0.5C倍率放電，其放電電壓為25℃時以0.5C倍率放電電壓的93.2%，下降幅度比較低；能量密度高，具有相同能量的磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池，后者的體積僅為前者的60%左右。5.4.4鋰離子蓄電池的特點項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.4鋰離子蓄電池（2）三元鋰電池但三元鋰電池的安全性能相對較差，三元材料在200℃時就會發(fā)生分解，由于內部的化學反應在高溫下會更為劇烈，且在過程中會產生氧分子，會引起電解液材料的劇烈燃燒，國內每年均會發(fā)生數起由于三元鋰電池受到撞擊或其他原因導致整車發(fā)生自燃的事故，這也讓公眾對于三元鋰電池的安全性產生了擔憂。某NCM三元鋰電池的性能參數見表。5.4.4鋰離子蓄電池的特點項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)用來對動力蓄電池進行安全監(jiān)控及有效管理，提高蓄電池使用效率。對于電動汽車而言，通過該系統(tǒng)對電池組充、放電的有效控制，可以達到增加續(xù)駛里程、延長使用壽命、降低運行成本的目的，并保證動力電池組應用的安全性和可靠性。動力電池管理系統(tǒng)已經成為電動汽車必不可少的核心部件之一。5.4.4鋰離子蓄電池的特點項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)現階段電池管理系統(tǒng)除完成數據測量和電池狀態(tài)估算外，還通過數據總線直接參與車輛狀態(tài)的控制。所示為主從式電池管理系統(tǒng)的拓撲結構。5.5.1蓄電池管理系統(tǒng)的基本結構和原理項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)的工作原理可歸納為數據采集電路采集電池狀態(tài)信息（電壓、電流、溫度等）數據后，通過CAN總線將數據傳送給電控單元進行數據處理和分析，然后電池管理系統(tǒng)根據分析結果對系統(tǒng)內的相關功能模塊發(fā)出控制指令（如控制風機開關等），并向外界傳遞參數信息，同時電池管理系統(tǒng)通過CAN總線與組合儀表及充電機等進行通信，實現參數顯示、充電監(jiān)控等功能。5.5.1蓄電池管理系統(tǒng)的基本結構和原理項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)蓄電池管理系統(tǒng)的功能主要包括數據采集、狀態(tài)估計、能量管理、安全管理、熱管理、均衡控制、數據通信等，如圖所示。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)１數據采集電池管理系統(tǒng)的所有算法都是以采集的動力蓄電池數據作為輸入，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，如圖所示。電動汽車電池管理系統(tǒng)的采樣速率一般要求大于

200Hz（500ms）。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)２狀態(tài)估計狀態(tài)估計包括電池組荷電狀態(tài)（SOC）和電池組健康狀態(tài)（SOH）兩方面。SOC用來提示動力蓄電池組剩余電量，是計算和估計電動汽車續(xù)駛里程的基礎，如圖所示。SOH用來提示電池技術狀態(tài)，預計可用壽命等健康狀態(tài)的參數。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)３能量管理能量管理主要包括兩部分：以電流、電壓、溫度、SOC和SOH為輸入進行充電過程控制，以SOC、SOH和溫度等參數為條件進行放電功率控制，如圖所示。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)４安全管理電池管理系統(tǒng)監(jiān)視蓄電池電壓、電流、溫度是否超過正常范圍，防止蓄電池組過充、過放。在對蓄電池組進行整組監(jiān)控的同時，多數電池管理系統(tǒng)已經發(fā)展到對極端單體蓄電池進行過充電、過放電、過熱等安全狀態(tài)管理。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)５熱管理在蓄電池工作溫度超高時進行冷卻，低于適宜工作溫度下限時進行蓄電池加熱，使蓄電池處于適宜的工作溫度范圍內，并在蓄電池工作中保持電池單體間溫度均衡。對于大功率放電和高溫條件下使用的蓄電池，蓄電池的熱管理尤為必要，如圖所示。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)６均衡控制由于蓄電池的一致性差異導致蓄電池組的工作狀態(tài)是由最差單體蓄電池決定的。在蓄電池組各個蓄電池之間設置均衡電路、實施均衡控制是為了使各個單體電池充放電的工作情況盡量一致，提高整體蓄電池組的工作性能，如圖所示。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)７數據通信通過電池管理系統(tǒng)實現蓄電池參數和信息與車載設備或非車載設備的通信，為充、放電控制和整車控制提供數據依據是電池管理系統(tǒng)的重要功能之一。根據應用需要，數據交換可采用不同的通信接口，如模擬信號、ＰＷＭ信號、ＣＡＮ總線或串行接口，如圖所示。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.5蓄電池管理系統(tǒng)８人機接口根據設計的需要設置顯示信息以及控制按鍵、旋鈕等。電池管理系統(tǒng)的主要工作原理可簡單歸納為，數據采集電路采集蓄電池狀態(tài)信息數據后，由電控單元（ECU）進行數據處理和分析，然后電池管理系統(tǒng)根據分析結果對系統(tǒng)內的相關功能模塊發(fā)出控制指令，并向外界傳遞參數信息。人機交換流程圖如圖所示。5.5.2蓄電池管理系統(tǒng)的主要功能項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)1恒壓充電在充電過程中，充電電壓始終保持不變，稱為恒定電壓充電，簡稱恒壓充電或等壓充電。電信裝置、不間斷電源（UPS）等的蓄電池的浮充電和涓流充電都采用恒壓充電。起動用蓄電池在車輛運行時也處于近似的恒壓充電的情況。該方法的優(yōu)點是隨著蓄電池的荷電狀態(tài)的變化，自動調整充電電流，如果規(guī)定的電壓恒定值適宜，就既能保證蓄電池的完全充電，又能盡量減少析氣和失水。恒壓充電原理圖如圖所示。5.6.1充電方法項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)２恒流充電在充電過程中，充電電流始終保持不變，稱為恒定電流充電，簡稱恒流充電或等流充電。蓄電池的初充電，運行中的蓄電池的容量檢查，運行中的牽引蓄電池的充電以及蓄電池極板的化成充電，多采用恒流或分階段恒流充電。此方法的優(yōu)點是可以根據蓄電池的容量確定充電電流值，直接計算充電量并確定充電完成的時間。恒流充電原理圖如圖所示。5.6.1充電方法項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)３脈沖充電脈沖充電是先用脈沖電流對蓄電池進行充電，然后讓電池停充一段時間，如此循環(huán)。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而間歇期使蓄電池經化學反應產生的氧氣和氫氣有時間重新化合而被吸收掉，使?jié)獠顦O化和歐姆極化自然地得到消除，從而減輕了蓄電池的內壓，使下一輪的恒流充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量；間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應時間，減少析氣量，提高了蓄電池的充電電流接受率，脈沖充電電流波形如圖所示。5.6.1充電方法項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)４快速充電對于蓄電池進行快速充電既不能用恒流大電流充電，也不能用較高的恒壓充電，否則會使蓄電池溫度快速升高，損傷電極并浪費電能?？焖俪潆娛鞘闺娏饔妹}沖的方式輸送給蓄電池，并隨著充電時間延續(xù)，蓄電池有一個瞬間的大電流放電，使電極去極化。5.6.1充電方法項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)５智能充電智能充電電應用dU/dt技術，跟蹤檢測蓄電池端電壓在單位時間內的變化量，動態(tài)跟蹤蓄電池可以接受的充電電流（特別是在蓄電池充電的后期），保持充電電流始終處于蓄電池可接受的充電電流曲線附近，使蓄電池幾乎在無氣體析出的條件下進行充電。5.6.1充電方法項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)６均衡充電均衡充電實際上是以小電流（約20h率的電流）進行1-3h的過充電過程，一般均衡充電不能頻繁進行。７初充電對于鋅蓄電池和動力蓄電池組，在投入使用前，應按照使用說明書的規(guī)定進行小電流長時間的初充電。在EV和HEV，并且可以兼用不同的充電方法。在

EV和HEV上較多采用智能充電、均衡充電和初充電３種方法。5.6.1充電方法項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)直流充電系統(tǒng)用于從公共電網獲取電能并為動力蓄電池進行充電，通常稱為快充系統(tǒng)，如圖所示。其中包括直流充電樁、直流充電槍、快充接口、高壓配電盒等。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)１直流充電樁直流充電樁是固定安裝在電動汽車外，與交流電網連接，可以為非車載電動汽車動力蓄電池提供直流電源的供電裝置。直流充電樁的輸入電壓采用三相四線AC380Ｖ（1±15％），頻率為50Ｈｚ，輸出為可調直流電，直接為電動汽車的動力蓄電池充電。由于直流充電樁采用三相四線制供電，可以提供足夠的功率，輸出的電壓和電流調整范圍大，滿足實現快充的要求。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)２直流充電樁的組成快充充電機為模塊化設計，直流充電樁的組成見表。單個充電模塊的輸出功率為１０ｋＷ，１０ｋＷ以上充電機采用２個或以上的充電模塊并聯工作，滿足整機輸出功率需求。整流電路如圖所示。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)１）整流電路是由交流整流濾波、直流（ＤＣ）直流（ＤＣ）變換器等元器件組成的，其作用是從單相或三相交流電網取得交流電，并將其轉換為符合要求的直流電。２）調整電路的作用是對輸出電壓進行檢測和采樣，并與基準值進行比較，從而控制高頻開關功率管的開關時間比例，達到調節(jié)輸出電壓的目的。３）功率因數校正網絡的功能是通過控制過程，使輸入電流波形跟蹤正弦基波電流，且相位與輸入電壓相同，以保持輸出電壓穩(wěn)定和功率因數接近于１０。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)４）輔助電路包括手動調整、穩(wěn)壓電源、保護信號、事故報警以及通信接口電路等。５）控制管理單元為充電機的頂層控制系統(tǒng)。在充電機充電操作時，控制管理單元接收人工輸入或其他設備的控制指令，控制驅動脈動生成系統(tǒng)的起動與停止，從而控制充電機的起動與停機，并可將充電機的運行數據進行顯示或傳輸給上層監(jiān)控計算機，如圖所示。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)６）充電機人機接口由按鍵和人機界面彩屏組成，具有計算機遠程監(jiān)控及蓄電池充電控制等功能。７）快充充電機遠程通信接口單元的作用是與電網調度通信網絡接口，充電機通信協議與電網通信協議統(tǒng)一，實現充電機的遠程監(jiān)控及無人值守站數據的統(tǒng)一上傳。８）電能計量裝置應根據電能計量點的位置及充電設備的額定電流選取。電動汽車非車載充電機宜選用直流電能表計量，安裝在非車載充電機直流輸出端和電動汽車之間。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)３直流充電樁工作原理三相３８０Ｖ交流電源經過整流濾波變成直流輸入電壓，供給ＩＧＢＴ橋。單片機通過驅動電路使功率開關ＩＧＢＴ工作，把直流輸入電壓轉換成脈寬調制的交流電壓，然后由高頻變壓器變壓隔離，最后通過整流濾波得到直流輸出，進而對動力蓄電池充電。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)３直流充電樁工作原理通過可控的電流、電壓反饋回路可改變充電電流和充電電壓，通過檢測蓄電池的端電壓、充電電流以提供信息給單片機進行決策。放電電路在充電電壓較高時工作，以提高蓄電池的接受能力；輔助電路提供器件工作電源；保護電路（過電流、過電壓、過溫）可以保證系統(tǒng)安全、可靠工作；單片機顯示電量、時間等數據，如圖所示。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)４直流充電樁的主要參數5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)５直流充電接口充電樁接口如所示，其接口含義見表。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)５直流充電接口充電樁接口如所示，其接口含義見表。5.6.2直流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)電動汽車常規(guī)慢充充電是用較小交流電流對整車進行充電的交流慢充方式。電動汽車根據使用情況在使用結束后或動力蓄電池荷電狀態(tài)（ＳＯＣ）低于設定值時應立即充電，可用外部交流電源（交流充電樁）給電動汽車自帶動力蓄電池充電機提供電能。交流慢充充電電流比較小，充電時間相對較長，一般充電時間為５～８ｈ，有的甚至長達１０～２０ｈ。慢充充電示意圖如圖所示。5.6.3交流充電項目5動力蓄電池及蓄電池管理系統(tǒng)5.6充電系統(tǒng)１交流充電樁交流充電樁是一