《新能源汽车概论》项目2

新能源汽车概论签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。项目二动力蓄电池系统

随着动力蓄电池技术的持续创新，以及碳达峰和碳中和目标的战略引导，我国汽车产业电动化转型速度加快，这在一定程度上推动了我国动力蓄电池行业的发展。

据统计，2022年10月，我国动力蓄电池产量为62.8GWh，同比增长150.1%。2022年1月至10月，我国动力蓄电池累计产量为425.9GWh，继续保持高速增长势头。项目导读达成目标技能目标素质目标知识目标（1）掌握锂离子电池的结构和分类。（2）熟悉锂离子电池的工作原理。（3）掌握锂离子电池的特点和应用。（4）掌握BMS的基本功能。（5）熟悉BMS的基本结构。

（1）能够识别动力蓄电池的基本结构。（2）能够分析BMS的主要特性。

（1）坚定民族自豪感和文化自信。（2）强化安全意识和节能环保意识。（3）培养团结协作、顾全大局的团队精神。

认识动力蓄电池2.1动力电池及管理技术项目2任务导入

纯电动汽车的动力蓄电池通常为锂离子电池，主要分为三元锂电池和磷酸铁锂电池两种。其中，三元锂电池的能量密度较高，同等重量或体积下为车辆提供的续驶里程也相对较高，并且在耐低温性能上具有一定的优势。磷酸铁锂电池能量密度较低，但安全性要高于三元锂电池，更不容易起火。

上述两种锂离子电池的结构和工作原理各不相同，性能也有差异。本任务要求学生认识三元锂电池和磷酸铁锂电池两种动力蓄电池，知识与技能要求如表所示。

知识与技能要求

想一想任务2.1认识动力蓄电池锂离子电池是一种用锂离子作为活性物质的蓄电池。锂离子电池的电解质一般为非水溶液。非水溶液由有机溶剂或非水无机溶剂加入无机盐组成，其中有机溶剂主要有碳酸丙烯酯、二甲基丙酰胺、乙腈、γ-丁内酯等，非水无机溶剂主要有亚硫酰氯、液体二氧化硫等，无机盐有高氯酸锂、氯化铝锂、氟硼酸锂、溴化锂等。任务2.1认识动力蓄电池

因为锂和水接触会立即发生激烈反应，所以电解质不能采用水溶液，且全部材料和零部件均需要严格脱水并可靠密封。如图所示，锂离子电池一般由正极、负极、隔膜、电解质（图中未标出）、电池外壳、保护阀等组成

锂离子电池的结构任务2.1认识动力蓄电池2.1.1锂离子电池的结构和分类锂离子电池中，正极材料占整个电池成本的40%以上，且在当前的技术条件下，锂离子电池的能量密度主要取决于正极材料。锂离子电池根据正极材料的不同，可分为钴酸锂电池、锰酸锂电池、三元锂电池、磷酸铁锂电池等类型

钴酸锂电池锰酸锂电池三元锂电池碳酸铁锂电池任务2.1认识动力蓄电池2.1.1锂离子电池的结构和分类对于锂离子电池的工作原理，目前人们是用固体物理学中嵌入的概念来解释的。这里的嵌入是指可移动的客体粒子（分子、原子、离子）可逆地嵌到具有合适尺寸的主体晶格中的网络空格点上。锂离子电池的正极和负极材料都是由锂离子和电子的混合导体嵌入化合物形成的。任务2.1认识动力蓄电池2.1.2锂离子电池的工作原理典型的锂离子电池体系为：（-）C|LiPF6——EC+DEC|LiCoO2（+）

式中:

（-）C——石墨，为负极材料;

LiPF6——六氟磷酸锂，电解质;

EC+DEC——碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯混合电解液;

LiCoO2（+）——钴酸锂，为正极材料。

任务2.1认识动力蓄电池2.1.2锂离子电池的工作原理如图所示，充电时，锂离子从正极材料晶格中脱嵌，通过电解质和隔膜嵌入到负极材料晶格中；放电时，锂离子从负极材料晶格中脱嵌，通过电解质和隔膜嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正、负极之间。同时，由于隔膜的作用，电子只能通过外电路由正极移动至负极（充电时）形成充电电流，或由负极移动至正极（放电时）形成放电电流。锂离子电池的工作原理任务2.1认识动力蓄电池2.1.2锂离子电池的工作原理在充放电过程中，锂离子处于正极→负极→正极的循环运动状态，反应过程中既不消耗电解质，也不产生气体，因此锂离子电池可以做成完全封闭的结构，从根本上解决了锂离子电池的循环性和安全性问题。锂离子电池的内部时刻都在发生副反应。在每次充放电循环中，任何能够产生或消耗锂离子（或电子）的副反应都会改变锂离子电池的平衡状态，并且这种改变是不可逆的。经过多次循环累积，锂离子电池的性能将会出现衰退甚至失效。因此，通常使用锂离子电池的充放电循环次数来表示其使用寿命。任务2.1认识动力蓄电池2.1.2锂离子电池的工作原理锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。（1）工作电压高锂离子电池单体的工作电压为3.2～3.8V，是传统镍镉电池和镍氢电池单体工作电压的3倍。任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。（2）能量密度高锂离子电池的能量密度可达260Wh/kg，是传统镍镉电池的2倍、镍氢电池的1.5倍。任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。（3）循环寿命长

目前，锂离子电池的循环寿命可达2000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种动力蓄电池。任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。（4）自放电率低

锂离子电池的自放电率仅为6%～8%，远低于镍镉电池（25%～30%）和镍氢电池（15%～20%），与铅酸蓄电池相当。任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。（5）无记忆性

锂离子电池可以根据要求随时充电，而其充放电性能不会降低。（6）可实现快速充电任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现在以下几个方面。（7）对环境无污染锂离子电池中不存在镉、铅、汞等对环境有污染的有害物质，是名副其实的“绿色电池”。（8）能够制造成任意形状，目前以圆柱形和方形为主任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池也有一些不足，主要表现在以下两个方面。（1）成本高

这主要是因为正极材料钴的价格高，但按单位能量价格来计算，较镍氢电池低，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池，且电解质提纯困难。任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点锂离子电池也有一些不足，主要表现在以下两个方面。（2）需要对电池单体进行过充电保护、过放电保护等，电池模组则需要与BMS配套使用。

①过充电将破坏锂离子电池的正极结构而影响其性能和使用寿命，同时过充电容易使电解质分解，锂离子电池会因内部压力过大而出现漏液等问题，故必须在最高限压4.2V以下充电。②过放电会导致活性物质恢复困难，故需要进行相应的保护。

任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点对于不同类型的锂离子电池，其性能也不尽相同。各类锂离子电池的性能特点如表所示。任务2.1认识动力蓄电池2.1.3锂离子电池的特点电池单体是一个电池系统的最小单元。电池单体是不能直接使用的，只有先通过严格筛选，将一致性好的多个电池单体按照精密设计组装成为电池模块，并加装电池单体监控与管理装置，再将多个电池模块组成一个电池包，并加上保护电路和保护壳，才能构成动力蓄电池任务2.1认识动力蓄电池2.1.4锂离子电池的应用目前，纯电动汽车上应用较多的动力蓄电池是三元锂电池和磷酸铁锂电。

1）三元锂电池

三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂（LiNixCoyMn1-x-yO2，NCM）或镍钴铝酸锂（LiNixCoyAl1-x-yO2，NCA）三元复合材料作为正极材料的锂离子电池。其中NCM三元锂电池因同时具有钴酸锂电池和锰酸锂电池的优点，应用较多。

目前，特斯拉、一汽大众、广汽埃安、北汽新能源、长城欧拉等多个品牌旗下的纯电动汽车采用了三元锂电池。任务2.1认识动力蓄电池2.1.4锂离子电池的应用2．磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳（石墨）作为负极材料的锂离子电池，电池单体的额定电压为3.2V，充电终止电压为3.6～3.65V，放电终止电压为2.0V。

充电过程中，正极磷酸铁锂材料中的部分锂离子脱嵌，经电解质传递到负极，嵌入负极材料晶格中；同时从正极释放出电子，自外电路到达负极，维持化学反应的平衡。放电过程中，锂离子自负极材料晶格中脱嵌，经电解质到达正极，嵌入正极材料晶格中；同时负极释放电子，电子自外电路到达正极，为外界供电。

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磷酸铁锂电池任务2.1认识动力蓄电池2.1.4锂离子电池的应用2）磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池的安全性能优异，对过充电的承受力好，热稳定性能好，循环寿命长，并且价格低廉。但其能量密度较三元锂电池低，且低温性能差，充放电倍率低，在纯电动汽车长续航和快速充电需求不断提升的背景下，其应用受到一定的限制。

目前，国内生产的特斯拉标准续航版Model3、ModelY纯电动汽车均已使用磷酸铁锂电池。小鹏G3、P7纯电动汽车也推出了搭载磷酸铁锂电池的车型。红旗E-QH5、比亚迪元PLUSEV、上汽奥迪Q5e-tron等多款新车型也将搭载磷酸铁锂电池。任务2.1认识动力蓄电池2.1.4锂离子电池的应用新能源汽车用动力蓄电池除上述锂离子电池外，还包括超级电容、飞轮电池、钠离子电池等类型。其中的钠离子电池在能量密度方面较磷酸铁锂电池的略低，但在低温性能和快速充电方面具有明显的优势，特别适用于高寒地区的高功率应用场景。任务2.1认识动力蓄电池2.1.4锂离子电池的应用任务2.1

认识纯电动汽车锂离子电池的结构和分类课堂总结锂离子电池的工作原理锂离子电池的应用锂离子电池的特点任务2.1

认识纯电动汽车课后作业简述三元锂电池与磷酸铁锂电池的优缺点。

分析BMS的特性2.2动力电池及管理技术项目2任务导入

BMS通常包括检测模块与运算控制模块两大功能模块。其中检测模块主要负责测量电池模组的电压、电流、温度及电池单体的电压，运算控制模块则根据这些信号进行状态估算并发出指令。因此，运算控制模块是BMS的大脑，而状态估算是BMS的核心功能。

BMS可以提升动力蓄电池的性能，这主要体现在动力蓄电池的安全性、使用寿命和可用电量三个方面。本任务要求学生从BMS的基本功能和结构两方面认识BMS，并分析BMS的特性，知识与技能要求如表所示。知识与技能要求想一想不同生产厂家和型号的BMS，其性能也不尽相同，但一般都具有以下基本功能。1.信息采集

1）基本信息的采集由于多种原因，在动力蓄电池中个别电池单体会出现性能改变的现象，使动力蓄电池在充电时不能充足电，在放电时很快便将电能放尽，这就要求BMS采集各个电池单体的电压、电流，掌握电池单体的具体状态。此外，BMS还需要采集动力蓄电池的总电压、总电流、温度等信息。动力蓄电池的这些基本信息是BMS所有顶层计算、控制逻辑的基础。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

1.信息采集

2）绝缘检测各个电池单体之间，各个电池模块之间，以及电池模组与高压接口之间，都要用电缆连接，这些电缆应可靠绝缘。因此，BMS需要对整个动力蓄电池系统进行绝缘检测，以免发生漏电、短路等故障。3）高压系统的完整性检测动力蓄电池系统一般装有自动断电器。BMS需要对整个高压系统的完整性进行确认，当发现高压系统受到破坏时，会控制自动断电器切断动力蓄电池的高压电路。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

当车辆发生碰撞或倾覆时，BMS应能立即切断动力蓄电池的高压电路，防止高压电引起火灾和触电事故；并防止电解液泄漏，以保证人身安全。有些车型可以利用安全气囊的动作来触发BMS，使其控制自动断电器切断动力蓄电池高压电路。

任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

2.状态估算

BMS根据采集的信息，采用相应的算法，对动力蓄电池的温度、荷电状态（stateofcharge，SOC）、健康状态（stateofhealth，SOH）、能量状态（stateofenergy，SOE）、功能状态（stateoffunction，SOF）、安全状态（stateofsafety，SOS）等进行估算。其中，动力蓄电池的温度估算是其他状态估算的基础，SOC估算受到SOH估算结果的影响，SOF是由SOC、SOH、SOS及动力蓄电池的温度共同决定的，SOE则与SOC、SOH、动力蓄电池的温度及未来工况有关。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

温度对动力蓄电池的性能影响较大，目前BMS一般只能测量电池模组的表面温度，而电池模组的内部温度则需要使用热力学模型进行估算。SOC、SOH、SOE都是动力蓄电池的隐性状态，不能由测量设备直接获取，需要BMS来估算。SOF、SOS需要根据对动力蓄电池系统及高压系统检测所得到的数据，依据相应标准判断得出。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

2.状态估算

SOC表示动力蓄电池当前的剩余容量与其充满电状态的容量的比值，常用百分数表示。

SOC设计有针对动力蓄电池的SOC估算观测器，可将BMS测得的电压值和电流值作为观测器的输入值，结合双自适应衰减扩展卡尔曼滤波等算法，估算出动力蓄电池的SOC。

SOH表示当前动力电池相对于新动力电池存储电能的能力，以百分比的形式表示动力电池从寿命开始到寿命结束期间所处的状态，用来定量描述当前动力电池的性能状态。

SOH是BMS中最重要的参数之一，精确掌握动力蓄电池的SOH可以为动力蓄电池系统的检测与故障诊断提供依据，有助于及时了解动力蓄电池各个电池单体的性能状态，及时更换老化的电池单体，提高动力蓄电池的整体寿命，进一步提高纯电动汽车的动力性能任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

2.状态估算

SOE表示当前条件下动力蓄电池可释放的能量与最大可用能量的比值，是反映动力蓄电池能量使用情况的重要指标。SOE的估算方法不同于SOC，它不仅受动力蓄电池负载电流的影响，还和动力蓄电池端电压相关。在动力蓄电池的使用过程中，当动力蓄电池的温度和充放电倍率发生变化时，动力蓄电池的放电率会随之改变，并影响动力蓄电池的SOE。对纯电动汽车而言，SOF可以被定义为在某一特定时刻，动力蓄电池能够提供给驱动电机等各种电气设备的功率，也可以简单地认为SOF是SOC及温度的函数。实际上，对很多纯电动汽车的动力蓄电池系统来说，BMS不仅要估算特定时刻动力蓄电池对外输出的功率，还要提供动力蓄电池允许充电的最大功率。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

3.故障诊断

故障诊断是BMS的重要功能，包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等环节。

BMS可通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断动力蓄电池系统的故障类型，并进行早期预警。当动力蓄电池工作时，BMS可以对其进行故障诊断，实时掌握动力蓄电池的各种状态；在非工作状态下，BMS也能将故障信息定位到动力蓄电池的各个部分（包括电池单体）。

BMS根据故障的严重程度将动力蓄电池的故障等级归纳为尽快维修、立即维修和电池寿命警告三级，并将相应的故障信息传递到组合仪表以警示驾驶员，从而保证动力蓄电池不被过分使用。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

3.故障诊断

动力蓄电池系统常见的故障有动力蓄电池自身故障，高压系统、热管理系统等各个子系统的传感器故障，继电器、风扇、泵、加热器等执行器故障，网络故障，以及各种控制器软硬件故障等。其中，动力蓄电池自身故障包括过电压（过充电）、欠电压（过放电）、过电流、超高温、内部短路、接头松动、电解液泄漏、绝缘性能降低等。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

4.均衡控制

均衡控制是BMS根据电池单体信息，采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式，尽可能地使动力蓄电池各电池单体的容量保持一致。

动力蓄电池中各电池单体之间的不一致性在其整个生命周期里都不可避免。如不采取措施，电池单体在充放电过程中的不一致性会导致某些电池单体由于过充电、过放电而提前失效。因此，必须对动力蓄电池中的电池单体进行均衡控制，将各个电池单体充放电性能的恶化程度降至最小或使其消失。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

均衡控制为消除电池单体的不一致性带来的严重影响，近年来，研究者们采用了各种各样的方法对动力蓄电池进行均衡管理，目前主要使用的方法有以下：两种。1）分流法在充电时，当某个电池单体的充电电压超过设定值时，可通过并联在该电池单体上的电阻对该电池单体的电流进行分流，从而达到降低该电池单体充电电压的目的。2）切断法在充电时，当某个电池单体的充电电压超过设定值时，可用自动控制开关切断该电池单体的电路，同时闭合旁路开关，电流绕过该电池单体，继续对下一个电池单体充电。切断法所需的开关个数是电池单体个数的两倍。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

5.热管理

锂离子电池适宜的工作温度为15～35℃，而纯电动汽车的实际工作温度为-30～50℃，因此必须对动力蓄电池系统进行热管理，在低温时对其进行加热，在高温时对其进行冷却，以充分发挥动力蓄电池的性能。

任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

5.热管理

动力蓄电池在工作时会产生较高的温度，理想状态是将其产生的热量充分用于取暖和挡风玻璃除霜等，使热量得到合理利用，但实际上新能源汽车的结构设计决定了人们很难利用这部分热能或利用起来并不经济。因此，通过技术创新实现对这部分热能的有效利用，将是降低整车能量消耗的研究方向之一。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

6.充电控制

BMS中一般设有充电管理模块，它能够根据动力蓄电池的特性、温度的高低及车载充电机的功率等级，控制车载充电机给动力蓄电池进行安全充电。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

7.网络通信

BMS能与VCU等网络节点进行通信；同时，BMS还可以在不拆卸电池箱的情况下，进行在线参数标定、状态监控、代码自动生成、程序下载（程序更新而不拆卸产品）等。通常，车载网络均采用CAN总线。8.安全控制与报警

BMS在诊断到故障后，可通过车载网络通知VCU，并要求VCU进行有效处理（超过一定阈值时BMS也可以自动切断高压电路），以防止高温、低温、过充电、过放电、过电流、漏电等对车辆和人员造成损害。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

9.信息存储

BMS可用于存储关键数据，如SOC、SOH、SOE、SOF、累积充放电安时数、故障码和一致性状态等。10.电磁兼容纯电动汽车的使用环境有时会比较恶劣，因此BMS通常具有良好的抗电磁干扰能力；同时BMS对外辐射很小，可与纯电动汽车的其他系统更好地兼容。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

具有几十个电池单体的动力蓄电池系统可能只有一个BMS控制器，或者将BMS的功能集成到VCU中。具有数百个电池单体的动力蓄电池系统，其BMS可能有一个主控制器和多个仅管理一个电池模块的从控制器。每个具有数十个电池单体的电池模块会配置一些继电器和均衡装置。从控制器负责管理电池模块，控制继电器，均衡电池单体并与主控制器通信。主控制器根据各从控制器所报告的数据执行电池状态估算、故障诊断、热管理等功能。任务2.2分析BMS的特性2.2.1BMS的基本功能

BMS可分为集中式和分布式两种结构形式。（1）集中式结构

是将所有的电气元件都集中到一块控制板上，以保证采样芯片具有较高的通道利用率，采样芯片与主芯片之间可以采用菊花链通信，电路设计相对简单，产品成本较低，但所有的采集线束都会连接到控制板上，对BMS的安全性要求较高，并且菊花链通信的稳定性相对较差。这种结构形式比较适合动力蓄电池容量较小、形式相对固定的场合。2.2.2BMS的结构

（2）分布式结构

一般由主控制板和从控制板组成。这种结构形式可以是一个电池模块配备一个从控制板，如果电池模块的电池单体数量少于12个，就会造成采样通道的浪费（采样芯片一般有12个通道）；