專業(yè)課新能源汽車概論（上海交大）新能源汽車概論項目2 動力蓄電池系統(tǒng)教課內容課件ppt

這是一份專業(yè)課新能源汽車概論（上海交大）新能源汽車概論項目2 動力蓄電池系統(tǒng)教課內容課件ppt，共60頁。PPT課件主要包含了項目二動力蓄電池系統(tǒng)，項目導讀，達成目標，動力電池及管理技術，項目2，任務導入，想一想，課堂總結，鋰離子電池的工作原理，鋰離子電池的應用等內容，歡迎下載使用。
隨著動力蓄電池技術的持續(xù)創(chuàng)新，以及碳達峰和碳中和目標的戰(zhàn)略引導，我國汽車產業(yè)電動化轉型速度加快，這在一定程度上推動了我國動力蓄電池行業(yè)的發(fā)展。 據統(tǒng)計，2022年10月，我國動力蓄電池產量為62.8 GWh，同比增長150.1%。2022年1月至10月，我國動力蓄電池累計產量為425.9 GWh，繼續(xù)保持高速增長勢頭。
（1）掌握鋰離子電池的結構和分類。（2）熟悉鋰離子電池的工作原理。（3）掌握鋰離子電池的特點和應用。（4）掌握BMS的基本功能。（5）熟悉BMS的基本結構。
（1）能夠識別動力蓄電池的基本結構。（2）能夠分析BMS的主要特性。
（1）堅定民族自豪感和文化自信。（2）強化安全意識和節(jié)能環(huán)保意識。（3）培養(yǎng)團結協作、顧全大局的團隊精神。
純電動汽車的動力蓄電池通常為鋰離子電池，主要分為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種。其中，三元鋰電池的能量密度較高，同等重量或體積下為車輛提供的續(xù)駛里程也相對較高，并且在耐低溫性能上具有一定的優(yōu)勢。磷酸鐵鋰電池能量密度較低，但安全性要高于三元鋰電池，更不容易起火。
上述兩種鋰離子電池的結構和工作原理各不相同，性能也有差異。本任務要求學生認識三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種動力蓄電池，知識與技能要求如表所示。
任務 2.1 認識動力蓄電池
鋰離子電池是一種用鋰離子作為活性物質的蓄電池。鋰離子電池的電解質一般為非水溶液。非水溶液由有機溶劑或非水無機溶劑加入無機鹽組成，其中有機溶劑主要有碳酸丙烯酯、二甲基丙酰胺、乙腈、γ-丁內酯等，非水無機溶劑主要有亞硫酰氯、液體二氧化硫等，無機鹽有高氯酸鋰、氯化鋁鋰、氟硼酸鋰、溴化鋰等。
因為鋰和水接觸會立即發(fā)生激烈反應，所以電解質不能采用水溶液，且全部材料和零部件均需要嚴格脫水并可靠密封。
如圖所示，鋰離子電池一般由正極、負極、隔膜、電解質（圖中未標出）、電池外殼、保護閥等組成
2.1.1 鋰離子電池的結構和分類
鋰離子電池中，正極材料占整個電池成本的40%以上，且在當前的技術條件下，鋰離子電池的能量密度主要取決于正極材料。鋰離子電池根據正極材料的不同，可分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等類型
對于鋰離子電池的工作原理，目前人們是用固體物理學中嵌入的概念來解釋的。這里的嵌入是指可移動的客體粒子（分子、原子、離子）可逆地嵌到具有合適尺寸的主體晶格中的網絡空格點上。鋰離子電池的正極和負極材料都是由鋰離子和電子的混合導體嵌入化合物形成的。
2.1.2 鋰離子電池的工作原理
典型的鋰離子電池體系為： （-）C|LiPF6——EC+DEC|LiCO2（+） 式中: （-） C ——石墨，為負極材料; LiPF6 ——六氟磷酸鋰，電解質; EC+DEC ——碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯混合電解液; LiCO2（+） ——鈷酸鋰，為正極材料。
如圖所示，充電時，鋰離子從正極材料晶格中脫嵌，通過電解質和隔膜嵌入到負極材料晶格中；放電時，鋰離子從負極材料晶格中脫嵌，通過電解質和隔膜嵌入到正極材料晶格中。在整個充放電過程中，鋰離子往返于正、負極之間。同時，由于隔膜的作用，電子只能通過外電路由正極移動至負極（充電時）形成充電電流，或由負極移動至正極（放電時）形成放電電流。
鋰離子電池的工作原理
在充放電過程中，鋰離子處于正極→負極→正極的循環(huán)運動狀態(tài)，反應過程中既不消耗電解質，也不產生氣體，因此鋰離子電池可以做成完全封閉的結構，從根本上解決了鋰離子電池的循環(huán)性和安全性問題。鋰離子電池的內部時刻都在發(fā)生副反應。在每次充放電循環(huán)中，任何能夠產生或消耗鋰離子（或電子）的副反應都會改變鋰離子電池的平衡狀態(tài)，并且這種改變是不可逆的。經過多次循環(huán)累積，鋰離子電池的性能將會出現衰退甚至失效。因此，通常使用鋰離子電池的充放電循環(huán)次數來表示其使用壽命。
鋰離子電池有許多顯著特點，它的優(yōu)點主要表現在以下幾個方面。
（1）工作電壓高鋰離子電池單體的工作電壓為3.2～3.8 V，是傳統(tǒng)鎳鎘電池和鎳氫電池單體工作電壓的3倍。
2.1.3 鋰離子電池的特點
（2）能量密度高鋰離子電池的能量密度可達260 Wh/kg，是傳統(tǒng)鎳鎘電池的2倍、鎳氫電池的1.5倍。
（3）循環(huán)壽命長 目前，鋰離子電池的循環(huán)壽命可達2 000次以上，在低放電深度下可達幾萬次，超過了其他幾種動力蓄電池。
（4）自放電率低 鋰離子電池的自放電率僅為6% ～8%，遠低于鎳鎘電池（25% ～30%）和鎳氫電池（15% ～20%），與鉛酸蓄電池相當。
（5）無記憶性 鋰離子電池可以根據要求隨時充電，而其充放電性能不會降低。（6）可實現快速充電
（7）對環(huán)境無污染鋰離子電池中不存在鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的有害物質，是名副其實的“綠色電池”。（8）能夠制造成任意形狀，目前以圓柱形和方形為主
鋰離子電池也有一些不足，主要表現在以下兩個方面。
（1）成本高 這主要是因為正極材料鈷的價格高，但按單位能量價格來計算，較鎳氫電池低，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池，且電解質提純困難。
（2）需要對電池單體進行過充電保護、過放電保護等，電池模組則需要與BMS配套使用。 ① 過充電將破壞鋰離子電池的正極結構而影響其性能和使用壽命，同時過充電容易使電解質分解，鋰離子電池會因內部壓力過大而出現漏液等問題，故必須在最高限壓4.2 V以下充電。② 過放電會導致活性物質恢復困難，故需要進行相應的保護。
對于不同類型的鋰離子電池，其性能也不盡相同。各類鋰離子電池的性能特點如表所示。
電池單體是一個電池系統(tǒng)的最小單元。電池單體是不能直接使用的，只有先通過嚴格篩選，將一致性好的多個電池單體按照精密設計組裝成為電池模塊，并加裝電池單體監(jiān)控與管理裝置，再將多個電池模塊組成一個電池包，并加上保護電路和保護殼，才能構成動力蓄電池
2.1.4 鋰離子電池的應用
目前，純電動汽車上應用較多的動力蓄電池是三元鋰電池和磷酸鐵鋰電。 1）三元鋰電池
三元鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰（LiNixCyMn1-x-yO2，NCM）或鎳鈷鋁酸鋰（LiNixCyAl1-x-yO2，NCA）三元復合材料作為正極材料的鋰離子電池。其中NCM三元鋰電池因同時具有鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池的優(yōu)點，應用較多。 目前，特斯拉、一汽大眾、廣汽埃安、北汽新能源、長城歐拉等多個品牌旗下的純電動汽車采用了三元鋰電池。
磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳（石墨）作為負極材料的鋰離子電池，電池單體的額定電壓為3.2 V，充電終止電壓為3.6～3.65 V，放電終止電壓為2.0 V。 充電過程中，正極磷酸鐵鋰材料中的部分鋰離子脫嵌，經電解質傳遞到負極，嵌入負極材料晶格中；同時從正極釋放出電子，自外電路到達負極，維持化學反應的平衡。放電過程中，鋰離子自負極材料晶格中脫嵌，經電解質到達正極，嵌入正極材料晶格中；同時負極釋放電子，電子自外電路到達正極，為外界供電。
磷酸鐵鋰電池的安全性能優(yōu)異，對過充電的承受力好，熱穩(wěn)定性能好，循環(huán)壽命長，并且價格低廉。但其能量密度較三元鋰電池低，且低溫性能差，充放電倍率低，在純電動汽車長續(xù)航和快速充電需求不斷提升的背景下，其應用受到一定的限制。 目前，國內生產的特斯拉標準續(xù)航版Mdel 3、Mdel Y純電動汽車均已使用磷酸鐵鋰電池。小鵬G3、P7純電動汽車也推出了搭載磷酸鐵鋰電池的車型。紅旗E-QH5、比亞迪元PLUS EV、上汽奧迪Q5 e-trn等多款新車型也將搭載磷酸鐵鋰電池。
新能源汽車用動力蓄電池除上述鋰離子電池外，還包括超級電容、飛輪電池、鈉離子電池等類型。其中的鈉離子電池在能量密度方面較磷酸鐵鋰電池的略低，但在低溫性能和快速充電方面具有明顯的優(yōu)勢，特別適用于高寒地區(qū)的高功率應用場景。
任務2.1 認識純電動汽車
鋰離子電池的結構和分類
簡述三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的優(yōu)缺點。
BMS通常包括檢測模塊與運算控制模塊兩大功能模塊。其中檢測模塊主要負責測量電池模組的電壓、電流、溫度及電池單體的電壓，運算控制模塊則根據這些信號進行狀態(tài)估算并發(fā)出指令。因此，運算控制模塊是BMS的大腦，而狀態(tài)估算是BMS的核心功能。
BMS可以提升動力蓄電池的性能，這主要體現在動力蓄電池的安全性、使用壽命和可用電量三個方面。本任務要求學生從BMS的基本功能和結構兩方面認識BMS，并分析BMS的特性，知識與技能要求如表所示。
不同生產廠家和型號的BMS，其性能也不盡相同，但一般都具有以下基本功能。1. 信息采集
1）基本信息的采集 由于多種原因，在動力蓄電池中個別電池單體會出現性能改變的現象，使動力蓄電池在充電時不能充足電，在放電時很快便將電能放盡，這就要求BMS采集各個電池單體的電壓、電流，掌握電池單體的具體狀態(tài)。此外，BMS還需要采集動力蓄電池的總電壓、總電流、溫度等信息。動力蓄電池的這些基本信息是BMS所有頂層計算、控制邏輯的基礎。
任務 2.2 分析 BMS 的特性
2.2.1 BMS 的基本功能
2）絕緣檢測 各個電池單體之間，各個電池模塊之間，以及電池模組與高壓接口之間，都要用電纜連接，這些電纜應可靠絕緣。因此，BMS需要對整個動力蓄電池系統(tǒng)進行絕緣檢測，以免發(fā)生漏電、短路等故障。
3）高壓系統(tǒng)的完整性檢測 動力蓄電池系統(tǒng)一般裝有自動斷電器。BMS需要對整個高壓系統(tǒng)的完整性進行確認，當發(fā)現高壓系統(tǒng)受到破壞時，會控制自動斷電器切斷動力蓄電池的高壓電路。
當車輛發(fā)生碰撞或傾覆時，BMS應能立即切斷動力蓄電池的高壓電路，防止高壓電引起火災和觸電事故；并防止電解液泄漏，以保證人身安全。有些車型可以利用安全氣囊的動作來觸發(fā)BMS，使其控制自動斷電器切斷動力蓄電池高壓電路。
BMS根據采集的信息，采用相應的算法，對動力蓄電池的溫度、荷電狀態(tài)（state f charge，SOC）、健康狀態(tài)（state f health，SOH）、能量狀態(tài)（state f energy，SOE）、功能狀態(tài)（state f functin，SOF）、安全狀態(tài)（state f safety，SOS）等進行估算。其中，動力蓄電池的溫度估算是其他狀態(tài)估算的基礎，SOC估算受到SOH估算結果的影響，SOF是由SOC、SOH、SOS及動力蓄電池的溫度共同決定的，SOE則與SOC、SOH、動力蓄電池的溫度及未來工況有關。
溫度對動力蓄電池的性能影響較大，目前BMS一般只能測量電池模組的表面溫度，而電池模組的內部溫度則需要使用熱力學模型進行估算。SOC、SOH、SOE都是動力蓄電池的隱性狀態(tài)，不能由測量設備直接獲取，需要BMS來估算。SOF、SOS需要根據對動力蓄電池系統(tǒng)及高壓系統(tǒng)檢測所得到的數據，依據相應標準判斷得出。
SOC表示動力蓄電池當前的剩余容量與其充滿電狀態(tài)的容量的比值，常用百分數表示。 SOC設計有針對動力蓄電池的SOC估算觀測器，可將BMS測得的電壓值和電流值作為觀測器的輸入值，結合雙自適應衰減擴展卡爾曼濾波等算法，估算出動力蓄電池的SOC。 SOH 表示當前動力電池相對于新動力電池存儲電能的能力，以百分比的形式表示動力電池從壽命開始到壽命結束期間所處的狀態(tài)，用來定量描述當前動力電池的性能狀態(tài)。 SOH是BMS中最重要的參數之一，精確掌握動力蓄電池的SOH可以為動力蓄電池系統(tǒng)的檢測與故障診斷提供依據，有助于及時了解動力蓄電池各個電池單體的性能狀態(tài)，及時更換老化的電池單體，提高動力蓄電池的整體壽命，進一步提高純電動汽車的動力性能
SOE表示當前條件下動力蓄電池可釋放的能量與最大可用能量的比值，是反映動力蓄電池能量使用情況的重要指標。SOE的估算方法不同于SOC，它不僅受動力蓄電池負載電流的影響，還和動力蓄電池端電壓相關。在動力蓄電池的使用過程中，當動力蓄電池的溫度和充放電倍率發(fā)生變化時，動力蓄電池的放電率會隨之改變，并影響動力蓄電池的SOE。 對純電動汽車而言，SOF可以被定義為在某一特定時刻，動力蓄電池能夠提供給驅動電機等各種電氣設備的功率，也可以簡單地認為SOF是SOC及溫度的函數。實際上，對很多純電動汽車的動力蓄電池系統(tǒng)來說，BMS不僅要估算特定時刻動力蓄電池對外輸出的功率，還要提供動力蓄電池允許充電的最大功率。
故障診斷是BMS的重要功能，包括故障檢測、故障類型判斷、故障定位、故障信息輸出等環(huán)節(jié)。 BMS可通過采集到的傳感器信號，采用診斷算法診斷動力蓄電池系統(tǒng)的故障類型，并進行早期預警。當動力蓄電池工作時，BMS可以對其進行故障診斷，實時掌握動力蓄電池的各種狀態(tài)；在非工作狀態(tài)下，BMS也能將故障信息定位到動力蓄電池的各個部分（包括電池單體）。 BMS根據故障的嚴重程度將動力蓄電池的故障等級歸納為盡快維修、立即維修和電池壽命警告三級，并將相應的故障信息傳遞到組合儀表以警示駕駛員，從而保證動力蓄電池不被過分使用。
動力蓄電池系統(tǒng)常見的故障有動力蓄電池自身故障，高壓系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)的傳感器故障，繼電器、風扇、泵、加熱器等執(zhí)行器故障，網絡故障，以及各種控制器軟硬件故障等。其中，動力蓄電池自身故障包括過電壓（過充電）、欠電壓（過放電）、過電流、超高溫、內部短路、接頭松動、電解液泄漏、絕緣性能降低等。
均衡控制是BMS根據電池單體信息，采用主動或被動、耗散或非耗散等均衡方式，盡可能地使動力蓄電池各電池單體的容量保持一致。 動力蓄電池中各電池單體之間的不一致性在其整個生命周期里都不可避免。如不采取措施，電池單體在充放電過程中的不一致性會導致某些電池單體由于過充電、過放電而提前失效。因此，必須對動力蓄電池中的電池單體進行均衡控制，將各個電池單體充放電性能的惡化程度降至最小或使其消失。
為消除電池單體的不一致性帶來的嚴重影響，近年來，研究者們采用了各種各樣的方法對動力蓄電池進行均衡管理，目前主要使用的方法有以下：兩種。
1）分流法 在充電時，當某個電池單體的充電電壓超過設定值時，可通過并聯在該電池單體上的電阻對該電池單體的電流進行分流，從而達到降低該電池單體充電電壓的目的。
2）切斷法 在充電時，當某個電池單體的充電電壓超過設定值時，可用自動控制開關切斷該電池單體的電路，同時閉合旁路開關，電流繞過該電池單體，繼續(xù)對下一個電池單體充電。切斷法所需的開關個數是電池單體個數的兩倍。
鋰離子電池適宜的工作溫度為15～35℃，而純電動汽車的實際工作溫度為-30～50℃，因此必須對動力蓄電池系統(tǒng)進行熱管理，在低溫時對其進行加熱，在高溫時對其進行冷卻，以充分發(fā)揮動力蓄電池的性能。
動力蓄電池在工作時會產生較高的溫度，理想狀態(tài)是將其產生的熱量充分用于取暖和擋風玻璃除霜等，使熱量得到合理利用，但實際上新能源汽車的結構設計決定了人們很難利用這部分熱能或利用起來并不經濟。因此，通過技術創(chuàng)新實現對這部分熱能的有效利用，將是降低整車能量消耗的研究方向之一。
BMS中一般設有充電管理模塊，它能夠根據動力蓄電池的特性、溫度的高低及車載充電機的功率等級，控制車載充電機給動力蓄電池進行安全充電。
BMS能與VCU等網絡節(jié)點進行通信；同時，BMS還可以在不拆卸電池箱的情況下，進行在線參數標定、狀態(tài)監(jiān)控、代碼自動生成、程序下載（程序更新而不拆卸產品）等。通常，車載網絡均采用CAN總線。
BMS在診斷到故障后，可通過車載網絡通知VCU，并要求VCU進行有效處理（超過一定閾值時BMS也可以自動切斷高壓電路），以防止高溫、低溫、過充電、過放電、過電流、漏電等對車輛和人員造成損害。
BMS可用于存儲關鍵數據，如SOC、SOH、SOE、SOF、累積充放電安時數、故障碼和一致性狀態(tài)等。
純電動汽車的使用環(huán)境有時會比較惡劣，因此BMS通常具有良好的抗電磁干擾能力；同時BMS對外輻射很小，可與純電動汽車的其他系統(tǒng)更好地兼容。
具有幾十個電池單體的動力蓄電池系統(tǒng)可能只有一個BMS控制器，或者將BMS的功能集成到VCU中。具有數百個電池單體的動力蓄電池系統(tǒng)，其BMS可能有一個主控制器和多個僅管理一個電池模塊的從控制器。每個具有數十個電池單體的電池模塊會配置一些繼電器和均衡裝置。從控制器負責管理電池模塊，控制繼電器，均衡電池單體并與主控制器通信。主控制器根據各從控制器所報告的數據執(zhí)行電池狀態(tài)估算、故障診斷、熱管理等功能。
BMS可分為集中式和分布式兩種結構形式。
（1）集中式結構 是將所有的電氣元件都集中到一塊控制板上，以保證采樣芯片具有較高的通道利用率，采樣芯片與主芯片之間可以采用菊花鏈通信，電路設計相對簡單，產品成本較低，但所有的采集線束都會連接到控制板上，對BMS的安全性要求較高，并且菊花鏈通信的穩(wěn)定性相對較差。這種結構形式比較適合動力蓄電池容量較小、形式相對固定的場合。
2.2.2 BMS 的結構
（2）分布式結構 一般由主控制板和從控制板組成。這種結構形式可以是一個電池模塊配備一個從控制板，如果電池模塊的電池單體數量少于12個，就會造成采樣通道的浪費（采樣芯片一般有12個通道）；也可以用2～3個從控制板控制所有的電池模塊，這樣一塊從控制板中會有多個采樣芯片，通道利用率較高、成本較低、系統(tǒng)配置靈活，可適應不同容量、不同規(guī)格的動力蓄電池。
下面以某型號BMS為例，其結構如圖2-3所示。在1個電池模塊內裝有1個采集單元和1個均衡單元。若干個采集單元、若干個均衡單元、1個主控單元、1個顯示單元和CAN總線組成一套完整的系統(tǒng)。
1.采集單元 采集單元（見圖2-4）安裝在電池模塊內。每個采集單元最多可測量19個電池單體的端電壓，還可掛接6路溫度測量電路和1路風扇控制電路。
1.采集單元 采集單元的主要技術參數如表所示。
采集單元的主要技術參數
2.均衡單元 當電池單體的不一致性超過規(guī)定值時，均衡單元在充電電流小于一定值后，可自動對電池單體進行均衡控制。 3.主控單元
主控單元（見圖2-5）負責對電池模組的總電壓、總電流進行檢測，并通過CAN總線與采集單元、均衡單元、顯示單元（或車載儀表系統(tǒng)）、車載充電機等通信。
3.主控單元 主控單元的主要技術參數如表所示。
主控單元的主要技術參數
4.顯示單元 顯示單元用于驅動顯示屏來顯示動力蓄電池的各種狀態(tài)信息，并負責存儲相關數據，如圖所示。
4.顯示單元 顯示單元的主要技術參數如表所示。
顯示單元的主要技術參數
任務2.2 分析電池管理系統(tǒng)的特性
（1）簡述BMS的基本功能。（2）簡述BMS狀態(tài)估算的內容。（3）簡述BMS的基本結構。