新能源汽车——动力电池

一、动力电池的基本参数

（1）电压

端电压：动力电池正极和负极之间的电位差。

开路电压：动力电池在没有负载情况下的端电压。

负载电压：动力电池接上负载后处于放电状态下的电压，又称为工作电压。

终止电压：电池充、放电结束时的电压称，分为充电终止电压和放电终止电压。

充电终止电压/放电终止电压：电池充、放电结束时都有一个电压极限值。

（2） 容量

 容量：指电池在一定的放电条件下所能放出的电量，用符号 C 表示，单位常用 A·h 或 mA·h 表示。

理论容量：假定电池中的活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。（电池容量的最大极限值）

额定容量：也叫作标称容量，是指按国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件（如温度、放电率和终止电压等）下应该放出的最低限度的容量。

 （3）内阻

电池内阻：电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低。

注： 由于电池内阻的作用，电池在放电时的端电压低于电动势和开路电压，在充电时的端电压高于电动势和开路电压

（4）能量与能量密度

能量是指电池在一定放电制度下所能释放出的电能，单位常用 W · h 表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。

能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，相应地称为质量能量密度（W · h/kg ）或体积能量密度（ W · h/L ），也称为质量比能量或体积比能量。

注： 电池的质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能量影响到电池的布置空间。

（5）功率与功率密度

功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为 W 或 kW 。

功率密度又称作比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg 或 W/L 。

注：比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

 （6）荷电状态

荷电状态（ SOC ）描述了电池的剩余电量，其值为电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示，SOC 的取值为 0 ≤ SOC ≤ 100%。

（7） 放电深度

放电深度（ DOD ）是放电容量与额定容量之比的百分数，与 SOC 之间存在如下数学计算关系：

DOD=100% - SOC

（8） 循环使用寿命

循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一个循环，按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值（一般规定为额定值的 80% ）以前，电池经历的充、放电循环总次数。

注：循环使用寿命是评价电池寿命性能的一项重要指标。

（9） 自放电率

自放电率是指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度，用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。

（10） 输出效率

电池的输出效率通常用容量效率和能量效率来表示。

电池的容量效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比。

电池的能量效率指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。

注：

通常，电池的能量效率为 55% ～ 85% ，容量效率为 65% ～ 95% 。

对电动汽车而言，能量效率是比容量效率更重要的一个评价指标。

（11） 抗滥用能力

抗滥用能力是指电池对短路、过充电、过放电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度。

（12）成本

电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关。

电池成本一般以电池单位容量或能量的成本来表示，单位为元/（A·h）或元/（kW·h）。

（13）放电制度 

放电制度是电池在放电时所规定的各种条件，主要包括放电速率（电流）、终止电压和温度等。

（1）放电电流

放电电流是指电池在放电时电流的大小。

介绍电池的容量或能量时，必须说明放电电流的大小，指出放电的条件。

放电电流通常用放电率表示，放电率是指电池在放电时的速率，有时率和倍率两种表示形式。

时率：是以放电时间（h）表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的时间（h），常用 C / n 来表示。

倍率：指电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值。

充放电倍率：

1C:1小时内充满/放完；

2C:0.5小时内充满/放完;

3C:1/3小时内充满/放完;

3 倍率（3C ）放电，其表示放电电流的数值是额定容量数值的 3 倍。若电池的容量为 15A · h ，那么放电电流应为 3×15=45A 。

注：

放电率所表示的时间越短，所用的放电电流越大；

放电率所表示的时间越长，所用的放电电流越小。

放电电流的大小直接影响电池的各项性能指标

（2）放电终止电压

电池在放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压，其值与电池材料直接相关，并受到电池结构、放电率和环境温度等多种因素影响。

二、动力电池类型

（1） 锂离子动力电池

锂离子电池根据正极材料的不同分为:

A.钴酸锂锂离子电池(LiCoO 2)

LiCoO 2 具有良好的可逆性和循环充放性能。尽管 LiCoO 2 具有放电电压高、性能稳定、易于合成等优点，但钴资源稀少，价格较高，并且有毒，污染环境，目前主要应用在手机和笔记本 等中、小容量消费类电子产品中。

B.镍酸锂锂离子电池(LiNiO2正极材料)

LiNiO 2 镍与钴 的性质非常相近，而价格却比钴低很多，并且对环境污染较小

C.锰酸锂锂离子电池(LiMn 2 O 4)

LiMn2O4 的主要缺点是电极的循环容量容易迅速衰减

(正八面体空隙发生变化产生四方畸变;锰易溶解于电解液中而造成流失;电极极化引起内阻增大)

D.磷酸铁锂锂离子电池(LiFePO 4)

LiFePO 4 实际最大放电容量可高达 165mA · h/g ，接近其理论容量，工作电压为 3.2V 左右

原材料来源广泛、价格低廉、无环境污染、比容量高等优点

E.钛酸锂锂离子电池

具有非常好的耐过充、过放特征，在充、放电过程中，晶体结构几乎无变化（零应变材料），循环寿命长，充、放电效率近 100%

由于钛酸锂锂离子电池可以承受较大的充、放电电流，目前主要应用在电动公交车快速充电领域。

F.三元材料锂离子电池

Ni 、 Co 、 Mn 组成比例的变化，材料的比容量和安全性等诸多性能能够在一定程度上实现可调控.

根据所用电解质材料不同分为:

A.液态锂离子电池（LIB ）

B.聚合物锂离子电池（LIP ）

锂离子电池优点:

A.工作电压高

钴酸锂锂离子电池的工作电压为 3.6V

锰酸锂锂离子电池 的工作电压为 3.7V

磷酸铁锂锂离子电池的工作电压为 3.2V

镍氢、镍镉电池 的工作电压仅为 1.2V 。

B.比能量高

锂离子电池正极材料的理论比能量可达 200W · h/kg 以上

C.循环寿命长

锂离子电池在深度放电的情况下，循环次数可达 1000次以上；在低放电深度条件下，循环次数可达上万次

D.自放电小

锂离子电池月自放电率仅为总电容量的 5% ～ 9%

E. 环保性高

 超级电容：

超级电容器是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的储能装置。传统电容器由电极和电解质构成，通过电极间的电解质在电场作用下产生极化效应而储存能量，而超级电容则不存在介质，依靠电解质与电极接触界面上形成的特有双层结构储存能量。

超级电容器的比功率是电池的 10 倍以上，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充、放电速度快、循环寿命长、使用温度范围宽、无污染等特点。

超级电容器主要应用在混合动力电动汽车上

 三、动力电池管理系统

BMS 的主要目的是测量电池状态、延长电池的使用寿命。电池管理系统的模块功能可以分为测量功能、状态估算功能、辅助系统功能、通信与故障诊断。

测量功能

（1）测量功能

基本信息测量：电池电压、电流信号的监测，电池包温度的检测

A.单体电压测量和电压监控

用来累加获取整个系统电压;

根据单体电压压差来判断单体之间的差异性;

用来检测单体的运行状态

B.电池包电压测量

计算 SOC :通常会使用电池组的总电压来进行核算，是计算电池包参数的重要参量之一

C.电池温度检测

D. 电池包流体温度检测

E.电流测量

 （2）绝缘电阻检测

需要对整个电池系统和高压系统进行绝缘检测，依靠电桥测量总线正极和负极对地线的绝缘电阻。

（3）高压互锁检测（ HVIL ）

高压互锁检测的目的是确认整个高压系统的完整性，当高压系统回路断开或者完整性受到破坏的时候，需要启动安全措施。

HVIL 源有 3 种不同的方式： 5V、 12V 和 PWM 波。

HVIL 需要整个系统构成，主要通过连接器的低压连接回路完成，电池管理单元一般需要提供电路的检测回路。

 状态估计：

（1）SOC 和 SOH 估计

常见的SOC 估计方法：

A.安时积分法（缺点是随着时间的推移误差会越来越大 ）

B.开路电压法（只有静置很长时间以后的开路电压所对应的 SOC 才是准确；汽车行驶过程中的电压数据所标定出的 SOC 值是不准确的 ）

（2）均衡

通过在电池包内各个电池单体之间设置均衡电路实施均衡控制，能够使各个单体电池充、放电的情况尽量一致，从而提高整体电池组的工作性能。

辅助系统功能

（1）继电器控制

电池包内通常包含多个继电器，电池管理系统需要完成 对继电器的驱动供给和状态检测。

电池包内继电器一般有主正、主负、预充继电器和充电继电器

（2）充电控制

在国标系统中，电池管理系统被要求直接与外部建立通信，交互充电过程中的信息。

（3） 安全管理

安全管理主要是监视电池的电压、电流和温度是否超过正常的使用范围，保证电池的正常运行。

通信与故障诊断

（1）通信

电池管理系统需要给整车控制器发送电池系统的相关信息；

直流充电的系统之中，在国标系统中需要直接与外部直流充电桩进行通信；

备份的诊断和刷新的通信线，用来在主通信失效的情况下做数据传输。

（2） 故障诊断和容错控制

电池管理系统的故障需要用故障码（DTC ）来进行报警；

故障诊断包括对电池单体及电池包电压、电流、温度测量电路的故障进行诊断，确定故障位置和故障级别，并做出相应的容错控制。

 四、动力电池的使用寿命

影响动力电池单体寿命的因素主要包括充电截止电压，放电深度，充、放电倍率，环境温度，存储条件，电池维护过程，电流波纹以及过充电量和过充频度等。

（1）放电深度

深度放电会加速动力电池的衰退

（2）充、放电倍率

动力电池单体的充、放电倍率是其在使用工况下最直接的特征参数，其大小直接影响着动力电池单体的衰退速度。充、放电倍率越高，动力电池单体的容量衰退越快。

五、动力电池充电

（1）锂离子电池的充电

A.第一阶段为恒流限压

一般采用电流范围为 0.2～0.3C

B.第二阶段为恒压限流 

第一阶段：恒流  充电速度比较快  20~95%     时间比较短

第二阶段：恒压  充电速度比较慢  95~100%    时间比较长 小电流充电保证每一个单体电压能充满

（2）充电方法

A.恒流充电

通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方式使充电电流强度保持不变的充电方法。

按照其充电电流的大小，恒流充电法可以分为涓流充电、标准恒流充电和分段恒流充电。

涓流充电主要是指采用一定充电倍率（ < 0.1C ）的恒流充电模式。

标准恒流充电模式与涓流充电模式相同，只是充电倍率比较大，一般都在 0.2～ 1 C 之间。

B.恒压充电

在整个充电过程中，将恒定的电压值保持不变施加到电池两端，在充电过程中，端电压保持不变，电流逐渐减小，最终减小到设定的电流值，标志着充电过程的结束。

C.快速充电

1）脉冲式充电法

用脉冲电流对电池充电，然后让电池停充一段时间，再用脉冲电流对电池充电，如此循环。

2）Reflex快速充电法——充电对象是镍镉电池

3）变电流间歇充电法

在恒流充电和脉冲充电的基础，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。

充 电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。

充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电池恢复至完全充电状态。

4）变电压间歇充电法

变电压间歇充电法与变电流间歇充电法不同之处在于第一阶段不是间歇恒流，而是间歇恒压。

六、充电机

充电机是电网与电动汽车之间的能量与信息通道，动力电池在充电过程中的能量交互以及信息交互都通过充电机完成。

整车充电方式可以分为交流慢充和直流快充。

交流慢充又称普通充电，是指采用小功率交流电流对动力电池进行慢速充电，消耗时间较长。

直流快充指的是使用大功率直流对动力电池进行快速充电。

 （1）传导式充电

传导式充电又名接触式充电，工作原理是通过插头与插座的金属接触来导电。

（2）无线式充电

无线式充电又称为非接触式充电，充电装置和汽车接收装置类似于可分离的高频变压器，通过感应耦合。

A.电磁感应方式

通过送电绕组和接收绕组之间的电磁感应传递能量。

B.磁耦合谐振方式

主要由电源、谐振补偿电路、高频逆变器、耦合器和整流器组成，工作原理类似于电磁感应方式。

 充电机

车载充电机系统由主控 MCU 、 EMI 、整流滤波、 PFC 、全桥逆变、高频变压、BMS 、人机交互等部分构成。