新能源汽車動力電池檢修課件 學習情境2：動力電池成組管理

學習情境2新能源汽車動力電池檢修動力電池成組管理目錄CONTENTS認知動力電池組任務1認知動力電池管理系統(tǒng)任務2認知動力電池組任務12.1.1任務1：認知動力電池組動力電池的基本概念（1）電池單體電池單體是直接將化學能轉化為電能的基本單元裝置，包括電極、隔膜、電解質、外殼和端子，并被設計成可充電。（2）電池模組電池模組是將一個以上電池單體按照串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式組合，且只有一對正負極輸出端子，并作為電源使用的組合體。任務1：認知動力電池組（3）單體采集系統(tǒng)每一個電池單元有多個單體采集系統(tǒng)，以監(jiān)測其中每個電池單體或電池組的單體電壓、溫度信息。單體采集系統(tǒng)將相關信息上報電池控制單元，并根據電池控制單元的指令執(zhí)行單體電壓均衡。（4）電池控制單元電池控制單元安裝于動力電池總成內部，是電池管理系統(tǒng)的核心部件。電池控制單元將單體電壓、電流、溫度及整車高壓絕緣等信息上報整車控制器，并根據整車控制器的指令完成對動力電池的控制。（5）電池高壓分配單元電池高壓分配單元安裝在動力電池總成的正負極輸出端，由高壓正極繼電器、高壓負極繼電器、預充繼電器、電流傳感器和預充電阻等組成。（6）維修開關吉利帝豪EV450的維修開關位于動力電池總成中間表面位置，打開駕駛室內副儀表手套箱開關，可操作維修開關。在高壓零部件檢查和維護前，斷開維修開關可以確保切斷高壓。2.1.2動力電池的組成部件及功能動力電池模組（1）電池單體：構成動力電池模塊的最小單元。一般由正極、負極、電解質及外殼等構成，可實現(xiàn)電能與化學能之間的直接轉換。（2）電池模塊：一組并聯(lián)的電池單體的組合。該組合額定電壓與電池單體的額定電壓相等，是電池單體在物理結構和電路上連接起來的最小分組，可作為一個單元替換。（3）模組：由多個電池模塊或單體電芯串聯(lián)組成的一個組合體。1.任務1：認知動力電池組電池管理系統(tǒng)是電池保護和管理的核心部件，在動力電池系統(tǒng)中，它的作用就相當于人的大腦。它不僅要保證電池安全可靠地使用，而且要充分發(fā)揮電池的能力和延長使用壽命。電池管理系統(tǒng)作為電池和整車控制器以及駕駛者溝通的橋梁，通過控制接觸器控制動力電池組的充放電，并向整車控制器上報動力電池系統(tǒng)的基本參數及故障信息。電池管理系統(tǒng)具備通過電壓、電流及溫度檢測等實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)的過電壓、欠電壓、過電流、過高溫和過低溫保護，繼電器控制、荷電狀態(tài)估算、充放電管理、均衡控制、故障報警及處理、與其他控制器通信功能等功能。此外，電池管理系統(tǒng)還具有高壓回路絕緣檢測功能，以及為動力電池系統(tǒng)加熱的功能。電池管理系統(tǒng)2.任務1：認知動力電池組（1）定義：支撐、固定、包圍電池系統(tǒng)的組件，主要包括上蓋和下托盤，還有輔助元器件，如過渡件、護板、螺栓等。動力電池箱有承載及保護動力電池組及電氣元件的作用。（2）力矩為80~100N·m。整車維護時需觀察電池箱體螺栓是否有松動，電池箱體是否有破損或嚴重變形，密封法蘭是否完整，確保動力電池可以正常工作。（3）外觀要求：電池箱體外表面顏色要求為銀灰或黑色，亞光；電池箱體表面不得有劃痕、尖角、毛刺、焊縫及殘余油跡等外觀缺陷，焊接處必須打磨圓滑。動力電池箱3.任務1：認知動力電池組輔助元器件主要包括動力電池系統(tǒng)內部的電子電器元件，如熔斷器、繼電器、分流器、接插件、緊急開關、煙霧傳感器等，以及除維修開關和電子電器元件以外的輔助元器件，如密封條、絕緣材料等。接觸器位于線束和繼電器模塊內，用于控制高電壓的通斷。當接觸器閉合時，高電壓自電池組輸出到車輛動力系統(tǒng)，接觸器斷開后，高電壓保存在電池組內。輔助元器件4.任務1：認知動力電池組2.1.3動力電池包發(fā)展現(xiàn)狀動力電池包是電動汽車的動力源泉，其內部結構通常由多個電池單體組成的電池模組串聯(lián)或并聯(lián)而成。其中，電池模組指的是將含有電化學電芯的電池單體通過相互機械固定與電連接的方式組合成的具有較大電流與電壓的電池集成。一般情況下，電池模組具有質量小、便于移動更換等特點。除電池模組之外，電池包內還必須由電池熱管理器、開關控制器以及電池安全BMS模塊等輔助系統(tǒng)。任務1：認知動力電池組2.1.4電池包布置形式動力電池包通常要根據電動汽車整體的空間結構與布局來進行合理的布置。同時，電池包的布置還需考慮電動汽車整車的驅動形式、載荷匹配，以及電池包離地間隙等因素。所以，在早期的電動汽車中通常都是基于傳統(tǒng)的燃油汽車進行改裝，將原發(fā)動機、變速箱、油箱等位置騰出安放電動汽車的動力電池。通常，安放部位主要為汽車前艙、后備箱、座椅底部和汽車底板下部。任務1：認知動力電池組電池包布置形式的對比如今，隨著電動汽車技術的不斷成熟，電池包的布置形式也更加合理與科學。其布置形式主要采用車身底板下置與車身后置兩種形式。其中，在電動車市場上電池包后置的電動車有日本豐田Prius、瑞典沃爾沃S60以及福特FocusEV，其電池包均置于汽車后備箱處。但是該布置方式會使整車質心后移，當電池包質量較大時，會嚴重影響電動汽車整車的操作穩(wěn)定性。再加上車身后部的空間限制等因素，通常后置電池包的體積較小、電池模組較少，極大地限制了電動汽車的續(xù)航能力。因此，該布置一般適用于混合動力汽車和續(xù)航能力要求較低的電動汽車。而底板下置的電池包則是目前電動汽車主要采用的裝置形式。其優(yōu)點主要在于車身底板下空間大，能放置體積較大、模組較多的動力電池包，并且由于電池包的加入，整車質心會下移，從而有效提高了電動汽車的穩(wěn)定性與整車動力性。同時，底板下置的布置形式有效改善了電動汽車的碰撞安全性能，并且有利于前后軸載荷的分布，使車身的整體剛度得以提高。任務1：認知動力電池組目前，由于電動汽車車型的差異，其動力電池包的形狀也是各種各樣。例如，雪佛蘭Volt為了便于電池組在汽車底板下的布置，采用了由4個電池模組組成的“T”字形電池包結構，并置于后座下以及與前座的通道內。但Volt仍是由燃油車改裝而成的，空間較小，裝載的電池包體積與質量受到的較大限制。任務1：認知動力電池組大眾e-Golf充分利用其車身的結構特征，在原有車身上裝置了一種典型的“土”字形電池包，使電動汽車的續(xù)航能力因總電量的提升而得到明顯改善。日產leaf電池組結構呈“凹”字形，其結構與座艙底板完美貼合，充分利用了電動汽車底板與地面之間的空間結構。電池包中共有48個電池模組，通過串聯(lián)的形式放置在電池包箱體內。其中，每個電池模組由4節(jié)鋰離子電池單體采用串并聯(lián)結合的方式組成。而在結構方面，其外殼采用了較薄的沖壓材料，并通過點焊工藝進行組裝，從而使電池包的質量與電池包結構幾何特征明顯降低，極大地提高了電池包的密封性及其可靠性。同時，外殼上的凸筋也大幅提升了電池包的結構剛度。任務1：認知動力電池組受于傳統(tǒng)汽車結構的局限性，不論如何挖掘可用空間，電動汽車的動力電池包始終不能實現(xiàn)最優(yōu)設計。并且隨著電動汽車需求增大，其續(xù)航能力要求也遠不能只限于200km，而是要往400km甚至是更高要求發(fā)展。對此，特斯拉電動汽車采用全新的產品設計思路，整車的設計圍繞電池包展開，將電池包進行模塊化設計，平鋪在車身底盤下，使電池包與車身底板融為一體，以最大限度地獲得可用空間。同時，利用整車的框架強化對電池包結構的保護，大大提高了電池包的安全性能，并且車身底板通過電池包結構有效地加強了各載荷狀況下的剛度性能。該形式的電池包結構目前已成為各類電動汽車電池包設計的主要趨勢，如雷諾ZOE、雪佛蘭Bolt和寶馬i3等。任務1：認知動力電池組2.1.5吉利帝豪EV450動力蓄電池系統(tǒng)簡介該車動力蓄電池采用三元鋰離子蓄電池，以鈷酸鋰、錳酸鋰或鎳酸鋰等化合物為正極，以可嵌入鋰離子的碳材料為負極，使用有機電解質。任務1：認知動力電池組吉利帝豪EV450動力蓄電池系統(tǒng)參數動力蓄電池總成安裝在車體下部，其組成部件包括各模組總成、單體采集系統(tǒng)、電池控制單元、電池高壓分配單元、維修開關等部件。任務1：認知動力電池組認知動力電池管理系統(tǒng)任務22.2.1任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的基本功能動力電池管理系統(tǒng)是電池保護和管理的核心部件，它的作用要保證電池安全可靠地使用，控制動力電池組的充放電，并向整車控制器上報動力電池系統(tǒng)的基本參數及故障信息。動力電池管理系統(tǒng)是集監(jiān)測、控制與管理為一體的、復雜的電氣測控系統(tǒng)，也是電動汽車商品化、實用化的關鍵。動力電池管理系統(tǒng)與電動汽車的動力電池緊密結合在一起，對動力電池的電壓、電流、溫度進行時刻檢測，同時進行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒，計算剩余容量、放電功率，報告荷電狀態(tài)、性能狀態(tài)，還根據動力電池的電壓、電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程，以及用算法控制充電機進行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載控制器、電動機控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進行實時通信。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)常見動力電池管理系統(tǒng)的功能主要包括數據采集、數據顯示、狀態(tài)估計、熱管理、數據通信、安全管理、能量管理（包括動力電池電量均衡功能）和故障診斷，其中前6項為動力電池管理系統(tǒng)的基本功能。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)（1）數據采集是動力電池管理系統(tǒng)所有功能的基礎，需要采集的數據信息有電池組總電壓、電流、電池模塊電壓和溫度。（2）電池狀態(tài)估計包括荷電狀態(tài)估計和性能狀態(tài)估計，荷電狀態(tài)提供電池剩余電量的信息，性能狀態(tài)提供電池健康狀態(tài)的信息，目前的動力電池管理系統(tǒng)都實現(xiàn)了荷電狀態(tài)估計功能，但性能狀態(tài)估計技術尚不成熟。（3）熱管理是指動力電池管理系統(tǒng)根據熱管理控制策略進行工作，以使電池組處于最優(yōu)工作溫度范圍。（4）數據通信是指電池管理系統(tǒng)與整車控制器、電動機控制器等車載設備及上位機等非車載設備進行數據交換的功能。（5）安全管理是指電池管理系統(tǒng)在電池組的電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)等出現(xiàn)不安全狀態(tài)時給予及時報警并進行斷路等緊急處理。（6）能量管理是指對電池組充放電過程的控制，其中包括對電池組內單體或模塊進行電量均衡。（7）故障診斷是指使用相關技術及時發(fā)現(xiàn)電池組內出現(xiàn)故障的單體或模塊。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)動力電池管理系統(tǒng)的主要任務及相應的傳感器輸入和輸出控制任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)通常在車輛運行過程中，能夠通過傳感器直接測量得到的參數僅有動力電池端電壓、動力電池工作電流和動力電池的溫度，而車輛動力系統(tǒng)控制需要用到的物理量包括電池當前的荷電狀態(tài)、電池當前的性能狀態(tài)、最大可充放電功率等，動力電池管理系統(tǒng)內部各物理量之間的關系。在車載動力電池管理系統(tǒng)中，熱管理技術、準確的荷電狀態(tài)和性能狀態(tài)在線實時估計技術具有較大的難度，是其核心技術。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)電池管理的核心問題就是荷電狀態(tài)的預估問題，電動汽車電池荷電狀態(tài)的合理范圍是30%~70%，這對保證電池壽命和整體的能量效率至關重要。電動汽車在運行時，電池的放電和充電均為脈沖工作模式，大的電流脈沖很可能會造成電池過充電（荷電狀態(tài)超過80%）、深放電（荷電狀態(tài)小于20%）甚至過放電（荷電狀態(tài)接近0%），因此電動汽車的控制系統(tǒng)一定要對電池的荷電狀態(tài)敏感，并能夠及時做出準確的調整。這樣電池管理系統(tǒng)才能根據電池容量決定電池的充放電電流，從而實施控制。它根據各只電池容量的不同識別電池組中各電池間的性能差異，并以此做出均衡充電控制和電池是否損壞的判斷，確保電池組的整體性能良好，延長電池組的壽命。電池管理系統(tǒng)的具體功能是：①保護電池；②估算剩余電量；③計算電池壽命；④故障診斷。其最為重要的功能是監(jiān)測電池電壓與溫度，以及判斷電池自身故障，以保護電池。因此，事先在電池管理系統(tǒng)核心的電池管理單元中添加了與所使用的電池化學系統(tǒng)相匹配的各類控制信息。2.2.2任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)電池保護功能的主要項目（1）防止過充電功能過充電是指超過各單體電池具有的上限充電電壓充電。過充電不僅會引起電池性能下降，有時還會引起發(fā)熱或冒煙等。因此，需要監(jiān)視各單體電池電壓，控制充電電流和再生電流不超越上限電壓，杜絕過充電。（2）防止過放電功能過放電是指低于單體電池內部使用的化學物質具有的固有下限電壓放電。出現(xiàn)過放電時，電池內部會發(fā)生異于常態(tài)的化學反應，導致內部物質不可逆變化，之后電池無法繼續(xù)使用。因此，必須避免行駛時各單體電池電壓低于下限電壓，需要實施抑制輸出電流的控制。此外，電池在剩余容量少的狀態(tài)下長期放置時會自放電，也可能導致過放電，所以點火開關在關閉狀態(tài)而不在電池管理系統(tǒng)控制之下時，充分確保單體電池自身安全至關重要。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)（3）電壓均衡功能如前所述，把若干單體電池串聯(lián)使用的電動汽車十分常見。在這種情況下，各單體電池的電壓不均衡時，電壓最低的單體電池會影響整體性能，電池組無法獲得應有性能。為改進這種情況，通常多數會在模塊管理單元和電池管理單元等中設置電壓均衡電路，主要使用以下方式。①消耗電阻方式。②轉移電能型變壓器方式。③轉移電能型電容器方式。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)（4）防止過熱功能該功能是指防止各單體電池超過推薦使用的溫度范圍上限值的功能。用最大輸出功率連續(xù)行駛和快速充電時，單體電池因自身內部電阻而發(fā)熱。如果超過上限溫度，不僅會使電池容量和輸出性能下降，還會發(fā)生電池鼓脹等問題。模塊管理單元監(jiān)測各單體電池或是電池模塊的溫度。此外，為避免超過上限溫度，在抑制輸出電流和充電電流的同時，需要借助后述電池冷卻系統(tǒng)強制降低溫度。2.2.3任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)動力電池管理系統(tǒng)的工作模式動力電池管理系統(tǒng)高壓接觸器的結構動力電池管理系統(tǒng)高壓接觸器的結構任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)（1）下電模式下電模式是整個系統(tǒng)的低壓與高壓處于不工作狀態(tài)的模式。在下電模式下，動力電池管理系統(tǒng)控制的所有高壓接觸器均處于斷開狀態(tài)，低壓控制電源處于不供電狀態(tài)。下電模式屬于省電模式。（2）準備模式在準備模式下，系統(tǒng)所有的接觸器均處于未吸合狀態(tài)。在該模式下，系統(tǒng)可接受外界的點火開關、整車控制器、電動機控制器、充電插頭開關等部件發(fā)出的硬線信號或受CAN報文控制的低壓信號來驅動控制各高壓接觸器，從而使動力電池管理系統(tǒng)進入所需工作模式。下電模式1—B+接觸器；2—預充接觸器；3—充電器接觸器；4—直流轉換器接觸器；5—B-接觸器任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)（3）放電模式動力電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到點火開關的高壓上電信號后，系統(tǒng)首先閉合B-接觸器，由于電動機是感性負載，為防止過大的電流沖擊，B-接觸器閉合后即閉合預充接觸器進入預充電狀態(tài)；當預充兩端電壓達到母線電壓的90%時，立即閉合B+接觸器，并斷開預充接觸器進入放電模式。目前汽車常用低壓電源由12V的鉛酸蓄電池提供，不僅可為低壓控制系統(tǒng)供電，還需為助力轉向電動機、刮水器電動機、安全氣囊及后視鏡調節(jié)電動機等提供電源。為保證低壓蓄電池能持續(xù)為整車控制系統(tǒng)供電，低壓蓄電池需有充電電源，而直流轉換器接觸器的開啟即可滿足這一需求，因此，當動力電池系統(tǒng)處于放電狀態(tài)時，B+接觸器閉合后即閉合直流轉換器接觸器，以保證低壓電源持續(xù)供電。任務2：認知動力電池管理系統(tǒng)（4）充電模式動力電池管理系統(tǒng)檢測到充電喚醒信號時，系統(tǒng)即進入充電模式。在該模式下，B-接觸器與車載充電器接觸器閉合，同時為保證低壓控制電源持續(xù)供電，直流轉換器接觸器仍需處于