新能源汽车动力蓄电池及管理技术 课件 项目一 电池的认知与检测

新能源汽车动力蓄电池管理技术高等职业教育新能源汽车类专业教材Contents项目一电池的认知与检测项目二高压电池包的认知与拆装项目三充电系统的认知与检测项目四电池管理系统的认知与检测项目一电池的认知与检测任务1常见电池的认知任务2单体电池的认知任务3单体电池的检测任务描述一位客户来到4S店想要购买一台荣威Ei5纯电动轿车，询问该款汽车的动力蓄电池是什么类型的。请你为客户介绍一下常见电池的基本知识。任务1常见电池的认知任务1常见电池的认知一、知识准备电池的发明1800年，亚历山大·伏特制成了人类历史上最早的电池。1836年，约翰·丹尼尔进一步改进了伏特电池，它是第一个可长时间持续供电的蓄电池。1859年，法国科学家普兰特·加斯东发明了可重复充电的铅酸电池。1901年，爱迪生发明了Fe-Ni电池。1984年，荷兰的飞利浦公司成功研制出储氢合金并制备出MH-Ni电池。1991年，可充电的锂离子蓄电池问世。1995年，索尼公司首先研制出100A·h锂离子动力蓄电池并在电动汽车应用。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的分类按电解液的种类分类碱性电池酸性电池中性电池有机电解液电池按电池所用的正负极材料分类锌系列电池镍系列电池铅系列电池锂系列电池二氧化锰系列电池空气（氧气）系列电池按电池的工作原理分类物理电池化学电池生物电池任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用铅酸电池铅酸电池的类型启动式铅酸电池牵引式铅酸电池固定式铅酸电池任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用铅酸电池铅酸电池的结构任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用铅酸电池铅酸电池的工作原理任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用铅酸电池铅酸电池的特点单格电池标称电压为2.0Ｖ高倍率放电性能良好高低温性能良好没有“记忆”效应，易于识别荷电状态充电时间长，比能量低环保性能差，存在重金属铅的污染。使用寿命短，使用成本高任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用铅酸电池铅酸电池的应用电动自行车电动牵引车纯电动乘用车图1-4通用EV-1电动汽车图1-3电动摩托车任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池一般包括锂原子电池和锂离子电池。锂原子电池也称锂金属电池，以二氧化锰为正极材料，金属锂或其合金为负极材料。锂原子电池为原电池，不能反复充、放电。锂离子电池是蓄电池，可以进行多次充放电使用。它主要依靠锂离子在正负电极间的往返嵌入脱嵌来完成电池的充电和放电过程。通常应用最多的锂离子动力电池主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池以及三元锂电池。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的结构锂离子电池基本都由电池正极、负极、隔膜（隔板）、电解液和安全阀等组成。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的外形结构按照锂离子电池的外形分类，一般将其分为圆柱形、方形、异形等。圆柱形锂离子电池圆柱形电池型号用5位数字表示，分别表示电池的直径和高度，前两位表示直径（单位为mm），后两位表示高度（单位为0.1mm）。18650代表电池的外表尺寸：18表示直径18mm650表示长度为65mm任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的外形结构方形锂离子电池6个数字分别表示电池的厚度、宽度和高度，单位毫米。三个尺寸任一个大于或等于100mm时，尺寸之间应加斜线。ICP103450表示一个方形二次锂离子电池，正极材料为钻，其厚度约为10mm，宽度约为34mm，高约为50mm。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的外形结构异形锂离子电池特点是电池的外形可以是规则的或不规则的几何形状，多用于手机、照相机等各种电子产品。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的工作原理任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的特点工作电压高比能量高循环寿命长自放电小环保性高无记忆效应高温和低温的存储性较差耐过充电和过放电能力差价格相对较高任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池锂离子电池的应用在便携式电器方面的应用在交通运输行业的应用在军事装备及航空航天事业中的应用锂离子电池的其他应用任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池典型锂离子电池-磷酸铁锂电池（LiFePO4）也称“铁电池”，是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，该电池与其他锂离子电池最大的区别是电池的正极加入了铁元素。标称电压为3.2V，充电终止电压为3.6V，放电终止电压为2.0V（一般电池厂家为了保护电芯使用寿命，放电终止电压会设计为2.5V）。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池典型锂离子电池-三元锂电池也称“三元聚合物锂电池”，指的是镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂作为正极材料的锂离子电池。镍钴锰三元锂电池的三元指的是镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）三种元素。标称电压为3.7V，充电终止电压为4.2V，放电终止电压为3.0V。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用锂离子电池典型锂离子电池-磷酸铁锂电池与三元锂电池性能对比磷酸铁锂电池三元锂电池能量密度160W·h/kg200W·h/kg安全性（热失控温度）200℃500℃耐低温性能（-20℃）70%容量55%容量循环寿命2000次1000次任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用镍氢电池镍氢电池的结构正极负极隔膜电解液壳体安全阀任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用镍氢电池镍氢电池的特点使用温度范围宽循环寿命长无污染耐过充、过放无记忆效应充电时容易发热高温状态下性能变差自放电率高均匀性较差成本高任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用镍氢电池镍氢电池的应用镍氢电池与镍镉电池电压平台相同，在充放电特性方面相似，基本取代了镍镉电池。在多种电子产品上广泛应用，并成为混合动力电动汽车的主流动力电源。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用燃料电池燃料电池同普通电池概念完全不同，被称为燃料电池只是由于在结构形式上其与电池有某种类似，外观、特性像电池而已。燃料电池作为发电装置，没有原动机驱动，而是将燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。只要不中断供应燃料，它就可以不停地发电。目前主流技术采用氢燃料电池。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用燃料电池燃料电池的工作原理任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用燃料电池燃料电池的组成电极。燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，主要分为阳极和阴极。电解质隔膜。主要功能是分隔氧化剂与还原剂，并传导离子。集电器。又称作双极板，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等功能。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用燃料电池燃料电池的应用质子交换膜燃料电池由于兼具无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量等特点，被公认为替代传统内燃机的最理想动力装置，是真正零排放的车用能源。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用超级电容器也称为双电层电容器，是一种物理储能电池，通过极化电解质来储能的电化学元件，但在储能过程中并不发生化学反应，而且储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容器的比功率是电池的10倍以上，具有充放电速度快、循环寿命长、使用温度范围宽、无污染等优点，是一种非常有前途的新型绿色能源。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用超级电容器超级电容器的结构极板隔膜电解液任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用超级电容器超级电容器的工作原理当外加电压到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，正极板存储正电荷，负极板存储负电荷，在两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用超级电容器超级电容器的特点输出功率密度高循环寿命长充电时间短储存寿命极长比能量低任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用超级电容器超级电容器的应用等间距定点停车的公交车场地车其他类型汽车的辅助电源任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用飞轮电池飞轮电池是一种物理储能电池，最初应用在电动汽车上。随着碳纤维技术的广泛应用和轴承技术的发展，飞轮电池已展示出广阔的应用前景。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用飞轮电池飞轮电池的组成飞轮轴和轴承电机真空容器电力电子变换器任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用飞轮电池飞轮电池的工作原理充电时，飞轮电池中的电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电动机带动飞轮高速旋转。放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能到电能的转换。任务1常见电池的认知一、知识准备电池的结构、工作原理及应用飞轮电池飞轮电池的特点能量密度高能量转换效率高工作温度范围宽使用寿命长低损耗、低维护成本高浪费能量任务1常见电池的认知二、任务实施工作准备工具设备多种类型单体电池实训资料教材、实训任务单任务1常见电池的认知二、任务实施实施步骤单体电池的识别电池类型特点任务1常见电池的认知二、任务实施实施步骤单体电池的识别电池类型特点任务1常见电池的认知二、任务实施实施步骤单体电池的识别电池类型特点任务1常见电池的认知二、任务实施实施步骤单体电池的识别电池类型特点任务1常见电池的认知二、任务实施实施步骤单体电池的识别电池类型特点任务描述一位客户购买的荣威Ei5纯电动轿车需要更换单体电池，询问该款汽车的单体电池是什么类型的。请你为客户介绍一下单体电池的基本知识。任务2单体电池的认知任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数电压参数电动势反映电源将其他形式的能转换成电能的物理量，电动势使电源两端产生电压。常用E表示，单位是伏（V）。开路电压指在开路状态下，电池的正极电位与负极电位之差。一般近似认为电池的开路电压就是电池的电动势。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数电压参数额定电压也称公称电压或标称电压，是指在规定条件下电池工作的标准电压。不同电化学类型的电池单体额定电压是不同的，根据额定电压也能区分电池的化学体系。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数电压参数工作电压指电池在接通负载放电过程中所显示出的电压，又称负荷（负载）电压或放电电压。电池的工作电压低于开路电压。充电上限电压指电池充满电时的电压。如果达到充电上限电压仍不停止充电，则为过充。放电终止电压也称放电截止电压，是指电池在放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数容量参数电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池容量，以符号C表示，其单位常用A·h或mA·h表示。理论容量（C0）假定全部活性物质参加电池的成流反应所能提供的电量。额定容量（C）保证电池在一定的放电条件下放出的最低限度容量。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数容量参数实际容量（Cx）指在实际应用情况下电池实际放出的电量，它等于放电电流与放电时间的乘积。C20=50A·h，表明在20h放电率下的容量为50A·h。电池的实际容量与放电电流密切相关。当大电流放电时，实际放出的容量较低；在低倍率放电条件下，实际放出的容量常常高于额定容量。剩余容量指在一定放电倍率下放电后，电池剩余的可用容量。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数内阻电池内阻的定义电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。电池内阻不是常数，它在放电过程中根据活性物质的组成、电解液浓度、电池温度以及放电时间而变化。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，两者之和称为电池的全内阻。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数内阻极化内阻产生的原因欧姆极化浓差极化电化学极化任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数能量与能量密度能量指在一定放电制度下，电池所能释放出的能量，通常用W·h或kW·h表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。实际能量可以采用电池组额定容量与电池放电平均电压乘积来进行估算。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数能量与能量密度能量密度指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，也称为质量能量密度（W·h/kg）或体积能量密度（W·h/L），即质量比能量或体积比能量。动力蓄电池质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能量会影响到动力蓄电池的布置空间任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数功率与功率密度功率指在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位一般为千瓦（kW）。功率密度单位质量电池输出的功率称为功率密度，又称比功率，单位一般为kW/kg。功率密度是评价电池及电池组是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数荷电状态电池荷电状态（StateofCharge，SOC）用于描述电池的剩余电量，指电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。SOC一般用百分比的方式来表示，取值为:０≤SOC≤100%。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数放电深度放电深度（DepthofDischarge，DOD）是放电容量与额定容量之比的百分数。DOD与SOC之间的数学计算关系：DOD=1-SOC一般情况下，蓄电池常用的放电深度越深，其使用寿命就越短。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数使用寿命使用寿命的概念蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环或者一个周期。按一定测试标准，当电池容量降到额定值的80%以前，电池经历的充放电循环总次数，称为蓄电池的循环寿命或使用周期。电池类型锌银电池铅酸电池锂离子电池循环寿命30~50次300~500次＞1000次任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数使用寿命使用寿命的影响因素影响动力蓄电池寿命的因素主要包括充放电速率、充放电深度、环境温度、存储条件、电池维护过程、电流波纹以及过充电量和过充频度等。电池成组应用中，动力蓄电池单体不一致性、单体所处温区不同、车辆的振动环境等都会对电池寿命产生影响。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数自放电率自放电率是指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度。自放电率采用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数不一致性电池不一致性的概念指同一规格、同一型号的电池单体组成电池组后，在电压、内阻及其变化率、荷电量、容量、充电接受能力、循环寿命、温度影响、自放电率等参数方面存在的差别。任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数不一致性电池不一致性产生的原因电池内部结构和材质上的不完全一致性电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数不一致性电池不一致性的分类容量不一致性电压不一致性电池内阻不一致性任务2单体电池的认知一、知识准备电池的性能参数放电制度放电制度就是指电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电倍率（电流）、终止电压和温度等。放电电流放电电流是指电池放电时的电流大小。放电终止电压在低温或大电流（高倍率）放电时，终止电压规定得低些；小电流放电时，终止电压规定得高些。任务2单体电池的认知一、知识准备单体电池充放电单体电池充电锂离子电池充电方式是先恒流后恒压。一般为以下四个阶段：涓流充电恒流充电恒压充电充电终止任务2单体电池的认知一、知识准备单体电池充放电单体电池放电当电池的SOC大于20%时，电池恒流放电，当电压下降至2.5V，转入恒压放电。任务2单体电池的认知二、任务实施工作准备安全防护安全防护与隔离工具设备数字式万用表、兆欧表、绝缘防护用品、绝缘工具套装、常规工具套装等台架车辆LH-04048电池包拆装实训台辅助资料教材、维修资料、实训任务单任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤单体电池的拆卸和安装步骤1：观察LH-04048电池包拆装实训台，掌握电池包整体结构及外部连接情况。任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤步骤2：找到手动维修开关，解除开关上的锁止，拔下高压维修开关，如图1-21所示。步骤3：断开电池包与外部连接的插头，如图1-22所示。任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤步骤4：拆下电池包罩盖螺栓，并取下罩盖，如图1-23所示。步骤5：拆下主负接触器与电池模组的连接导线及主负接触器，如图1-24所示。任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤步骤6：拆下主正接触器与电池模组的连接导线及主正接触器，如图1-25所示。步骤7：拆下电池模组间的连接导线，如图1-26所示。任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤步骤8：拆下手动维修开关（MSD）与电池模组间连接导线，如图1-27所示。步骤9：拆下电池包主熔断器的连接导线及主熔断器，如图1-28所示。任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤步骤10：拔下分采集控制模块和电池管理系统控制单元插头,并拆下分采集控制模块和BMS控制单元，如图1-29所示。步骤11：拆下四个电池模中单体电池间连接片并取下相关连接线束，如图1-30所示。任务2单体电池的认知二、任务实施实施步骤步骤12：拆下四个电池模固定钢带，取下单体电池并摆放至相应位置，如图1-31所示。电池的安装步骤与拆卸步骤相反。任务描述一位客户购买的荣威Ei5纯电动轿车更换单体电池后，询问故障电池的故障原因，请你为客户介绍一下单体电池故障检测的基本知识。任务3单体电池的检测任务3单体电池的检测一、知识准备单体电池的测试方法荷电状态检测电池的荷电状态（SOC）反映电池的剩余容量状况，其数值定义为电池剩余容量占电池容量的比值。SOC测量方法有开路电压法、安时积分法、内阻法等。开路电压法利用电池的开路电压与电池SOC的对应关系，通过测量电池的开路电压来估计SOC。适用于测试稳定状态下的电池SOC。任务3单体电池的检测一、知识准备单体电池的测试方法荷电状态检测安时积分法也称电流积分法，通过负载电流的积分估算SOC。该方法实时测量充入电池和从电池放出的电量，从而能够给出电池任意时刻的剩余电量，但是需要定期校准。内阻法电池的SOC与电池的内阻有一定的联系，可以利用电池内阻与SOC的关系来预测电池的荷电状态。任务3单体电池的检测一、知识准备单体电池的测试方法内阻检测电池的内阻不是固定不变的常数，其在使用过程中主要受荷电状态和温度等因素的影响。内阻阻值很小，一般用毫欧（mΩ）来度量。测量方法有直流放电法和交流阻抗法。直流放电法对蓄电池进行瞬间大电流放电，然后测量电池两端的瞬间压降，再通过欧姆定律计算出电池内阻。任务3单体电池的检测一、知识准备单体电池的测试方法内阻检测交流阻抗法交流阻抗法是以小幅值的正弦波电流或者电压信号作为激励源，注入蓄电池，通过测定其响应信号来推算电池内阻。电池内阻测试仪是用来测量电池内部电阻值的仪器，既可测无电源对象的阻值，也可测有电源对象的阻值，它利用内阻阻值的大小来判断电池的劣化状态。任务3单体电池的检测一、知识准备单体电池的测试方法容量检测电池容量是指在一定条件下供给电池或者电池放出的电量，即电池存储电量的大小，通常以安时（A·h）表示。电池容量测试的标准流程为：放电阶段→搁置阶段→充电阶段→搁置阶段→放电阶段在设定好的环境下以固定的电流对充满电的电池进行放电，直到放电终止电压