1_第5章　动力电池及其管理系统技术

11OZ4，编辑，第5章电源电池和管理系统技术，第5章电源电池和管理系统技术，5.1汽车电池技术研究现状5.2电源电池管理系统研究现状5.3电源电池管理系统的关键技术5.4电源电池和管理系统测试和评估，第5章电源电池和管理系统技术，图5-1多种汽车电池比较，5.1汽车电池技术研究现状， 5.1.1锂离子电池工作原理5.1.2汽车电源电池要求5.1.3电池模型5.1.4汽车电源电池发展现状和趋势5.1.5锂离子电池系统中存在的技术问题，5.1汽车电池技术研究现状，表5-1比较了目前常用的几种储能电源电池系统发展现状，5.1.1锂离子电池工作原理，图5-2锂离子电池工作原理，图5 2)高输出功率密度，满足驾驶性能要求。3)广泛的工作温度范围(-40 50)，以满足夏季高温和冬季低温工作的需要。(4)确保在车辆寿命内不更换电池的长周期寿命(目前第12个5年计划“863”指南要求锂离子电池寿命超过10年或20万公里)。5)高充放电效率，最大限度地节约能源。(6)车辆使用时，为了满足在不完全放电状态下充电的需要，经常无记忆效果。7)低自放电速度，以满足车辆长期暂挂的需要。5.1.2汽车电源电池要求，8)快速充电，提高车辆运行时间和效率。(9)单个电池电压高可以减少串行数，从而避免电池一致性差异导致的电池组故障。10)小巧轻便，有利于车辆轻量化和小型化。1)通过高能量密度提高运营效率和一次性充电里程。2)输出功率密度高，满足驾驶性能要求。3)广泛的工作温度范围(-40 50)，以满足夏季高温和冬季低温工作的需要。4)长周期寿命，确保在车辆寿命内不更换电池(目前第12个5年计划“863”指南要求锂离子电池寿命超过10年或20万公里)。5)高充放电效率，以最大限度地节约能源。6)使用时车辆经常在不完全放电状态下充电的需要，无内存效果。7)低自放电速度，以满足车辆长期暂挂的需要。8)提高车辆运行时间和效率的快速充电能力。9)单电池电压高，减少串行数量，防止电池一致性降低导致的电池包故障。10)小巧轻便，有利于车辆的轻量化和小型化。5.1.3电池型号，1 .简化电化学模型2。等效电路模型3。神经网络型号、5.1.3电池型号、图5-3电池型号、1。电化学模型简化，2 .等效电路型号，图5-4电池等效电路a)Rint型号b)Thevenin型号c)RC型号d)PNGV型号，3 .神经网络模型、图5-5神经网络结构、5.1.4汽车电源电池的开发现状和趋势、1)三元材料-石墨系统电池由于良好的能源密度和循环寿命，在HEV中长期使用，当然也适用于某些PHEV。(2)磷酸铁锂材料-石墨系统电池具有较长的循环寿命和高安全性，但由于电池工作电压低，能源密度低，低温性能不好，对汽车的电池要求越来越高，因此可以逐渐脱离纯电动汽车市场，但也应适用于对能源和电力密度要求不高的HEV。3)锂锰氧化物材料-石墨系统电池随着锂锰氧化物材料本身循环性能的不断提高，与三元系统混合，适用于多种用途的汽车动力电池设计。5.1.4汽车动力电池的发展现状和趋势，4)钛酸锂阴极锂离子电池的能量密度低，在此阶段应用于纯电动汽车的可能性小，而应用于行驶距离小、安全要求高的PHEV、HEV的可能性高。，5.1.4汽车动力电池的发展现状和趋势，表5-2国内外主要汽车锂离子电池供应商，5.1.4汽车动力电池的发展现状和趋势，图5-6国外汽车动力电池伙伴关系概述，1)三元材料-石墨系统电池将长期应用于HEV，当然也将应用于部分PHEV。2)磷酸铁锂材料-石墨系统电池具有较长的循环寿命和高安全性，但由于电池工作电压低，能量密度低，低温性能不好，随着汽车电池要求的提高，可以逐步退出纯电动汽车市场，但也必须适用于对能源和功率密度要求不高的HEV。3)锂锰氧化物材料-石墨系统电池随着锂锰氧化物材料本身循环性能的不断提高，与三元系统混合，适用于多种用途的汽车动力电池设计。4)以钛酸锂为阴极的锂离子电池，由于能量密度低，在此阶段应用于纯电动汽车的可能性较小，而应用于行驶距离小但安全性要求高的PHEV，HEV则比较有利。5.1.5锂离子电池系统中存在的技术问题，1)自动化程度低，一致性差。2)锂电池充电过量，放电容量不良。3)干电池的单体容量小，为了满足车辆需求，需要大量并行使用，所以电阻大，接触不良。4)提高运行里程，缓解结构空间和轻量化的矛盾。1)电池大小的标准化、序列化。2)电池一致性识别、控制和测试。3)电池结构、连接器的改进和优化。4)提高电池组的电源性能、安全性、寿命和可靠性。5)生产设备自动化及质量闭环控制方法研究。1)电池的初始状态不匹配。5.1.5锂离子电池系统中存在的技术问题，2)电池性能下降速度不匹配。1)过度充电，过度放电。电流太大。温度太高。4)短路或泄漏。1)自动化程度低，一致性差。2)锂电池充电过量，放电容量不良。3)电池单体容量小，为了满足车辆需求，必须大量并行使用，内部电阻大，接触不良。4)提高运行里程，缓解结构空间和轻量化的矛盾。1)电池大小标准化，序列化。2)电池一致性识别、控制和测试。3)电池结构，连接器改进和优化。4)提高电池组的电源性能、安全性、寿命和可靠性。5)生产设备自动化及质量闭环控制方法研究。1)电池的初始状态不匹配。2)电池降级速度不匹配。图5-7电源电池组不匹配的原因和转发过程，2)电池性能下降速度不匹配。表5-3电池生产和使用过程中出现的不一致问题，1)充电过度，放电过度。2)电流太大。3)温度太高。4)短路或泄漏。5.2电源电池管理系统的研究现状，5.2.1BMS的发展过程5.2.2BMS的功能要求5.2.3BMS的研究现状5.2.4BMS的问题，5.2.1BMS的开发过程，1 .没有管理步骤2。简单管理步骤3。综合管理阶段，1 .没有管理步骤，2 .简单管理阶段，1)BMS仅使用自动化检测手段替换现有手动任务，从而发现问题并发出警报，并且不解决电池组的一致性问题或提供电池维护的数据指令，从而减少了电池维护的努力和麻烦。2)BMS的设计人员大部分是电气工程师，重点是采用合理的检测方法，提高检测准确度、抗干扰能力和可靠性，在不了解电池的电化学本质的情况下，将电池视为“黑匣子”，重点分析其状态和使用方法。1)BMS仅用自动化检测手段取代现有的手动任务，从而发现问题并向警察报告，不解决电池组的一致性问题，也不提供电池维护的数据指导，从而减少了电池维护的努力和麻烦。，2)BMS的设计人员大部分是电工，重点是提高合理的检测方法、检测准确度、抗干扰能力和可靠性，在不了解电池的电化学本质的情况下，将电池视为“黑匣子”，重点分析其状态和使用方法。3 .整体管理阶段，1)实时监控电池状态。2)有效利用电池能源，为电池的使用、维护和平衡提供理论依据和数据支持。3)防止电池过度充电和过度放电，确保使用过程的安全，延长电池寿命。1)实时监控电池状态。2)高效使用电池能源，为电池的使用、维护和平衡提供理论依据和数据支持。3)防止电池过度充电和过度放电，确保使用过程的安全性，延长电池寿命。5.2.2BMS的功能要求，(1)在充电期间平衡充电，以确保系统中所有电池的端电压始终保持良好的一致性；如果模块达到调节限制也不能保证电池电压一致性，请通过声光和通信向仪表板报告异常电池号，并通过仪表板向车辆管理系统报告。(2)过电压警告中，电池的电流电压超过保护标准时，应显示警告指示。过电流或过电压消失后，警告指示取消。(3)电压采样模块有电压采样，记录采样数据以供模块自身分析。(4)充放电电流采样模块具有充放电电流采样，记录采样数据以进行模块自身分析。5.2.2BMS的功能要求，(5)自检功能可以通过电压、电流、温度等数据分析电池是否工作，并自动测试其他功能是否正常。(6)外部电路故障保护在外部电路发生严重故障或故障的情况下，安全保护模块，使电池脱离过量放电、过度充电、短路等，最重要的是过度充电和短路。(7)温度检测和保护模块测量和记录电池温度，当温度超过规定上限时，切断电池充电放电电路并提供声光报警。(8)通信功能模块通过SPI或电流回路与系统主服务器通信，所有单个电池的分析数据将实时传送到主设备。5.2.2BMS的功能要求，表5-4电池管理系统的主要功能，(1)在充电期间平衡充电以确保系统中所有电池的端电压始终保持良好的一致性；如果模块达到调节限制也不能保证电池电压一致性，请通过声光和通信向仪表板报告异常电池号，并通过仪表板向车辆管理系统报告。(2)过电压警告中，电池的电流电压超过保护标准时，应显示警告标记。过电流或过电压消失后，警告指示取消。(3)电压采样模块具有电压采样，记录采样数据以进行模块自身分析。(4)充放电电流采样模块具有充放电电流采样，记录采样数据以进行模块自身分析。(5)自检功能可以通过电压、电流、温度等数据分析电池是否工作，并自动测试其他功能是否工作正常。(6)外部电路故障保护如果外部电路出现严重故障或故障，保护模块安全，防止电池在过量放电、过度充电、短路等方面放电，这一点尤为重要。(7)温度检测和保护模块测量和记录电池温度，如果温度超过规定的限度，则切断电池充电和放电电路，并提供声光报警。(8)通信功能模块和系统主节点通过SPI或电流回路进行通信，所有单个电池的分析数据实时传送到主设备。5.2.3BMS的研究现状、(1)汽车电池SOC的测量国外电池寿命状态(SOC)的研究大多是通过测量电池的电流电压等外部参数，找出SOC与这些参数之间的关系，间接测量电池的SOC值。(2)汽车电池的动态监控与整个电动汽车的运行性能有关，因此BMS的另一个功能是汽车电池的动态监控。(3)汽车电池的热平衡管理温度会影响电化学系统的运行状态、循环效率、容量、效率、安全、可靠性、一致性、寿命等锂离子电池的各个方面，并会影响电动车的性能、可靠性、安全性和寿命。(1)汽车电池SOC测量海外电池启动状态(battery launch state，SOC)研究主要是通过测量电池的电流电压等外部参数，找出SOC与这些参数之间的关系，间接测量电池的SOC值。(2)汽车电池的动态监控与整个电动汽车的运行性能有关，因此BMS的另一功能是汽车电池的动态监控。(3)汽车电池的热平衡管理温度会影响锂离子电池各方面的性能，包括电化学系统的运行状态、循环效率、容量、效率、安全、可靠性、一致性和寿命，还会影响电动车的性能、可靠性、安全性和寿命。1)电池温度的准确测量和监控。2)电池组温度过高时有效冷却和通风。3)在低温条件下快速加热，使电池组正常工作。4)有害气体发生时有效通风。5)保证电池组温度场的均匀分布。1)电池温度的精确测量和监控。2)电池组温度过高时有效冷却和通风。3)低温下快速加热，以便电池组正常工作。4)有害气体发生时有效通风。5)保证电池组温度场均匀分布。5.2.4BMS问题，1 .测试问题2。电池问题3。SOC估计问题4。电池组一致性评估和平衡问题，1 .测试问题(1)跨多个领域的电池管理技术的电化学、电气和热相关知识。(2)多因素影响电池性能受环境温度、工作电流、充电状态、工作条件、老化程度等诸多因素的影响。(3)非线性各种变量对电池性能的影响显示出明显的非线性。(4)以强耦合温度为例，温差直接耦合到电池的放电容量、能源和能源利用效率、自放电、容量降低速度等。(5)电池组的不一致性在同一厂家、同一批电池的自放电特性、温度特性、容量、内阻等参数上存在很大差异。(1)不同领域的电池管理技术贯穿于电化学、电气和热相关知识。(2)多变量影响电池性能受环境温度、工作电流、充电状态、工作条件、老化水平等诸多因素的影响。(3)非线性各种变量对电池性能的影响显示出明显的非线性。(4)以强耦合温度为例，温度差直接与电池的放电容量、能量和能源利用效率、自放电、容量降低速度等相结合。(5)电池组的不一致性在同一制造商、同一批电池的自放电特性、温度特性、容量、内阻等参数上存在很大差异。2 .电池相关问题，1)电池的型号参数，包括直流内部电阻和极化电压，取决于电池温度、SOC、操作条件和老化程度等参数的变化。2)电池的型号顺序与极化深度密切相关，因此使用固定型号顺序和型号参数估计电池状态时存在很大错误。1)电池的型号参数，包括直流内阻和极化电压，取决于电池温度、SOC、操作条件和老化级别等参数的变化。2)电池的型号顺序与极化深度密切相关，因此在使用固定型号顺序和型号参数估计电池状态时存在大错误。3 .SOC估计问题，1)单电池SOC定义方法和操作条件严重结合，可能会显着增加或矛盾估计电池SOC的困难。2)从整体上看，串