锂离子动力电池充电方法和充电站建设简介.ppt

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1、北京交通大学电气工程学院,1,锂离子动力电池充电方法和充电站建设简介,1.锂离子电池应用条件和寿命关系,2.成组串联锂离子电池充电方法,3.电动汽车的能源补给方式,4.电动汽车充电站工艺设计,5.电动汽车充电站的发展趋势,3,锂离子电池使用条件和寿命的关系,1、充电倍率充电倍率越大，电池寿命缩短，同时充电倍率越大电池的发热情况越大。选择充电倍率可电池使用寿命的要求、电池箱内部散热条件、电池的技术要求有关。目前常规充电的要求：1/3C，可实现的快速充电的要求：11.5C,4,锂离子电池使用条件和寿命的关系,2、单体电池的充电电压电池单次充电容量与循环次数之间的关系，提高充电上限电压可提高电池的单

2、次充电容量，但电池的循环次数减少,锂离子电池使用条件和寿命的关系,3、温度高温下，电池的活性增强，单次充电容量增加；但是电池的电解液稳定性下降，电解液氧化分解增加，电池容量下降速度加快。,所以电池充电电流的选择，不仅是电池厂家的测试数据，还要依赖于当时的气温条件，电池发热量=充电电流*电池内阻电池发热量引起的温升T1（和电池箱散热条件有关）加上环境温度T2的总和综合考虑电池的寿命确定电池的充电电流（主要靠试验验证）,6,锂离子电池使用条件和寿命的关系,3、温度低温下电池负极的嵌锂能力下降，锂离子累积可能导致安全事故,7,锂离子电池使用条件和寿命的关系,2、放电深度放电深度对电池寿命有较大影响，

3、在不同的荷电状态阶段循环电池的寿命也不同,8,成组串联锂离子电池充电方法,1、电池成组应用和电池单体应用的差别根据电动汽车的要求，电池实际应用时成组串联应用，串联的数量大体在90170串之间。（1）单体电池的不一致性会造成当串联电池组充电时，某些单体产生过充的现象，影响电池的使用寿命；（2）单体电池的不一致性会造成当串联电池组放电时，某些单体产生过放的现象，影响电池的使用寿命；（3）单体电池容量的差异会造成成组电池的总容量小于单体电池的容量2、针对成组电池充放电应用技术方法（1）建立电池管理系统和充电机之间的通信连接，利用电池管理系统的实时测试数据改变充放电电流的大小；（2）利用电池管理系统对

4、单体电池的容量差异进行修正；,成组串联锂离子电池充电方法,传统电池充电方法和新型锂离子动力充电方法的比较,成组串联锂离子电池充电方法,为保证锂离子电池使用寿命和安全性以及电池组容量利用性1、根据电池箱环境温度和电池箱散热的条件，实时改变充电电流的大小和单体电池电压的上限；2、根据电池的使用时间和容量衰退过程，控制电池的充电电流的大小和单体电池电压的上限；3、利用地面均衡电路和车载电池管理系统均衡电路，用来补偿电池自放电、单体电池充放电效率差异带来的容量差异；,电动汽车的能源补给方式,主要能源补给方式：电池更换、车载充电、地面常规充电、地面快速充电；1、电池更换：采用电池更换方式，地面充电，提高

5、车辆利用率，设备投入大，造价高；2、车载充电：受车载、民用配电、成本的所限，功率小，充电时间长，适用于夜间慢速充电（810小时）；3、地面常规充电：基本采用1/3C整车充电，适用于小规模或特种车辆使用；4、地面快速充电：基本采用1C2C整车充电，时间在半小时内，适用于满足充电特点的车辆使用。,北京奥运大巴充电站,240台 79kW,12,国内充电站现状,2023/10/19,北京121路电动公交客车充电站,28台 30kW,13,国内充电站现状,2023/10/19,上海电力公司漕溪充电站,14,国内充电站现状,2023/10/19,河南鄢陵花木园充电站,15,国内充电站现状,2023/10/

6、19,电动汽车充电站工艺设计,16,1、充电站能源补给方式的确定 根据电动车辆的运营特点，选择适合的能源补给方式例如：公交车选用更换方案；班车选用常规整车充电方案；环卫车用常规整车充电方案或晚间常规充电方案；物流车用常规整车充电方案或晚间慢速充电；出租车用更换、快充、晚间慢速充电相结合的方式；,电动汽车充电站工艺设计,17,2、充电站规模的确定 根据电动车辆的运营要求，确定充电站的规模，主要充电设备的数量、备用电池的数量、场站的占地以及配电容量的确定；例：世博会充电站设计,世博会公交充电站设计方案,1.基本设计参数：,电动汽车充电站工艺设计,2.设计思路：,世博会公交充电站设计方案,i.发车间

7、隔与配车数的计算：由于设计首先要满足Hm=12000人/时的运能要求，因此根据已知条件：线路长度L=14km；车容量C=70*2人(为了提高车辆利用效率，高峰期采用两车并发)，由以下公式可得：Pm=Hm/C；T=60/Pm（Pm为高峰小时配车数）发车间隔T=0.7分钟=42秒，继而根据以下公式：W=L*60/V*T得出高峰小时配车数W=60组=120辆。,电动汽车充电站工艺设计,2.设计思路：,世博会公交充电站设计方案,ii.快换机器人配置的计算：得出配车数后，根据已知早午晚高峰时段，在早高峰结束和午高峰开始之间有3个小时，在这个时间段，需要将早高峰运营的车辆全部更换电池（120辆车）。而由于

8、发车间隔的存在，所以在早高峰（11：00）后4.9分钟，快换机器人才能全部投入工作。所以全部电池更换时间需要175.1=360-4.9分钟完成120组电池更换，平均7辆车/10分钟，而快换机器人的更换速度为1辆车/10分钟，每个通道同时有两辆车同时更换平均速度2辆车/10分钟，所以需要设立4个通道，每个通道需要2套（4个）机器人才能保证运行。,2.设计思路：,世博会公交充电站设计方案,iii.备用电池组的数量配置方案：由于车辆总数为120辆，根据运营计划，在早高峰结束一个半小时后需要更换一批电池（60组），此时需要60组已经准备好的电池，而此时充电站内有60组电池正在充电，所以备用电池数量应当

9、是60+60=120组，考虑到电池价格以及正在充电的电池有8组已经接近充满，应该可以使用，所以备用电池数量选定位112组。,电动汽车充电站工艺设计,2.设计思路：,世博会公交充电站设计方案,iii.充电站供电负荷计算：供电负荷=充电机总输出功率/效率/线路及无功损耗）*充电机同时利用系数。根据充电站充电机的运行情况，最多的时候有108组电池都在充电，但其中60组电池中充电时间最长的已经接近2小时40分，其中24组电池已经充电两小时以上，充电机输出功率已经开始下降，所以充电机最大功率同时运行的台数基本可按92台计算,同时利用系统在0.85左右。效率：满载充电效率0.9线路及无功损耗：0.85供电

10、负荷=（112（组电池）*9kW（一台充电机）*7（平均一个电池架7个充电机）/0.9/0.85（线损）*0.85=7840kW，约为8MW.,电动汽车充电站工艺设计,3.主要设计参数汇总,世博会公交充电站设计方案,电动汽车充电站工艺设计,电动汽车充电站工艺设计,24,3、技术规范的确定（1）充电站工艺流程的制定；（2）土建设计方案设计；（2）设备功能和技术条件确定；（3）充电通信网络拓扑结构和协议的制定；（4）设备验收方法和流程的制定；（5）车辆运营调度网络拓扑和协议制定；例：奥运会设计资料,电动汽车充电站工艺设计,电动汽车充电站工艺设计,一、基本充电方法1、采用快速更换模式下分箱充电以单箱

11、电池为单元进行充电，每箱电池对应一个充电机。2、锂离子电池充电方法 由和电池箱配套的电池管理系统提供单体电池数据，充电机根据此数据控制整箱电池最高单体电池电压，当其中一节电池电压达到上限，充电机自动降低充电电流，直到充电电流小于10A。保证充电过程中没有单体电压超限，保证电池组安全。3、充电机数量 共24组充电单元，每组12台充电机，每两个单元构成3个车的充电系统。共需288个充电机,电动汽车充电站工艺设计,二、充电机电气标准输入电源：AC380V三相四线制最高输出电压：75V最低输出电压：20V最大输出电流：150A最小输出电流：10A稳流精度：2%稳压精度：1%充电机额定功率：12kW。输

12、入输出：变压器隔离效率：90%（满载）功率因数：0.9（满载）使用环境温度：-2045其他指标：符合电力机车电气设备相关标准,电动汽车充电站工艺设计,三、充电基本单元示意图 每个充电单元由12台充电机、12个电池组及电池管理系统、烟雾传感器、24V直流电源、电池存储架（和快速更换系统匹配）等组成。（1）每个充电机对应一个电池组（2）充电机和电池组电池管理系统之间采用隔离485接口（3）每个电池存储架安转一个烟雾报警器（4）电池管理系统和烟雾报警器采用24V直流电源供电（5）每个单元采用一个烟雾报警监控转接卡，采集12个烟雾报警器的输出信号并向监控系统提供一路网络接口。（）每个单元的充电机的监控

13、接口并联在一起，向监控系统提供一路CAN监控接口。,电动汽车充电站工艺设计,电动汽车充电站工艺设计,四、充电机监控网络示意图,电动汽车充电站工艺设计,每台充电监控计算机监控6个充电单元，可监控9辆车的电池充电情况，整个监控平台，共需4个监控计算机。四个监控计算机通过局域网和数据记录和统计服务器相连，用于记录和统计所有充电机和电池的数据。充电监控系统的主要功能有（1）监控所有充电机的运行数据、故障报警信号（2）监控所有充电电池组的单体电池电压、温度、充电容量等数据（3）提供充电机远程控制功能：设置运行参数、开关机、修改电池管理系统参数、编号等（4）提供所有充电机紧急停机功能,电动汽车充电站工艺设

14、计,五、烟雾报警监控网络示意图烟雾报警器工作电源为24VDC，通过内部的烟雾传感器检测烟雾浓度，输出形式为继电器触点。当烟雾浓度未达到限量时，报警器内部电路控制继电器输出为开路；当烟雾浓度超过限量时，报警器内部电路控制继电器输出为短路。当有烟雾报警信号后，通过烟雾报警转接卡检测信号，通过CAN网络向监控计算机提供报警信号，由计算机显示和定位报警故障发生点，并提供声光告警信号。,电动汽车充电站工艺设计,电动汽车充电站工艺设计,北京纯电动乘用车示范充电站,25kWp光伏发电系统50kWh储能系统 多种供电方式多种电能补给模式 慢充、快充,35,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,北京纯

15、电动乘用车示范充电站,36,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,电池梯级利用与筛选,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,37,电池的回收和再利用：锂离子电池容量衰减到80%后，就不能在电动汽车中使用；电池再利用价值：通过电池的梯级利用，将电池应用到其他类领域，至少降低车用动力电池购置成本20%。储能应用：通过电池的大规模储能应用，可以对电网进行削峰填谷，降低充电站负荷的波动，减少对电网的影响。电池筛选：通过梯级利用电池的容量衰减规律对淘汰电池进行合理筛选，将参数处于同一水平的电池进行合理配组，能够有效的提高车辆淘汰电池容量利用率，延长车辆淘汰电池的继续使用寿命。,电动汽

16、车充电站的发展趋势,2023/10/19,38,恒极化电压充电（600次循环电池）,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,39,恒极化电压充电方法意义,电池梯级利用与筛选,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,40,电池的回收和再利用：锂离子电池容量衰减到80%后，就不能在电动汽车中使用；电池再利用价值：通过电池的梯级利用，将电池应用到其他类领域，至少降低车用动力电池购置成本20%。储能应用：通过电池的大规模储能应用，可以对电网进行削峰填谷，降低充电站负荷的波动，减少对电网的影响。电池筛选：通过梯级利用电池的容量衰减规律对淘汰电池进行合理筛选，将参数处于同一水平的电池进行合

17、理配组，能够有效的提高车辆淘汰电池容量利用率，延长车辆淘汰电池的继续使用寿命。,充电站及车辆的综合监控与运营调度体系研究,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,41,智能电网,电动汽车充电站的发展趋势,2023/10/19,42,按照国家新能源汽车产业发展规划，预计2020年，仅上海市的电动汽车市场规模就可达到约35万辆，必将成为不可忽视的分布式储能单元。,电动汽车作为分布式储能单元接入电网已成为“智能电网”的重要组成部分。,德国、美国等发达国家已开展V2G（Vehicle to Grid）相关技术研究。,北京市,2023/10/19,43,Thank You!,北京交通大学 电气工程学院,