第十一章

第11章动力电池系统设计及使用,11.1电动车辆能耗经济性评价参数11.2电池系统与整车的匹配方法11.3电池包结构与设计11.4动力电池系统充电方法11.5动力电池的梯次利用与回收,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,动力电池组是电动车辆的重要能量来源，是纯电动车辆的唯一能量来源。在车辆与电池系统的匹配中，首先需要关注并了解电动车辆的能耗评价指标。,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,（1）续驶里程续驶里程是纯电动汽车动力电池组充满电后可连续行驶的里程，可分为等速续驶里程和循环工况续驶里程。等速通常采用40km/h或60km/h作为标准。循环工况则根据车辆的使用环境进行选择，常用的包括欧洲15工况、日本10工况、中国客车6工况等。此项指标对于酆掀兰鄣缍糐P车动力电池组、电机、传动系统效率及电动汽车实用性具有积极意义。但由于此项指标同电动汽车电池组装车容量及电压水平有关，因此在不同车型和装配不同容量电池组的同种车型间不具有可比性。即使装配相同容量同种电池的同一车型，续驶里程也受到电池组状态、天气、环境因素等使用条件影响而有一定幅度的波动。,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,（2）单位里程容量消耗电池及电池组以容量作为能量存储能力的标准之一。以电池组作为唯一动力源的纯电动汽车单位里程的容量消耗定义为车辆行驶单位里程消耗的电池组容量，单位为Ah/km。,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,（3）单位里程能量消耗单位里程能量消耗又可以分为单位里程电网交流电量消耗和单位里程电池组直流电量消耗。其中，交流电量消耗，受到不同类型充电设备效率的影响，有一定的误差，并且充电设备是独立于电动汽车的服务性设备，不应作为电动汽车效率的一部分。在不同的充电设备情况下，电动汽车的经济性在一定程度上不具有可比性。单位里程电池组直流电消耗量，仅以车载电池组的能量状态作为标准，脱离了充电机的影响，所以可以直接、可靠地反映电动汽车的实际经济性能。,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,（4）单位容量消耗行驶里程和单位能量消耗行驶里程这两种电动汽车能耗经济性的评价指标分别是单位里程容量消耗和单位里程能量消耗的倒数。单位分别为km。（5）等速能耗经济特性汽车等速能耗经济性是指汽车在额定载荷下，在最高档、水平良好路面上以等速行驶单位里程的能耗或单位能量行驶的里程。通常可以测出每隔5km/h或10km/h速度间隔的等速行驶能耗量，然后在速度能耗曲线图上连成曲线，称为等速能耗经济特性。此曲线可以确定汽车的经济车速。但这种评价方法不能反映汽车实际行驶中受工况变化的影响，特别是市区行驶中频繁加减速的行驶工况。,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,（4）单位容量消耗行驶里程和单位能量消耗行驶里程这两种电动汽车能耗经济性的评价指标分别是单位里程容量消耗和单位里程能量消耗的倒数。单位分别为km。（5）等速能耗经济特性汽车等速能耗经济性是指汽车在额定载荷下，在最高档、水平良好路面上以等速行驶单位里程的能耗或单位能量行驶的里程。通常可以测出每隔5km/h或10km/h速度间隔的等速行驶能耗量，然后在速度能耗曲线图上连成曲线，称为等速能耗经济特性。此曲线可以确定汽车的经济车速。但这种评价方法不能反映汽车实际行驶中受工况变化的影响，特别是市区行驶中频繁加减速的行驶工况。（6）比能耗电动汽车不同车型的总质量相差很大，跨度从几百千克到十余吨，因此单位里程能量消耗也有很大差别。,11.1电动车辆能耗经济性评价参数,纯电动汽车能耗经济性评价的各个参数之间存在相互转换的计算关系，如图11-1所示。电池组可放出的有效能量、有效容量、单位里程能耗及单位里程容耗是电动汽车续驶里程的决定性因素。车辆的整备质量把单位里程能耗、容耗与比能耗、比容耗联系起来。,11.2电池系统与整车的匹配方法-车辆行驶动力学功率平衡方程,电动车辆驱动电机的理想特性曲线，如图11-2所示,11.2电池系统与整车的匹配方法-纯电动车辆电池组匹配方法,例如，某电动大客车动力性指标为最高车速为90km/h，060km/h的加速时间为48s，最大爬坡度为20%，续驶里程为240km，电池比能耗与车速的关系如图11-3所示，续驶里程与车速的关系如图11-4所示，说明车辆在40km/h附近比能耗最小，续驶里程最长，主要是由于驱动电机在此点工作效率最高原因所致。,11.2电池系统与整车的匹配方法-纯电动车辆电池组匹配方法,按经济车速来设计车辆续驶里程，结合电动大客车动力性指标对铅酸电池和锂离子电池进行比较，其质量及容量与D、S的关系曲线如图11-5所示。,11.2电池系统与整车的匹配方法-混合动力车辆电池组匹配方法,混合动力车辆具有两套车载能源系统，即发动机发电机组(APU)和电池组，混合比设计与车辆实际的控制目标和要求密切相关。控制目标反映了混合动力车辆的用途和使用特征，主要有：续驶里程延长型，装用较小功率的APU，补充电池组电量的不足，减缓电池组能量的消耗和电量状态的衰减；连续行驶模式，APU以连续模式工作，电池组作为功率均衡装置，输出峰值功率和接受再生制动能量；间断行驶模式，在闹市区或受限制区域，车辆以纯电动方式行驶，APU应及时对车载电池组进行补充充电，同时电池组容量应足以满足车辆纯电动行驶里程要求。,11.3电池包结构与设计-基本概念,在与电池包相关的几个概念中，有四个常用、相互之间有关联的概念，容易出现混淆：1）动力蓄电池箱（PowerBatteryBox）。能够承装蓄电池组、蓄电池管理模块以及相应的辅助元器件的机械结构。2）动力蓄电池包（PowerBatteryPack）。蓄电池组、蓄电池管理模块、蓄电池箱以及相应附件有机组合构成的具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元，简称蓄电池包。3）快换动力蓄电池包（SwappingPowerBatteryPack）。能够通过专用装置，必要时可人工协助，在短时间（一般不超过5min）内完成更换并可以在非车载情况下进行充电的蓄电池包，简称快换蓄电池包。4）动力蓄电池系统（PowerBatterySystem）。一个或一个以上蓄电池包及相应附件（蓄电池管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成）构成的为电动汽车整车提供电能的系统。,11.3电池包结构与设计-电池包的功能要求,（1）电气性能电压：电池系统的电压由构成系统的电池包构成，要求各电池包电压的总和应为电动车辆驱动系统要求的电压。能量：电池包的比能量有别于电池单体，在计算电池包的比能量时需要包含电池箱、电池管理系统、电池间的连接件等辅助部件。温控能力：电池包内应具有电池冷却、加热、保温等部件构成的电池热管理系统，具备控制电池包内温度在电池适宜工作温度范围的能力。（2）机械强度动力电池包在电动车辆上安装应用，因此必须满足车辆部件的耐振动、耐冲击、耐跌落、耐盐雾等强度要求，保证可靠应用。,11.3电池包结构与设计-电池包的功能要求,（3）安全要求IP防护等级：为满足防水、防尘要求，电池包应满足一定的IP防护等级，根据车辆的总体要求，对于电池包，一般的IP防护等级要求不低于IP55。电气绝缘性能：现阶段电池包外壳多采用金属材料制成，要求在符合表111要求的电压条件下，电池包正极和负极与金属外壳之间的绝缘电阻应大于10M。电气保护功能：主要用于极端工况下，通过电池管理系统实现电池包的高压断电保护、过流断开保护、过放电保护、过充电保护等功能。（4）接口与通信协议电池包具有对外的电能输出能力，需要与电动车辆的用电设备进行连接和通信。相应的电气接口和机械接口在满足安全、可靠的前提下，需要满足国家和行业相关标准要求。,11.3电池包结构与设计-电池包的结构设计,电池包总体分为内、外箱体两部分，外箱体固定在车架上，内箱JP+1体通过外箱体内部滚轮支撑，电磁锁锁止固定在外箱体上。采用双层结构面板设计，中间层布置电池管理系统、快熔丝、手动检测机构、通风风扇、快换系统吸盘等部件，实现了电池模块化封装，电池箱及其组件的集成，便于布线、安装和维护，并且支持快速更换。电池箱总体技术方案图如图11-6所示。,11.3电池包结构与设计-电池包的结构设计,适应于自动快速更换的需要，电池内外箱采用了多级渐进定位方式和结构（见图11-7）。,11.3电池包结构与设计-电池包的结构设计,图11-8为电动客车骨架图，电池分别置于两轴间以及后轴后的位置。混合动力电动汽车由于电池比较少，采用单一位置进行电池布置，如图11-9所示的Prius混合动力电动汽车电池包位置示意图。,11.3电池包结构与设计-电池包的结构设计,也有部分电动车辆的电池布置于车轴上方，如图11-10所示的电动游览车，部分电池置于前、后轴上，座位下方。,11.4动力电池系统充电方法-电池组充电控制策略,大规模的动力电池成组集中应用，除考虑动力电池自身的化学和物理特性外，还需要考虑电池存储方式、存储环境、充电设备条件、集中存储和充电的安全问题以及对电网的影响等。,11.4动力电池系统充电方法-充电管理模式,充电策略的实现，需要电池系统与充电机间实现有效的数据传输和参数实施判断。电池管理系统完成了电池系统中参数的采集工作，在现有的智能充电中，通过实现与充电机的通信，保证充电安全性，实现充电过程的有效控制。其基本系统结构如图11-11所示。,11.4动力电池系统充电方法-动力电池组充电方式,（1）地面充电方式当车辆进行补充充电时，将需要充电的电池从车辆上卸下，安装已充满电的电池，车辆即离开继续运营或应用，对卸载下的电池采用地面充电系统进行补充充电。采取地面充电方式有利于电池维护，提高电池使用寿命和车辆使用效率，但对车辆及电池更换设备提出了更高的要求。地面充电又有分箱充电或者整组充电。1）分箱充电。分箱充电时，每台充电机对电池组中一箱电池充电，并和该箱的电池管理单元通信，完成充电控制。采用这种方式，有利于提高电池组的均衡性，延长电池组使用寿命，但充电机数量多，电池组与充电机间的连线多，监控网络复杂，成本较高。其结构如图11-12所示。,11.4动力电池系统充电方法-动力电池组充电方式,图11-12。,11.4动力电池系统充电方法-动力电池组充电方式,2）整组充电。采用整组充电，则将从电动车辆上卸下的各箱电池按照车辆上的应用方式连接，通过一台充电机给整组电池进行充电，所有的电池管理单元通过电池管理主机与充电机进行通信，完成充电控制。采用这种方式，充电机数量较少，监控网络简单，但是相对单箱充电方式而言，电池组的均衡性较差，使用寿命较低。其结构如图11-13所示。,11.4动力电池系统充电方法-动力电池组充电方式,2）车载充电方式当车辆进行补充充电时，充电机与充电车辆通过充电插头进行连接，电池无需从车辆上卸下可直接进行充电，如图11-14所示。,11.4动力电池系统充电方法-动力电池组充电方式,2）车载充电方式该系统通过充电插头上的CAN网络连接线与电动汽车内部CAN网络进行连接，与车载电池管理主机进行通信，完成充电控制，系统拓扑结构如图11-15所示。,11.4动力电池系统充电方法-动力电池组充电方式,2）车载充电方式另有非车载快速充电机，一般保证车辆充电在30min以内，可以充入保证车辆行驶超过50km的电量。已经产品化的电动轿车为了满足这两种充电机的应用，需要在车辆上设置车载充电机接口和快速充电接口。图11-16为日产公司LEAF电动汽车的充电接口，即为两个接口并列的形式。,11.5动力电池的梯次利用与回收,动力电池梯次利用是指当动力电池不能满足现有电动车辆的功率和能量需求时，继续将其转移应用到对动力电池能量密度、功率密度要求低一个等级的其他领域，达到充分发挥其剩余价值的目的。动力电池的梯次应用，简单地讲，即通过电池在不同性能要求的领域的传递使用，达到充分利用电池性能，实现动力电池在动态应用中报废，以降低电池使用成本的目标。,11.5动力电池的梯次利用与回收-动力电池回收,动力电池回收是指动力电池在功率和能量方面均完全失去使用价值之后，通过一定的途径由相关机构或企业收集，并采用化学或物理方法分离出各种有利用价值的元素，减少或消除对环境