?一、動力電池及其管理系統(tǒng)

1.動力電池的主要性能指標

(1)電壓

① 電動勢。電池正極和負極之間的電位差,通常用符號E表示。

② 開路電壓。電池在開路時的端電壓,一般開路電壓與電池的電動勢近似相等。

③ 額定電壓。電池在標準規(guī)定條件下工作時應(yīng)達到的電壓。

④ 工作電壓(負載電壓、放電電壓)。在電池兩端接上負載后,在放電過程中顯示出的電壓。

⑤ 終止電壓。電池在一定標準所規(guī)定的放電條件下放電時,電池的電壓將逐漸降低,當電池不宜繼續(xù)放電時,電池的最低工作電壓稱為終止電壓。

放電條件也稱為放電制度,即電池放電時規(guī)定的各種條件,主要包括放電電流、終止電壓和溫度等。放電曲線是指在一定的放電條件下連續(xù)放電時,電池的工作電壓隨時間的變化曲線,如圖1?19所示。在曲線圖上可以表征出電池放電過程的變化情況,同時也可通過放電曲線計算出放電時間和放電容量等。放電時率小者(放電電流大),其工作電壓下降速度快,終止電壓低,放電時間短,影響電池的實際使用效果。工作電壓下降速度慢,往往能輸出較多的能量。工作電壓的變化速度有時也稱作“放電曲線的平穩(wěn)度”。

(2)電池容量　電池在一定放電條件下所能放出的電量稱為電池容量,以C表示,其單位常用A·h或mA·h來表示。電池的容量參數(shù)有以下幾種。

① 理論容量。根據(jù)蓄電池活性物質(zhì)的特性,按法拉第定律計算出的最高理論值,一般用質(zhì)量容量A·h/kg或體積容量A·h/L來表示。

說明:這里所說法拉第定律指的是法拉第第一定律,即在電極界面上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量成正比。

② 實際容量。在一定條件下所能輸出的電量,等于放電電流與放電時間的乘積。

③ 標稱容量(公稱容量)。用來鑒別電池容量的適當?shù)慕浦?由于沒有指定放電條件,因此,只標明電池的容量范圍而沒有確切值。

④ 額定容量(保證容量)。按一定標準所規(guī)定的放電條件,電池應(yīng)該放出的最低限度的容量。

⑤ 荷電狀態(tài)(SOC)。荷電狀態(tài)(SOC)是指電池容量的變化情況,是電池在一定放電條件下,剩余電量與相同條件下額定容量的比值。SOC=1即表示電池為充滿狀態(tài)。隨著蓄電池放電,蓄電池的電荷逐漸減少,此時可以用SOC的百分數(shù)的相對量來表示蓄電池中電荷的變化狀態(tài)。一般蓄電池放電高效率區(qū)為50%~80%SOC。對SOC精確的實時辨識,是電池管理系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。

⑥ 放電深度(DOD)。放電容量與額定容量的百分比,與SOC之間存在如下關(guān)系:

DOD=1-SOC

放電深度的高低對二次電池的使用壽命有很大影響,一般情況下,二次電池常用的放電深度越深,其使用壽命就越短,因此在電池使用過程中應(yīng)盡量避免二次電池深度放電。

(3)功率　在一定的放電條件下,電池在單位時間內(nèi)所輸出的能量稱為電池的功率(單位:W、kW)。電池的功率決定電動汽車的加速性能。電池的功率常用比功率和功率密度來表示。

① 比功率(W/kg)。指單位質(zhì)量電池所能發(fā)出的電功率。

② 功率密度(W/L)。指單位體積電池所能發(fā)出的電功率。

(4)能量　電池在一定放電條件下所能釋放出的能量稱為電池的能量(單位:W·h、kW·h)。電池的能量決定電動汽車的行駛距離。蓄電池能量具體有以下指標:

① 標稱能量。在標準規(guī)定放電條件下,電池能夠輸出的能量。電池的標稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。

② 實際能量。在一定條件下電池所能輸出的能量。電池的實際能量是電池的實際容量與平均工作電壓的乘積。

③ 比能量(W·h/kg)。指單位質(zhì)量電池所能輸出的能量。電池的質(zhì)量包括電池本身結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和電解質(zhì)質(zhì)量的總和。

④ 能量密度(W·h/L)。指單位體積電池所能輸出的能量。

動力電池在電動汽車的應(yīng)用過程中,由于電池組安裝需要配備電池箱、連接線、電流電壓保護裝置等元器件,因此,實際的電池組比能量比單體電池比能量低20%以上。

(5)內(nèi)阻　電流通過電池內(nèi)部時受到阻力,使電池的電壓降低,此阻力稱為電池的內(nèi)阻。由于電池的內(nèi)阻作用,使得電池在放電時端電壓低于電動勢和開路電壓。在充電時的端電壓高于電動勢和開路電壓。

(6)壽命　蓄電池的工作是一個不斷充電→放電的循環(huán)過程。按一定的標準規(guī)定放電,當電池的容量降低到某一個規(guī)定值以前,就要停止繼續(xù)放電,然后就需要充電才能繼續(xù)使用。在每一個循環(huán)中,電池中的化學(xué)活性物質(zhì),要發(fā)生一次可逆的化學(xué)反應(yīng)。隨著充電和放電次數(shù)的增加,電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會發(fā)生老化變質(zhì),逐漸削弱其化學(xué)功能,使得電池的充電和放電的效率逐漸降低,最后電池喪失全部功能而報廢。

電池的壽命即從開始使用到報廢所經(jīng)歷的時間,常用循環(huán)次數(shù)和使用年限來表示。

① 循環(huán)次數(shù)。從蓄電池開始第一次充電到報廢時所經(jīng)歷的充/放電次數(shù)稱為循環(huán)次數(shù),也稱為循環(huán)壽命。蓄電池的循環(huán)次數(shù)與電池的充電和放電的形式、電池的溫度和放電深度有關(guān),放電深度淺時,有利于延長電池的壽命。特別是電池在電動汽車上的使用環(huán)境,包括電池組中各個電池的均衡性、安裝方式、固定方式、所受的振動和線路的安裝等,都會影響電池的工作循環(huán)次數(shù)。

② 使用年限。從蓄電池開始使用到報廢所經(jīng)歷的年數(shù)。

(7)放電率(放電速率)　電池放電的快慢稱為放電率。放電率有時率和倍率兩種表示方法。

① 時率(也稱小時率)。電池以某種電流強度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時,所經(jīng)過的放電時間。

② 倍率。電池以某種強度放電時的電流值與額定容量電流值的比值(倍數(shù))。

當放電電流大于或等于額定容量電流值時,該放電電流值用倍率表示;若放電電流小于額定容量電流值時,該放電電流值用時率表示。蓄電池的額定容量常用“C”來表示,放電率用在C前加系數(shù)表示。例如:2倍率,即2C,其放電電流值為額定容量電流值的兩倍,額定容量約半小時放完;2小時率,即0.5C,其放電電流值為額定容量電流值的1/2,而額定容量約2h放完電。

(8)自放電率　自放電率指電池在存放時間內(nèi),在沒有負載的條件下自身放電,使得電池容量損失的速度。自放電率用單位時間(月或年)內(nèi)電池容量下降的百分數(shù)來表示。

(9)成本　電池的成本與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān),目前新開發(fā)的高比能量的電池成本較高,使得電動汽車的造價也較高,開發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵。

除上述主要性能指標外,還要求電池?zé)o毒性,對周圍環(huán)境不會造成污染或腐蝕,使用安全,有良好的充電性能和充電操作方便,耐振動,無記憶性,對環(huán)境溫度變化不敏感,易于調(diào)整和維護等。

說明:電池記憶效應(yīng)是指電池長期不徹底充電、放電,易在電池內(nèi)留下痕跡,即電池對日常的充、放電幅度形成記憶,時間久了就很難改變這種模式,不能再做大幅度充電或放電,從而使電池的容量降低的現(xiàn)象。

目前電池技術(shù)的瓶頸在于如何造出容量大(滿電可以連續(xù)行駛400km以上)、體積小、質(zhì)量小、價格低的電池,以及如何實現(xiàn)快速充電。

2.鉛酸蓄電池

(1)概述　正極板活性物質(zhì)為二氧化鉛,負極板活性物質(zhì)為鉛,以酸溶液為電解質(zhì)的蓄電池稱為鉛酸蓄電池。

鉛酸蓄電池由正極板、負極板、隔板、電池蓋、電解液、加液孔蓋和電池外殼等組成,正、負極板浸入稀硫酸電解液中成為單格電池。每個單格電池的標稱電壓為2V,因此,6格串聯(lián)起來成為12V蓄電池。

電動汽車使用的鉛酸動力電池型號為××V?××Ah。例如12V?120Ah,前面部分表示鉛酸蓄電池的標稱直流電壓,后面部分表示鉛酸蓄電池的標稱容量。

(2)常用動力鉛酸蓄電池　應(yīng)用于電動汽車的動力鉛酸蓄電池主要有閥控免維護鉛酸蓄電池(VRLA)、膠體鉛酸蓄電池、水平式蓄電池與雙極式蓄電池四種。

① VRLA。免維護型蓄電池是指在使用壽命期限內(nèi),除要保持表面清潔外,不需其他維護的蓄電池。

② 膠體型蓄電池。膠體型蓄電池是指其電解液是由稀的硫酸鈉溶液和硅酸溶液混合成膠狀物質(zhì)的蓄電池。這種蓄電池因為其電解液的流動性不強,所以在儲存、保管、運輸及使用過程中都比較安全,但其容量與普通蓄電池相比有所降低。

③ 水平式蓄電池與雙極式蓄電池。所謂水平式蓄電池就是極板為水平安置的電池,其結(jié)構(gòu)如圖1?20(a)和圖1?20(b)所示。

所謂雙極式蓄電池是將原蓄電池的隔板去掉,正、負極板合一,一面涂正極板活性物質(zhì),另一面涂負極板活性物質(zhì),如圖1?20(c)所示。據(jù)報道,英國一家公司用鈦化合物作電極制成的鉛酸蓄電池比能量達到60W·h/kg,幾乎接近鎳氫、鋰電池的比能量。如果在技術(shù)上突破的話,價格低廉的鉛酸蓄電池會大力推動電動汽車的推廣和普及。

(3)優(yōu)點

① 電壓高,單體電壓為2.0V。在常用蓄電池中,僅次于鋰電池。

② 價格低廉。

③ 可制成小至1A·h大至幾千安時的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池。

④ 高倍率放電性能良好,可用于發(fā)動機啟動。

⑤ 高低溫性能良好,可在-40~60℃條件下工作。

⑥ 電能效率高,可達60%。

⑦ 易于浮充使用,沒有記憶效應(yīng)。

⑧ 易于識別荷電狀態(tài)。

(4)缺點

① 比能量低,在電動汽車中所占的質(zhì)量和體積較大,一次充電行駛里程短。

② 使用壽命短,使用成本高。

③ 充電時間長。

④ 存在鉛污染。

(5)應(yīng)用　早期生產(chǎn)的電動汽車大多采用鉛酸蓄電池,如五十鈴Eif Resort、大發(fā)Hijet Van、鈴木奧拓、富士Samber EV等。低速純電動汽車多采用VRLA,如山東時風(fēng)電動汽車即采用10塊GD04B鉛酸動力電池串聯(lián)成的電池組,額定電壓為60V。采用鉛酸動力電池的典型純電動乘用車代表是風(fēng)靡一時的美國通用汽車公司的純電動汽車EV?1。我國株洲時代集團公司研發(fā)的TEG6120EV?2型電動大客車采用水平鉛酸電池為動力電源,工作電壓為384V。

3.鎳氫(Ni?MH)電池

(1)概述　以鎳化合物(通常為氫氧化鎳)為正極板活性材料,以儲氫合金為負極板材料(活性物質(zhì)為氫),電解質(zhì)是水溶性氫氧化鉀和氫氧化鋰的混合物的電池稱為鎳氫電池,屬于堿性電池的一種。

鎳氫電池的正極是球狀氫氧化鎳粉末與添加劑(鈷等金屬)、樹脂和黏合劑等制成的涂膏,用自動涂膏機涂在正極板上,然后經(jīng)過干燥,處理成發(fā)泡的氫氧化鎳正極板。

鎳氫電池的負極的關(guān)鍵技術(shù)是儲氫合金,儲氫合金是一種允許氫原子進入或分離的多金屬合金的晶格基塊,用鈦?釩?鋯?鎳?鉻(Ti?V?Zr?Ni?Cr)五種基本元素,并與鈷、錳等金屬元素?zé)Y(jié)的合金,經(jīng)過加氫、粉碎、成形和燒結(jié)制成負極板。

(2)特點　與鉛酸蓄電池相比,鎳氫電池具有以下特點。

① 比功率高。比功率可達到200W/kg,是鉛酸電池的2倍,能夠提高車輛的啟動性能和加速性能。目前商業(yè)化的鎳氫功率型電池已經(jīng)達到1350W/kg。

② 比能量高。鎳氫電池的標稱電壓為1.2V,比能量可達到70~80W·h/kg,有利于延長電動汽車的行駛里程。

③ 壽命長。在80%的放電深度下,循環(huán)壽命可達到1000次(或使用壽命10年)以上,是鉛酸電池的3倍。100%放電深度循環(huán)壽命也在500次以上,在混合動力汽車中可使用5年以上。

④ 無重金屬污染。鎳氫電池中沒有Pb和Cd等重金屬元素,不會對環(huán)境造成污染。

⑤ 耐過充過放。有高倍率的放電特性,短時間可以以3C放電,瞬時脈沖放電率很大。鎳氫電池的過充電和過放電性能好。

⑥ 可以快速充電。在15min內(nèi)可充60%的電量,1h內(nèi)可以完全充滿,應(yīng)急補充充電的時間短。

⑦ 無記憶效應(yīng)。故可以隨充隨放。

⑧ 使用溫度范圍寬。正常使用溫度范圍為-30~55℃,存儲溫度范圍為-40~70℃。

⑨ 安全性好。短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動等安全可靠性試驗無爆炸、燃燒現(xiàn)象。采用全封閉外殼,可以在真空環(huán)境中正常工作。

鎳氫電池的主要缺點是充電時發(fā)熱量大,需采用有效的散熱系統(tǒng)。

(3)應(yīng)用　汽車動力電池組經(jīng)常處于充電、放電狀態(tài),而且充電、放電是無規(guī)律地進行的,這對電池的壽命帶來嚴重的影響。松下電池公司,通過模擬混合動力汽車行駛工況對鎳氫電池進行仿真試驗,證實鎳氫電池的特性幾乎不發(fā)生變化,鎳氫電池用于混合動力汽車是比較合適的,但也有將其應(yīng)用于純電動汽車上的,如日本豐田汽車公司的RAV4 EV配置的動力電池組由24節(jié)12V的鎳氫電池組成,總電壓為288V。

4.鋅空氣電池

(1)概述　如圖1?21所示,鋅空氣電池以鋅(Zn)為負極,空氣電極為正極(活性物質(zhì)為氧氣),以KOH溶液為電解質(zhì)。

鋅空氣電池的化學(xué)反應(yīng)與普通堿性電池類似,在特殊催化劑的作用下,當電池放電時,炭塊從空氣中吸附到氧氣,金屬鋅中電子輸送到正極,鋅和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成氧化鋅(ZnO)。

正、負極之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是不可逆的,不像其他形式的堿性電池,沒有充電過程,反應(yīng)過的物質(zhì)要清除掉,所以鋅金屬的消耗量較大。單體鋅空氣電池的工作電壓為1.1~1.4V。

(2)優(yōu)點

① 比能量大。鋅空氣電池的理論比能量為1350W·h/kg,實際比能量為180~230W·h/kg;能量密度為230W·h/L。

② 充電時間短。采用機械充電模式,充電時間只需幾分鐘。

③ 性能穩(wěn)定。單電池有良好的一致性,可以深度放電,電池容量不受放電強度和溫度的影響,可以在-20~80℃的環(huán)境條件下工作。放電時不產(chǎn)生壓力,沒有氣體生成,可以實現(xiàn)密封免維護,便于電池組能量管理。

④ 安全性好。即使外部遇到明火、短路、穿刺、撞擊等情況,都不會發(fā)生燃燒、爆炸。

⑤ 環(huán)保。電池正極采用活性炭、銅網(wǎng),負極采用金屬鋅,沒有使用有毒有害物質(zhì)。

⑥ 可再生利用。鋅電極使用完后,可通過再生還原使其可以再次使用。

⑦ 充電方便。由于鋅空氣電池的充電主要是更換極板,所以極板的再生可以集中進行。極板的分發(fā)可以像商店那樣布點,不必建立專用的充電站。這不但可以節(jié)約大量先期投資,而且給用戶帶來很多方便。

(3)缺點　鋅空氣電池對水分、二氧化碳非常敏感,如果相對濕度發(fā)生變化,電池的特性也會發(fā)生相應(yīng)變化。鋅空氣電池的臨界相對濕度約為60%,如果偏離過高就會嚴重影響電池的使用效果。經(jīng)研究,如果相對濕度小于60%,電池會失去水分;大于60%時,水分又會過多,電池可能出現(xiàn)泄漏。隨空氣進入的二氧化碳將會與電解質(zhì)(KOH)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使電解液酸化,生成碳酸(或亞碳酸)鹽在電極上結(jié)晶,陰極會受到損壞,并會有堵塞空氣通路的危險。

(4)應(yīng)用　鋅空氣電池多應(yīng)用于純電動商用車上,如德國研發(fā)的鋅空氣電池郵政車,采用了以色列電燃料有限公司開發(fā)的鋅空氣電池。美國Dreisback Electromotive公司開發(fā)的鋅空氣電池,已在公共汽車和總重9t的貨車上使用。德國奔馳汽車公司的MB410型電動廂式車,標準總質(zhì)量為4000kg,采用150kW·h的鋅空氣電池。瑞典斯德哥爾摩市的電動貨車、電動客車和電動服務(wù)車上,采用的鋅空氣電池能量密度為180W·h/kg,功率密度為100W·h/L,續(xù)駛里程在350~425km。國內(nèi)部分廠家已經(jīng)在注入式鋅空氣電池方面開展了多年的研究工作,并且在部分電動車輛上進行了實驗性裝車測試。

5.鋰電池

(1)概述　以鋰化合物為正極板活性材料,以石墨等為負極板材料,以無水有機物為電解質(zhì)的電池稱為鋰離子蓄電池,簡稱鋰電池。

根據(jù)鋰電池所用電解質(zhì)材料不同,鋰電池可分為液態(tài)鋰電池(LIB)和聚合物鋰電池(LIP)兩大類。上述兩種鋰電池的正負極材料是相同的,基本原理也相似。

鋰離子電池的正極材料有很多種,主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料(鎳、鈷、錳)、磷酸鐵鋰等,相應(yīng)的名稱為鈷鋰電池、錳鋰電池等等,用三元材料為正極的鋰電池則稱為三元鋰電池。

以磷酸鐵鋰電池為例(LiFePO4)。如圖1?22所示,LiFePO4作為電池的正極,由鋁箔與電池正極連接;中間是聚合物的隔膜,它把正極與負極隔開,鋰離子(Li+)可以通過而電子(e-)不能通過;負極材料為石墨,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì),電池由金屬外殼密閉封裝。LiFePO4電池在充電時,正極中的Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的Li+通過隔膜向正極遷移。鋰電池就是因鋰離子在充/放電時來回遷移而命名的。

(2)優(yōu)點

① 工作電壓高。工作電壓為3.6V,是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍,是鉛酸電池的近2倍。

② 比能量高。比能量高達150W·h·kg-1,是鎳氫電池的2倍,是鉛酸電池的4倍,因此質(zhì)量是相同能量的鉛酸電池的1/4~1/3;體積小,能量密度高達400W·h·L-1,體積是鉛酸電池的1/3~1/2。

③ 循環(huán)壽命長。循環(huán)次數(shù)可達1000次(可使用10年以上或行駛20萬公里)。以容量保持60%計,電池組100%充/放電循環(huán)次數(shù)可以達到600次以上,使用年限可達3~5年,壽命約為鉛酸電池的2~3倍。

④ 自放電率低。每月自放電僅為6%~8%,遠低于其他類型的動力電池。

⑤ 無記憶效應(yīng)。可以隨時隨地進行充電。

⑥ 無污染。鋰電池中不存在有毒物質(zhì),因此被稱為“綠色電池”。

⑦ 質(zhì)量小。提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計條件、設(shè)計空間和可能性。

(3)缺點

① 成本高。主要是正極材料的價格高,但按單位能量的價格來計算,只高于鉛酸蓄電池。

② 必須有特殊的保護電路,以防止過充。

(4)應(yīng)用　目前,全球汽車制造商應(yīng)用的鋰動力電池主要為三大代表種類,即以特斯拉為代表的鎳鈷鋁酸鋰電池(鈷酸鋰電池)、以比亞迪為代表的磷酸鐵鋰電池和以日本汽車為代表的錳酸鋰電池。如日產(chǎn)的Leaf即采用48個電池單元組成層疊式緊湊型鋰電池組,提供超過90kW的輸出功率。另外,三菱的i?M iEV、雪佛蘭Volt等電動汽車均采用鋰電池。

6.石墨烯電池

(1)概述　石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性,開發(fā)出的一種新能源電池。這種新的電池可把數(shù)小時的充電時間壓縮至不到1min。分析人士認為,未來1min快充石墨烯電池實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后,將帶來電池產(chǎn)業(yè)的變革,從而也促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的革新。

目前石墨烯的研究總體上分兩塊:一是在傳統(tǒng)鋰電池上進行應(yīng)用,目的是改進、提升鋰電池的性能,這類電池不會產(chǎn)生顛覆性的影響;二是依據(jù)石墨烯制造一個新體系的電池,它是一個嶄新的系列,在性能上是顛覆性的,稱作“超級電容”。因此可以認為,目前研發(fā)的石墨烯電池仍屬于鋰電池系列。

石墨烯的微觀構(gòu)造,是一個由碳原子所組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖1?23)。因為具有極限的厚度(只有一層原子的厚度),所以陽離子的移動受到的限制很小。同時正因為具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),由石墨烯制成的電極材料也擁有充分的孔洞,使用石墨烯作為電池的陽極材料,其充/放電速度將超過鋰離子蓄電池的10倍。

研究發(fā)現(xiàn),將6個石墨烯電路形成串聯(lián),放在氯化銅溶液中,就可產(chǎn)生所需的2V電壓,使LED燈發(fā)亮,如圖1?24所示。

(2)應(yīng)用　據(jù)報道,西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池,其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍,用此電池提供電力的電動汽車最多能行駛1000km,而其充電時間不到8min。雖然此電池具有各種優(yōu)良的性能,但其成本并不高。Graphenano公司相關(guān)負責(zé)人稱,此電池的成本將比鋰電池低77%,完全在消費者承受范圍之內(nèi)。此外,在汽車燃料電池等領(lǐng)域,石墨烯還有望帶來革命性進步。

2014年12月,美國電動汽車制造商特斯拉發(fā)布了第一代車型Roadster的升級版,續(xù)駛里程達到644km,高出原版60%。電池技術(shù)的進步提升了特斯拉產(chǎn)品的性能,此前Roadster的續(xù)駛里程是393km。特斯拉CEO馬斯克稱,特斯拉的高性能石墨烯電池,相比目前的容量增長近70%。

7.蓄電池管理系統(tǒng)

(1)動力電池存在的問題

① 大容量單體電池容易產(chǎn)生過熱。單體電池有一定的溫度耐受范圍,在實際應(yīng)用中如果體積過大,會產(chǎn)生局部的過熱,從而影響電池的安全和性能。因此,單體電池的大小受到限制。在苛刻的使用環(huán)境下,110mm×110mm×25mm的20A·h鋰電池,局部最高溫度為135℃;而110mm×220mm×25mm的50A·h鋰電池,局部溫度高達188℃,更容易發(fā)生安全問題。所以有必要監(jiān)測和控制溫度。

② 電池的性能不完全一致。基于現(xiàn)有的極板材料和電池制造水平,單體電池之間尚不能達到性能的完全一致,在通過串并聯(lián)方式組成大功率大容量動力電池組后,苛刻的使用條件也易誘發(fā)局部偏差,從而引發(fā)安全問題。

(2)電池成組后的主要問題

① 過充/過放。串聯(lián)的電池組充/放電時,部分電池可能先于其他電池充滿或放完,繼續(xù)充/放電就會造成過充或過放。電池的內(nèi)部副反應(yīng)將導(dǎo)致電池容量下降、熱失控或內(nèi)部短路等問題。

② 過大電流。并聯(lián)、老化、低溫等情況,均會導(dǎo)致部分電池的電流超過其承受能力,降低電池的壽命。

③ 溫度過高。局部溫度過高,會使電池的各項性能下降,最終導(dǎo)致內(nèi)部短路和熱失控,產(chǎn)生安全問題。

④ 短路或者漏電。震動、濕熱、灰塵等因素造成電池短路或漏電,威脅駕乘人員的人身安全。

(3)電池管理系統(tǒng)的作用　電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,簡稱BMS)的作用之一就在于避免電池組出現(xiàn)上述問題,需要動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài),實時采集每塊電池的端電壓、溫度、充/放電電流及電池組總電壓,估算出各電池的SOC、安全狀態(tài)(State of Health,SOH)和電化學(xué)狀態(tài)(State of Electro?formation,SOE)。然后通過控制相關(guān)器件,防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象,同時能夠及時給出電池狀況,找出有故障的電池所在箱號和箱內(nèi)位號,挑選出有問題的電池,保持整組電池運行的可靠性和高效性。

此外,BMS還需要設(shè)定面向用戶端的顯示,將估算的剩余電量換算成可行駛里程,同時,還需要有自動報警和故障診斷功能,方便駕駛?cè)藛T操作和處理。因此,BMS任務(wù)可歸納為:數(shù)據(jù)采集電路首先采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù),再由電子控制單元(ECU)進行數(shù)據(jù)處理和分析,然后根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)功能模塊發(fā)出控制指令,并向外界傳遞信息。

BMS包含多個處理模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、SOC估算模塊、電氣控制模塊、安全管控模塊、熱管理模塊、數(shù)據(jù)通信和顯示模塊等。BMS的主要任務(wù)、輸入信號和執(zhí)行元件見表1?1。

充電站對儲能裝置性能的要求是大容量、長壽命、快速響應(yīng)、可涓流充電,因此對BMS的要求方面有所不同,但總體功能仍與動力電池BMS類似,起到監(jiān)控電池SOC和SOH狀態(tài)、動態(tài)充/放電、智能管理和輸出控制等功能。

(4)電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　電池管理系統(tǒng)最基本的作用是進行電池組管理,還包括電線線路管理、熱(溫度)管理和電壓平衡控制。圖1?25所示為BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

① 電池組管理系統(tǒng)。管理電池的工作情況,避免出現(xiàn)過放電、過充電、過熱,對出現(xiàn)的故障應(yīng)能及時報警,以便最大限度地利用電池的存儲能力和循環(huán)壽命。包括電池組電壓測試、電池組電流測試、電池組和單節(jié)電池的溫度測試、SOC計算及顯示、電池組剩余電量顯示、車輛在線可行駛里程顯示、自動診斷系統(tǒng)和報警系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)。

② 電線線路管理系統(tǒng)。包括動力電池組分組及連接、動力電線束、手動或自動斷電器、傳感器、傳感器線束。

③ 熱(溫度)管理系統(tǒng)。包括電池組組合方式、電池組分組和支架布置、通風(fēng)管理系統(tǒng)和風(fēng)扇、溫度管理ECU及溫度傳感器、熱能的管理與應(yīng)用。

④ 電壓平衡控制系統(tǒng)。平衡各電池的充電量,能延長電池壽命,并對更換后的新電池進行容量平衡。

8.目前我國動力電池應(yīng)用狀況

(1)各類型動力電池性能比較　應(yīng)用于純電動汽車的各類型動力電池的性能比較,見表1?2。

(2)目前我國動力電池應(yīng)用狀況

① 以磷酸鐵鋰電池為主。

② 三元系鋰離子電池市場份額快速提升。磷酸鐵鋰電池在電動汽車上的應(yīng)用受限于其能量密度問題。三元鋰電池(也稱三元系鋰電池)與磷酸鐵鋰電池相比造價較高,但能量密度高,低溫性能好。三元鋰電池采用的是陶瓷隔膜,當電池內(nèi)部短路時,可隔開短路源,所以明顯提高了三元鋰電池的安全性能。全球范圍內(nèi),三元鋰電池的研發(fā)生產(chǎn)日益受到重視,材料性能得到不斷提升,應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷拓展。

表1?3列出了我國部分新能源汽車動力電池配備情況。