新能源汽车电池板块培训ppt课件.pptx

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1、新能源汽车电池板块培训课件,POWERPOINT,指采用非常规车用燃料作为动力来源（或使用常规车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。,新能源汽车概念,纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（油气混合、油电混合）、燃料电池电动汽车（FCEV）、燃气汽车（液化天然气、压缩天然气）、液化石油气汽车、氢能源动力汽车、太阳能汽车和其他新能源（如高效储能器）汽车等。,新能源汽车类型,电池技术、电机技术、电控技术。,新能源汽车的关键技术,铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、其他动力电池。,新能源汽车的电池种类,

2、新能源汽车简单介绍,前言,Introduction,内燃机汽车的心脏是动力系统，但是新能源车的心脏则是电池系统，因为电池系统的优劣直接关系到车的行驶里程、使用便利性等等情况，而目前新能源动力车型最大的技术瓶颈也恰恰限制在了电池系统上，比如充电时间、充电效率、能量密度以及体积、材质、安全或者质量等等。,目录,PAGE DIRECTORY,电池的分类,主流动力电池介绍,成功项目展示,TRANSITION,过渡页 TRANSITION PAGE,01,第一部份,动力电池的定义 动力电池的工作原理及性能参数 动力电池的分类,Power battery,了解动力电池,动力电池的定义,动力电池即为工具提供

3、动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。,1、动力电池的定义,电池正极P和负极N都浸在电解液E中。放电时，负极发生氧化反应向外电路释放电子，正极发生还原反应，从外电路得到电子。充电时，过程正好相反，负极得到电子发生还原反应，正极失去电子发生氧化反应。,2、电池的工作原理及性能参数,8,电压,容量,能量,标称电压：电池刚出厂时，正负极之间的电势差。取决于极板材料

4、的电极电位和内部电解液的溶度。充电限制电压：充电过程中由恒流变为恒压充电的电压。放电截止电压：电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压，也是蓄电池放电时允许的最低电压。,电池容量（Ah）：电池容量是指电池所能够储存的电量的多少。电池容量（Ah）=电流（A）放电时间（h）,电池能量（Wh）：电池储存的能量的多少。电池能量（Wh）=额定电压（V）工作电流（A）工作时间（h）能量密度（Wh/Kg）：单位体积或者单位质量所释放的能量,9,放电倍率,循环寿命,成本,放电倍率（C）：放电倍率是指规定时间内放出其额定容量（Ah）时所需的电流值，表示放电快慢的量度，C值比较高的电池，内阻一般较低。充放电倍率（

5、C）=充放电电流（I）/额定容量（Ah）,循环寿命（次）：二次电池经历一次充放电称为一个周期或者一个循环，电池反复充放电后，容量会逐渐下降。在一定的放电条件下，电池容量降至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。,成本：电池的成本是与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量的电池成本较高，使得电动汽车的造价也较高，开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。,10,物理电池,化学电池,生物电池,电池的分类,利用光、热、物理吸附等物理能量发电，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。,利用生物化学反应发电，如微生物电池、酶电池、生物太阳能电池等。,3、动力电池的

6、分类,化学电池,化 学 电 池 的 分 类,一次电池/原电池,锌锰干电池 ZnNH4ClZnCl2MnO2(C)锌汞电池 ZnKOHHgO 银锌电池 ZnKOHAg2O,二次电池/蓄电池,铅酸电池 PbH2SO4PbO2。镍镉电池 CdKOHNiOOH镍氢电池 H2KOHNiOOH锂离子电池 LiCoO2有机溶剂6C。锌空气电池 ZnKOHO2(空气)。,储备电池/激活电池,镁银电池 MgMgCl2AgCl钙热电池 CaLiCl-KClCaCrO4(Ni)。铅高氯酸电池 PbHclO4PbO2。,燃料电池/连续电池,氢燃料电池 H2KOHO2。肼空燃料电池 N2H4KOHO2(空气),TRAN

7、SITION,过渡页 TRANSITION PAGE,02,第二部份,主流动力电池介绍,The mainstream power battery is introduced,铅酸蓄电池 镍氢电池 锂离子电池 燃料电池,主流新能源汽车电池一览,比亚迪E6：磷酸铁锂电池,北汽E150：鎳鈷锰与磷酸铁铝电池混合,特斯拉MODEL S：鎳鈷铝三元电池,一汽奔腾B70：氢燃料电池,新能源汽车常用动力电池,01,02,03,04,铅酸蓄电池,锂离子电池,镍氢电池,燃料电池,构造及工作原理,PbSO4+2H2O+PbSO4-PbO2+2 H2SO4+Pb(充电反应)阳极：PbSO4+2H2O 2e=PbO2

8、+4H+SO42阴极：PbSO4+2e=Pb+SO42,PbO2+2H2SO4+Pb-PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)负极：Pb+SO42 2e=PbSO4正极：PbO2+4H+SO42+2e=PbSO4+2H2O,1、铅酸蓄电池轻度混合动力车使用,1）除锂离子电池外，在常用蓄电池中，铅酸蓄电池的电压最高，为2.0V；2）价格低廉；3）可制成小至1Ah大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池；4）高倍率放电性能良好，可用于引擎启动；5）高低温性能良好，可在-4060条件下工作；6）电能效率高达60%；7）易于浮充使用，没有“记忆”效应；,1）比能量低，在电动汽车中所占的质量和体积比较大

9、，一次充电行驶里程短；2）使用寿命短；3）充电时间长；4）铅是重金属，存在污染。,铅酸蓄电池的特点,缺点,M+Ni(OH)2 MH+NiOOH(充电反应)阳极：Ni(OH)2+OH-e-NiOOH+H2O 阴极：M+H2O+e-MH+OH-,MH+NiOOH M+Ni(OH)2(放电反应)负极：MH+OH-e-M+H2O 正极：NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,构造及工作原理,2、镍氢电池运用电动汽车,镍氢电池的特点,能耐过充过放。,4,无污染。镍氢电池不含铅、镉等对人体有害的金属。,3,比功率高。目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350W/kg。,1,循环次数多。目前电动车镍氢

10、动力电池，80%放电深度可循环1000次以上，是铅酸蓄电池的3倍以上。,2,使用温度范围宽。正常使用温度范围宽-3055；储存温度范围-4070。,6,无记忆效应。,5,安全可靠。短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。,7,镍氢电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅蓄电池相比，镍氢电池除具有比能量高、质量轻、体积小、循环寿命长的特点外，还具有以下特点。,工作原理,电池在充电时，锂离子从正极材料晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在

11、整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。,3、锂离子电池大规模普及,20,优点,缺点,1)工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6V，是镍氢和镍镉电池工作电压的3倍。2)比能量高。锂离子电池比能量已达到150Wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。3)循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达 几万次，超过了其他几种二次电池。4)自放电率低。锂离子电池月自放电率仅为6%8%，远低于镍镉电池25%30%和 镍氢电池15%20%。5)无记忆性。可随时充电，而不会降低电池性能。6)对环境无污染。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。7)能够制

12、造成任意形状。,1)成本高。主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。2)必须有特殊的保护电路，以防止过充。,锂电池的特点,21,02.燃料种类,03.使用类型,04.燃料状态,05.运行机理,氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池,直接型燃料电池、间接型燃料电池、再生型燃料电池,液体型燃料电池、气体型燃料电池,酸性燃料电池、碱性燃料电池.,燃料电池,01.电解质,Click质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生型燃料电池、锌空燃料电池、质子陶瓷燃料电池

13、.,燃料电池是一种化学电池，基于燃料、氧化剂基础上，发生化学反应时直接将释放出的能量变换为电能。,分类方法,燃料电池种类,06.工作温度,低温型（1000）,04,22,优点,缺点,燃料电池的特点,1)节能、转换效率高。燃料电池的运转效率约为50%70%，低功率下的运转效率高，其短时间的过载能力可以达到额定功率的200%，适合于汽车的加速和爬坡。2)排放基本达到零污染。碳氢化合物燃料电池主要生成物质为水、C02、CO等，属于“超低污染”；氢氧燃料电池的反应物只有清洁的水。3)无振动和噪声，寿命长。发生的是电化学反应，过程中没有噪声和机械振动的产生，从而减少机械器件的磨损，延长了使用寿命。4)结

14、构简单，运行平稳。能量转化在静态下完成，结构比较简单，构件的加工精度要求低。,1)燃料种类单一。主要是液态氢、气态氢以及碳水化合物经过重整后转换的氢，氢气的产生、存储、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求高。2)要求高质量的密封。燃料电池组中的单体电池间的电极连接时，必须要有严格的密封，否则氢气泄漏会降低氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故。3)价格高。制造成本高，电池价格昂贵。4)需要配备辅助电池系统。通常在燃料电池汽车上还要增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和汽车在减速时接受再生制动的能量。,质子交换膜燃料电池,基本结构：质子交换膜、催化剂层、扩散

15、层、集流板,质子交换膜：不仅是一种将阳极的燃料和阴极的氧化剂隔开的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底。电催化剂：为了加快电化学反应速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。目前多采用铂催化剂。双极板和流场：作用是分隔反应气体，收集电流，将各个单电池串联起来和通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道。,工作原理,2H2,4H+4e-（阳极）,4H+4e-+O2,2H2O（阴极）,2H2+O2,2H2O（总反应）,导入的氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正电的氢离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应；氢离子穿过膜

16、到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；在电池另一端，氧气通过阴极集流板经由阴极气体扩散层到催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应；电极反应生成的水大部分由尾气排出，小部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散。,质子交换膜燃料电池的特点,质子交换膜燃料电池特点,NO.6,NO.1,NO.2,NO.3,NO.4,NO.5,氢气来源广泛，氢是世界上最多的元素，是一种可再生的能源资源，取之不尽，用之不绝。,能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转 化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制。,可实现零排放。其唯一的排

17、放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排放，是环保型能源。,维护方便。PEMFC内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计。,运行噪声低，可靠性高。PEMFC电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。,发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。,各种动力电池技术方案比较。,TRANSITION,过渡页 TRANSITION PAGE,03,第三部份,动力电池管理系统,BATTERY MANAGEMENT SYSTEM,动力电池管理系统定义及结构 动

18、力电池管理系统功能,电动汽车电池管理系统(BMS)是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，主要功能包括:电池物理参数实时监测;电池状态估计;在线诊断与预警;充、放电与预充控制;均衡管理和热管理等。,二次电池存在下面的一些缺点，如存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等。电池的性能是很复杂的，不同类型的电池特性亦相差很大。电池管理系统(BMS)主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。,定义,简介,结构,组成：数据采集模块、主控模块、通讯模块、均衡模块、人机接口模块、故障诊断模块等组成。,动力电池管理系统功能,BM

19、S,动力电池的维护技术,动力电池的热管理,动力电池的电量管理,动力电池管理系统数据采集原理,动力电池充放电管理,动力电池均衡控制与管理,1、数据采集模块,采集动力电池的电压、温度、电流等参数，为电量管理、均衡管理、热管理、故障诊断等模块提供一次参数。,数据采集模块,1,2,3,单体电压采集：继电器阵列法、恒流源法、隔离运放采集法、压频转换电路采集法、线性光耦合放大电路采集法,温度采集：热敏电阻、热电偶、集成温度传感器电流采集方法：分流器、霍尔式电流传感器,用于所需测量的电池单体电压较高而且对精度要求也高的场合,电压电流、共模抑制强、结构简单、采集精度高、实用性好,继电器阵列法与恒流源采集法,隔

20、离运放采集法压频转换电路法,精度高、成本高,电压频率，无需A/D转换有良好的精度、线性度和积分输入压控振荡器中存在电容器影响精度,数据采集模块,TIL300是一个由红外光LED照射分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。该器件采用特殊制造技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量成线性比例。很强的隔离能力和抗干扰能力模拟信号保持良好的线性,34,35,36,2、动力电池充放电管理,动力电池充电过程中与非车载充电机之间连接和通讯,对充电电流、电池电压等参数进行监控，防止动力电池出现过充现象,对电池放电电流进行监控，防止过电流对电池造成损坏,对电池放电深度

21、进行控制，防止电池过放电影响电池使用寿命,3、动力电池的均衡控制与管理,动力电池均衡控制与管理,能量耗散型,能量非耗散型,将多余的能量全部以热量的方式消耗,非耗散型是将多余能量转移或者转换到其他电池中,能量转换式均衡,能量转移式均衡,单体向整体,整体向单体,（补充式均衡）,恒定分流电阻,开关控制分流电阻,动力电池均衡控制与管理,能量消耗型,单体电池并联电阻进行充电分流以实现均衡存在能量浪费和增加热管理系统负荷的问题,单体向整体,单体向整体：充电过程中完成，单体电压达到一定值，把单体电池的充电电流进行分流，分出的电流经模块转换把能量反馈回充电母线,整体向单体,整体向单体：也称补充式均衡，主充电模

22、块+补充式均衡充电模块DC/DC变换器、同轴线圈每个单体电池上增加相同的次绕组。问题：一致性、线圈能耗，只充电能均衡，放电不能,能量转移式均衡,利用电感、电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上。通过切换电容开关传递相邻电池间的能量通过电感储能方式对相邻电池间进行双向传递问题：均衡时间长，能量判断和开关电路实现困难,4、动力电池的电量管理,保护蓄电池，把SOC控制在一定范围内提高整车性能，充分利用蓄电池降低对动力电池的要求，充分利用蓄电池提高经济性，选择较低容量的蓄电池,充放电管理、温度、电池容量衰减、自放电、一致性。,开路电压法UPS和储能电池容量积分

23、法简单易行，但缺点是精度不高和误差累积模糊逻辑推理与神经网络法精度较高，但需大量数据卡尔曼滤波法适用广泛，精度较高，但工程复杂,准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内。,41,过高或过低的温度都将直接影响动力电池的使用寿命和性能，并可能导致电池系统的安全问题；电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体间性能的不均衡。,功能,意义,电池温度的准确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热和通风；低温条件下的快速加热；有害气体产生时的有效通风；保证电池组温度场的均匀分布。,5、动力电池的热管理,42,01,02,

24、03,空冷按照散热风道结构空冷系统可分为串行通风方式和并行通风方式两种最有效、最直接,液冷按照是否有内部加热或制冷装置可分为被动式和主动式两种。被动系统成本较低，采取的设施相对简单;主动系统相对复杂，并且需要更大的附加功率，但效果较为理想。,相变材料寒冷地区使用的动力电池可以使用加热线、加热膜、加热板等对电池进行加热。,按照传热介质，可将电池组热管理系统分为空冷、液冷和相变材料冷却三种,串行通风,并行通风,被动外部空气流通,被动内部空气流通,主动加热和散热,电池列前后缠绕硅胶加热线 电池列间添加电热膜,电池本体上包覆电热膜 电池上、下添加加热板,相变材料的应用（自身不具散热能力）,固液相变材料

25、,无机类相变材料,有机相变材料,这两种相变过程中，储存或释放热量的能力称为相变潜热。在车用动力电池管理系统中，一般采用体积变化较小的固-液相变材料,蓄热过程比较稳定，但是放热过程中存在较严重的过冷现象和相分离，一般要加入增稠剂和成核剂。,主要包括石蜡、醋酸、脂肪酸等。例如：脂肪酸具有较好的融化/凝固特性，化学性质稳定，无毒性，而且相变过程中体积变化小、相变潜热大，比较适合电动车动力电源使用,6、动力电池的维护技术,电池组的结构拓扑是首先需要解决的问题，这是由于单个电池的容量往往存在限制，想要做到100Ah以上，电动汽车电源系统的维护包括常规维护、重点维护、贮存维护等维护人员在进行操作时必须戴好

26、绝缘手套等防护用品，使用前必须熟悉动力电源产品的结构、工作原理和使用说明书。,46,专用工具,个人防护,01,02,配置和准备专用的检测仪器（如丰田普锐斯配置有智能测试仪）、常用仪表（如电压表、欧姆表、绝缘测试仪等）、专用工具（带绝缘措施的起子、扳手等）、常用物料（如绝缘胶带、扎带等）、其他（如充电机等）。,电动汽车使用高压电路，在检修前必须做好个人防护措施：佩带绝缘手套，穿防护鞋、工作服等；手腕、身上不能佩带金属物件（如金属手链、戒指、手表、项链等）,准备工作,47,意,事,项,高压电路的线束和连接器通常为橙色，高压零部件通常贴有“高压”警示，操作这些线束和部件时需要特别注意。完成对高压系统

27、的操作后，应再次确认在工作平台周围没有遗留任何零件或工具以及确认高压端子已拧紧和连接器已连接。,注,不要携带任何类似卡尺或测量卷尺等的金属物体，避免掉落导致短路拆下任何高压配线后，立刻用绝缘胶带将其绝缘。按照规定扭矩将高压螺钉端子拧紧。扭矩不足或过量都会导致故障,断开电源后放置5分钟。需要对车辆系统内的高压电容器进行放电。佩带绝缘手套，并确保绝缘手套没有破损，不要戴湿手套。对高压系统进行操作时，在旁放置“高压工作，请勿靠近”警告牌,维护检修前必须熟悉车辆说明书和电源系统说明书。对高压系统操作时断开电源。断开前需注意先检查读取故障码，避免系统故障代码被清除。,电源系统的常规维护（1月/次）,充放

28、维护,绝缘检测,管理系统维护,外观维护,动力电源系统在使用时，必须正确识别正负极，不得接反，不得短路；动力电源系统充电按照指定的充电条件进行动力电源系统的连接均应牢固可靠，避免对动力电源系统长时间过充和低温环境下充电动力电源系统充放维护后应贮存在干燥通风、温度不高于35度的环境中，请勿接近火源，并避免酸性或其他腐蚀性气体接触。,断开电池组与整车的高压连接，用数字电压表测量各个电池包的 总正、总负端子对车体的电压，是否小于上限值。如发现电压偏高，应测量电池包箱体与车体是否绝缘，,充放电过程中检查电池管理系统显示是否正常；否则进行故障排除 接通辅助电源，运行车辆至冷却系统工作，观察冷却通道是否通畅

29、 冷却系统 检查进出风通道是否畅通，风机是否能正常工作。清除防尘网上的灰尘及杂物，或更换防尘网,检查各紧固件螺栓、螺母及连接线是否松动。检查插头及电池包箱体是否完好，有无损坏或腐蚀。检查电池包冷却通道是否异常。,电源系统的重点维护（6-8月/次）,拆卸,将电池包从车上拆卸下来。若电池包在车上安装位置合适，利于开包检查和维护，可不进行拆卸,开包,观察电池包外观，看是否有燃烧、漏液、撞击等痕迹拧下电池包上盖固定螺钉，将电池包上盖取下，打开电池包，注意避免上盖与电池接触，勿损伤电池包,内部检查,检查电池包底盘和支架是否有电解液、积水等异常情况观察电池外观，是否有损坏、漏液、严重变形及腐蚀等现象。有则更换电池检查每只电池电压，对电压异常电池进行维护或更换,50,贮存维护,谢谢！,