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    一文看懂動力電池的基礎知識

    新能源汽車三大(電池、電機、電控)核心技術,對主機廠工程師而言,動力電池知識是必須要知道的。但是目前許多工程師對動力電池知識了解甚少,主要原因是,動力電池是電化學領域的,而汽車學院的沒有這個課程。下面做一些簡要介紹,但大家參考。

    一、電池是什么?其功能是什么?

    先說水池吧。水杯、水桶、水缸、水池、這里的杯、桶、池、塘,有一個共同的特點,其基本功能是裝水的,不同是容積大小不一樣。水是液體,有一個基本屬性,水是能高處流向低地處的?;境WR是,

    人們可能沒有思考,水池原來是空的,水池的水是人倒進去的,在水水池的低處鉆一個孔,一池子水最后會放干的。這個過程里有什么科學道理?

    a)空水池,空的容積才能盛水;

    b)水自己進不了水池里,是人倒進去的;

    c)有水壓的存在,水才會從高處往地處流動的。

    同理,電池是盛“電”的容積,電池里面原來也是“空”的,是沒有電的,電是人充進去的,電池能放電,是因為電池里面有電壓差。

    水池是物理學原理,是裝的液體,水是分子結構的;電池是電化學學原理,是裝的帶“電”的,是比分子更小的離子。

    二、干電池的基本常識

    大家常見在體收音機、收錄機、照相機、電子鐘、玩具等電池,歸類為干電池。在干電池里面的電解質是一種不能流動的糊狀物,才叫做干電池(見圖1),這是相對于具有可流動電解質的電池說的。

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    圖1 干電池外形及內部結構

    其外殼是用鋅做成的圓筒型容器,鋅筒中央立著一根碳棒,碳棒頂端固定著一個銅帽。碳棒和鋅筒叫做干電池的電極。聚集正電荷的碳棒叫正極,(符號+, 表示電池的正極),聚集負電荷的鋅筒叫負極(符號-,表示電池的負極)。

    放電的基本原理:碳極周圍填滿了二氧化鎂,鋅電極組成了干電池的外殼,碳電極則放在中心。電子是有電子化了的鋅金屬(氧化作用)所給出,流進外部的電路到達炭電極??拷茧姌O的二氧化鎂得到電子(還原作用)生成氫氧離子,并形成了新的化合物叫做氧化鎂。氧化反應把電池負極的電子推出去,而還原反應則在正極吸收它們。干電池對用戶而言不具再次充電特性,是一次性使用電池。

    二、動力電池必須是可充電池

    (1)干電池與目前的動力電池最大區別是:

    a)干電池電解質是一種不能流動的糊狀物,不具再次充電特性;

    b)動力電池是電解質鋰離子能在其中能流動的電解液,可以上千次充電;

    (2)干電池與目前的動力電池的基本相同點:

    a)有正極、有負極、有外殼、是電化學反應;

    b)干電池與動力電池在單體上,物理特性基本相同,有圓柱、方形的。

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    圖2 動力電池圓形和方形

    三、動力電池包是什么意思?為什么要一節一節串聯(并聯)后做成電池包

    對主機廠家工程師而言,燃油汽車上是一個油箱,它是一個液體容積。但是看到電動汽車上是一個又一個動力電池包,打開電池包里面,有許多數不清的一節一節的電池。能不能把動力電池直接做成一個大的電池包呢?

    手電筒里一般裝了2節干電池,有的裝3節,還有5節的。干電池規格有1號、2號、5號的。動力電池開始把一節電池,叫做單體、把一組并聯起來叫做模組,把模組串聯起來,叫電池包,把電池包串聯起來叫做電池系統。

    單體(或者叫單節)是電池產品的最小單位。能不能把電體電池做得很大。比如把3節干電池,做成一節放到手電筒里。實際上做不到,這是電化學電池原理的不足。干電池一節只能做1.5V,人們要3V的電源,必須是2節干電池串聯。單節的容量也不能做很到,人們要容量很大的電源,必須要將單個電池并聯起來。

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    圖3 動力電池包內部結構

    車載動力電源一般在300V、200A以上,目前的基本方法是單體電池并聯起來成模組,模組電池串聯起來成電池包,電池包串聯起來成電源系統。

    四、電池管理系統(BMS)是什么,其功能是什么?

    12米電動公交車一般要6-8個電池包,每一個電池包里通過并聯(串聯)有上成白上千單體??梢韵胂?,眾多的、有一定差異的單體電池組織的電池系統,如何協調有序開展工作?很簡單,有組織,必然有管理,與產生電池管理系統。

    單體電池是物,當然管理電池工作的一定也“物”,而不是人。這個物自然是計算機管理系統。歸結起來,電池管理系統(BMS)是運用計算機技術的智能管理系統。

    鋰離子動力電池工作過程:

    在充放電的過程中,鋰離子通過電解液穿過隔膜不停的在正負兩極之間來回搬家。鋰離子回搬家的數量,多了少了都不行,必須要進行控制,控制的好,就可以反復充電下去而不減少容量,否則就會讓電池容量產生永久性的下降,甚至爆炸。

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    圖4電池管理系統(BMS)管理對象及內容

    電池管理系統與電動汽車的動力電池緊密結合在一起,電池進行管理的系統,通常具有量測電池電壓的功能,防止或避免電池過放電、過充電、過溫等異常狀況出現等。其基本功能:

    通過傳感器對電池的電壓、電流、溫度進行實時檢測,同時還進行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒,計算剩余容量(SOC)、放電功率,報告電池劣化程度(SOH)和剩余容量(SOC)狀態,還根據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總線接口與車載總控制器、電機控制器、能量控制系統、車載顯示系統等進行實時通信。

    五、電池管理系統重要的三個子系統基本功能

    (1)SOC估計功能

    精確估算SOC數值變是非常重要的,其算法是相關企業的核心競爭力之一。SOC的估算精度高,對于相同量的電池,可以有更高的續航里程。所以,高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。SOC是依據監測的外部特性信息計算出來的傳輸信息。SOC告知車主當前電量的同時,也讓汽車了解自身電量,防止過充過放,提高均衡一致性,提高輸出功率減少額外冗余。系統底層內部都是經過復雜的算法計算,保證汽車安全持續穩定運行,提高安全性。

    (2)熱管理功能

    熱管理主要包括確定電池最優工作溫度范圍、電池熱場計算及溫度預測、傳熱介質選擇、熱管理系統散熱結構設計和風機預測穩點的選擇。確保電池工作在適當的溫度范圍內和降低各個電池模塊之間的溫度差異。

    (3)均衡控制功能

    均衡控制分為主動均衡與被動均衡。

    主動均衡是對電池組在充電、放電或者放置過程中,電池單體之間產生的容量或電壓差異性進行均衡,來消除電池內部產生的各種不一致性。

    均衡方式主要以被動均衡為主,采用單體電池并聯分流能耗電阻的方式,且只能在充電過程中做均衡工作。其工作原理是通過對電壓的采集,發現串聯單體電池之間的差異,以設定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準,任何一只單體電池只要在充電時最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內電池差異時,即對電池組內單體電壓最高的那只電池,通過并聯在單體電池的能耗電阻進行放電電流,以此類推,一直到電壓最低的那只單體電池到達“上限閾值電壓”為一個平衡周期。


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