《动力蓄电池及管理系统检修》 课件 任务1、2 电池成组、电池单体充放电

任务一电池成组《动力蓄电池及管理系统检修》比亚迪电池组装车间小王去比亚迪电池组装车间参观学习，好奇的问李师傅：“李师傅，我们常见的锂离子蓄电池电压大概在4V左右，而电动汽车的动力蓄电池系统电压通常是300V以上。是通过什么方式将这些低电压的电池组合成满足电动汽车需要的高电压电池的呢？”李师傅对这个问题进行了解答，答案就在本任务中。单体电池是如何连接成高压动力蓄电池的？电池组装工李师傅、参观学习学生小王能根据电池组合方式，在电池单体性能测试实验箱上按照要求完成电池的各类组合。能根据动力蓄电池检测教学平台中电池的组合及连接方式，使用铅笔、直尺等工具，准确绘制电池组的连接示意图。电池的定义电池是通过电化学反应输出电能的装置主要由电极、电解质、隔膜等组成正极材料和电解质界面上发生还原反应，得到电子负极材料和电解质界面上发生氧化反应，失去电子电池成组试验此处为视频电池的分类电池的分类可以按照电解质种类、正负极材料、工作特性、贮存方式进行。最常见的是按照工作性质和贮存方式进行分类，分为原电池、蓄电池、贮备电池和燃料电池四大类。电池成组试验电池的分类原电池是直接使用的一次性电池。放电时正、负极化学反应不可逆，为一次性使用电池。电池成组试验体积小、使用方便、可靠性高、成本低、自放电率低，但放电电流偏小。电池的分类工作时，正、负极进行的反应为可逆反应，充放电可反复多次、循环进行。蓄电池是二次电池。电池成组试验具有可充电特性、功率密度高、放电率高、放电曲线平滑、低温性能好，在储能领域用途广泛。电池的分类贮备电池电解质与正、负极在贮存期间是不接触的，使用时需激活。贮备时间长，能满足长时间贮备和贮备恶劣环境的要求。电池成组试验电池的分类反应的产物不能通过充电产生可逆反应，工作时需要从外部连接将燃料和氧化剂提供到反应界面。燃料电池是通过燃料(包括纯氢、富氢燃料或含氢化合物）与氧化剂（纯氧或空气中的氧）发生氧化还原反应，产生电能的装置。电池成组试验电池的分类燃料电池的工作原理电池成组试验

该类电池反应中，燃料是正极电化学反应的活性物质，而氧是负极电化学反应的活性物质。它们的反应产物都不能通过充电产生可逆反应。因此，燃料电池和普通原电池的工作原理并无区别，不同之处在于，燃料电池中既不储存燃料，也不储存氧化剂，只是在需要使用电池时，从电池外部连续将燃料和氧化剂分别按需求量适时的提供至正、负电极/电解质的反应界面位置，就可以形成电极反应，输出电能。在燃料电池中，只要外部源源不断供应燃料和氧化剂，同时内部电极/电解质界面及其他成分不发生变化，燃料电池就能连续不断地放电，向负载输出直流电能,右图为燃料电池工作原理图。

电池的分类燃料电池的工作原理电池成组试验燃料电池的正负电极仅是提供一个电化学反应的场所，其本身完全不参与反应，因此该类电极的组成材料本身应该是化学惰性的，在电池反应过程中不会损耗。燃料电池与传统热发动机相比，具有更高的热效率和较少的污染，另外还具有较高的能量密度。由于燃料电池是利用氢和氧的化学反应，产生电流及水，不但污染少，还可以避免传统电池充电耗时的问题，是目前最具发展前景的新能源方式，如能普及并应用在车辆及其他高污染的设备上，将能显著减轻空气污染及温室效应。电动汽车用动力蓄电池为电动汽车动力系统提供能量的蓄电池。包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子蓄电池。锂离子电池质量比能量高、质量比功率高，自放电率低、无记忆效应、无污染，是电动汽车用动力蓄电池的主流产品。电池成组试验电动汽车用动力蓄电池技术发展现状及应用领域电动汽车用动力蓄电池锂离子电池具有质量能量密度高、质量功率密度高、自放电率低、无记忆效应以及环境友好等突出优点，成为目前电动汽车用动力蓄电池的主流产品，其应用领域涵盖了混合动力电动汽车、插电式混合动力电动汽车、纯电动汽车以及氢燃料电池汽车等。

特别是得益于新能源汽车的持续快速发展，近年来中国锂离子电池产业的规模稳步增长，宁德时代、比亚迪等骨干企业快速成长。国家统计局数据显示，2018年全年我国锂离子电池累计产量达到139.9亿只，同比增长25.9%，产业规模达到1727亿元，同比增长9%，再次创下历史新高。电池成组试验2021年国内动力电池企业装机量与同比电动汽车用动力蓄电池宁德时代2011年成立，2017年靠三元锂电池一炮而红，成为国内外最大电池供应商。生产的动力电池供应特斯拉最多，占比20%。此外还有蔚来汽车、小鹏汽车、上汽集团、一汽集团。电池成组试验宁德时代电动汽车用动力蓄电池比亚迪1995年成立，老牌电池生产企业，后续以电池为基础，转战汽车整车制造生产，成就了今天的新能源汽车一线企业。其主要生产磷酸铁锂电池，刀片电池是其招牌，旗下动力电池超90%为自用，小部分供应中国一汽、金康汽车等。电池成组试验比亚迪电动汽车用动力蓄电池国轩高科1995年成立，2015年借壳东源电器上市后的国轩高科成为目前A股上市公司最纯正的动力电池标的。旗下动力电池供应上汽集团车辆最多，占比29%。此外还有江淮汽车、奇瑞汽车、零跑汽车、长安汽车等。电池成组试验国轩高科电动汽车用动力蓄电池锂离子电池有三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂等，他们的各有优缺点。电池成组试验类别钴酸锂锰酸锂磷酸铁锂镍钴锰(三元材料)耐过充不耐耐耐不耐氧化性很强一般弱强过充极限0.5C/6V3C/10V3C/10V0.5C/6V用作动力电池的安全性很不安全安全性能好安全性能好不安全安全容量1Ah10~30Ah可达100Ah/大功率能力好很好一般/价格昂贵低廉低廉一般电池单体的基本组成电极：包括正极和负极。正极是氧化电极，正极材料接受外电路传来的电子，进行电化学反应，被还原；负极是还原电极，负极材料进行释放电子的电化学反应，将电子传给外电路，自身被氧化。电池成组试验隔膜：为避免电池单体内极性相反的电极片直接接触造成内部短路的组件。电解质：电荷转移的介质。通过离子在电池单体内正、负极之间的移动，实现电池单体内部电荷的转移，完成电流的全回路流通，由此向负载连续输出电能。外壳：电池单体的容器。端子：电池单体与外部导体连接的部件，分为正极端子和负极端子。电池单体的外形电池成组试验圆柱形锂离子电池由正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外壳、盖帽/正极帽、垫片、安全阀等，常见型号有14650、14500（5号电池）、18650、21700等。方形锂离子电池通常是指铝壳或钢壳方形电池，结构较为简单，整体附件重量要轻，相对能量密度较高。软包锂电池内部组成(正极、负极、隔膜、电解液)与方形、圆柱锂电池的区别不大，最大的不同之处在于软包电池采用铝塑复合膜作为外壳，在发生安全隐患的情况下软包电池最多只会鼓气裂开，安全性较高。电池单体的外形电池成组试验三种电芯对比，各有优势，具体情况如右表。电池成组的定义电池成组试验动力蓄电池作为电动汽车的动力源，需要较高的电压和较大的容量，电池单体往往无法满足要求，需要根据实际需求，将若干个电池单体通过串联、并联或串并混联的形式组合使用，这个过程称为电池成组。电池的组合方式电池成组试验串联组合方式并联组合方式串并混联组合方式电池的组合方式用mPnS来表示，其中P表示并联，S表示串联，m、n表示并联或串联的电池单体个数。例如：1P4S表示4个电池单体串联组成电池组；3P1S表示3个电池单体并联组成电池组；3P4S表示每3个电池单体并联为1组，串联4组（共12个电池单体）组成电池组。电池的发展趋势电池成组试验无钴电池三元锂电池降低钴元素的比例和含量，会降低成本，因此，无钴电池的出现，将有力推动新能源汽车市场的发展。电池的发展趋势电池成组试验固态电池固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池。固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物为传导物质，取代以往锂电池的电解液，大大提升锂电池的能量密度，并且具有高机械强度，在电池循环过程中能有效抑制锂枝晶的刺穿，使具有高理论能量密度的金属锂作为负极材料成为可能。电池的发展趋势电池成组试验刀片电池刀片电池是是比亚迪于2020年3月29日发布的电池产品，该电池采用磷酸铁锂技术，通过结构创新，在成组时可以跳过“模组”，大幅提高了体积利用率，最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。相较传统电池包，刀片电池的体积利用率提升了50%以上，也就是说续航里程可提升50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平。课前测试成绩靠前的为组长，组长挑选各组组员电池成组实验电池成组试验资料员查阅电池参数。记录员绘制联接方法。操作员熟悉联接方式并检查是否正确。在电池单体性能测试试验箱中完成电池成组实验电池成组试验电池成组试验汇报时明确电池在各联接方式下的注意事项电池单体性能测试实验箱绝缘手套、护目镜、安全帽、耐磨手套导线、电池单体、彩色铅笔、直尺电池性能参数电池成组试验注意电池的正负极联接。小心短路。检查联接无误后再连线。线路连接要牢固，不能出现虚接。联接完成后用万用表测量电压值。联接完成后进行7S管理。电池成组试验电池成组实验

在下图中分别画出电池单体1P2S、2P1S和2P2S的接线方式，并在电池单体性能测试实验箱中完成接线操作。（a）1并2串

（b）2并1串

（c）2并2串

电池组接线动力蓄电池的基本术语电池单体：将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置。电池模块：将一个或以上的电池单体按照串联、并联或串并联方式组合，并作为电源使用的组合体。电池组：由多个电池模块串联组成的一个组合体，通常用来表示一个电池包内所有动力蓄电池的组合体。动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池的基本术语电池包：具有从外部获得电能并可对外输出电能的单元。通常包括电池单体、电池箱体、高压电路、过流保护装置及与其他外部系统的接口（如冷却、高压、辅助低压和通信等）。动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池系统：一个或一个以上的电池包及相应附件（管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备及机械总成）构成的为电动汽车整车的行驶提供电能的能量存储装置。动力蓄电池的基本术语动力蓄电池箱：用于盛装蓄电池组、蓄电池管理系统以及相应的辅助元器件，并包含机械连接、电气连接、防护等功能的总成，简称电池箱。蓄电池管理系统（BMS）：监视蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态等），可为蓄电池提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备通信接口的系统动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池系统的组成电池单体通过串并联的方式组成电池模块，电池模块串联组成电池组；电池组与BMS、相应附件、电池箱等组成电池包；电池包与相应的附件组成动力蓄电池系统。动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池的连接方式电池模块之间采用铜排相互串联连接，并有电压采集线、温度采集线等低压线束与BMS连接。为了提高维修过程的安全性，便于在维修时切断高压回路，通常在电池模块之间串联高压维修开关。动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池连接图绘制资料员查阅教学平台说明书，读取动力蓄电池系统的基本信息，并告知组员。记录员要正确绘制动力蓄电池连接图。绘制动力蓄电池检测教学平台上电池的连接图动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池连接图绘制汇报时简单讲解平台参数。汇报绘制的思路。动力蓄电池检测教学平台绝缘手套、护目镜、安全帽、耐磨手套高压安全防护用品、彩色铅笔、直尺教学平台说明书动力蓄电池连接图绘制注意触碰高压时佩戴安全防护装备。小心工具落地。注意作业时拉隔离栏。注意仔细查阅平台说明书。仔细观察电池的连接方式。绘制时用彩色笔区别不同的连线。动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池检测教学平台

动力蓄电池检测教学平台如下图所示，能够直观的了解动力蓄电池内部结构组成、连接方式。动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池基本信息

（1）读取动力蓄电池基本信息查找教学平台说明书，读取动力蓄电池系统的基本信息，完成下表填写。项目记录动力蓄电池种类

电池单体数量

电池模块数量

电池组合方式

P

S是否装有高压维修开关是□

否□标称电压/额定电压

额定容量

动力蓄电池连接图绘制动力蓄电池组连接示意图（2）绘制动力蓄电池连接图分析动力蓄电池检测教学平台中电池的组合及连接方式

，绘制动力蓄电池组的连接示意图。

检查各联结方式是否正确检查线路是否联接紧固检查动力蓄电池连接图是否正确是否检查后再接线是否正确佩戴防护装备是否标明正确的电池参数电池单体联接是否正确电路图绘制是否正确电池成组的方式有几种？锂电池的类型有几种？特点是什么？锂电池的发展趋势是什么？目标明确职业素养团队合作观看燃料电池工作原理视频回顾电池成组的方式对比不同锂电池的特点预习下一个工作页观看下一个工作页随书数字资源任务二电池单体充放电《动力蓄电池及管理系统检修》比亚迪电池组装车间小王去到比亚迪电池组装车间进行参观学习，好奇的问李师傅：“李师傅，这么小的电池要怎么进行测试呢？电池在充电、放电过程中的变化是怎样的呢？”李师傅对小王的问题进行了解答，答案就在本任务的学习内容中。单体电池是如何进行充放电的？电池组装工李师傅、参观学习学生小王单体电池是如何进行充放电测试的？能按照充放电标准流程，正确使用蓄电池充放电设备，规范完成电池单体充电和放电作业。能按照充放电标准流程，正确使用蓄电池充放电设备，规范完成不同倍率的电池充放电测试。电池工作原理电池是一种能量转换装置放电时，电池将化学能转变为电能；充电时，电池将电能转变为化学能并贮存起来电池单体充放电操作充放电工作原理放电工作原理：以锂离子电池为例，当电池放电时，电池与外部负载相连，电子从负极通过外部负载流向正极，此时负极被氧化，正极接受电子而被还原，在电解质中依靠阴离子和阳离子分别向负极和正极的移动而使整个电路连通起来。电池单体充放电操作充放电工作原理充电工作原理：电池在充电时的电流流动方向与放电时相反，正极发生氧化，负极接受电子而被还原，在电解质中依靠阴离子和阳离子分别向正极和负极的移动而使整个电路连通起来。电池单体充放电操作充放电工作原理表1

电池正、负极在充放电过程中的不同反应电池单体充放电操作电池电极放电充电正极得电子，发生还原反应失电子，发生氧化反应负极失电子，发生氧化反应得电子，发生还原反应充放电工作原理电池单体充放电操作以新能源汽车中常见的锂离子电池为例，正极为具有锂离子的化合物，负极为碳物质，中间为聚合物隔膜，内部还有电解质。充放电工作原理电池单体充放电操作锂离子电池充电时，正极上的锂原子会分解成锂离子和电子，电子通过外电路到达负极，锂离子通过隔膜到达负极。在负极，锂离子与电子相遇，使锂离子变成锂原子。充放电工作原理电池单体充放电操作锂离子电池放电时，负极中的锂原子会分解为锂离子和电子，电子会沿着外电路到达正极，锂离子会通过隔膜到达正极。锂离子在阳极遇到电子后会形成锂原子。充放电工作原理电池单体充放电操作表2锂离子电池充放电特性锂电池正极材料钴酸锂锰酸锂三元材料磷酸铁锂充放电倍率中低中中低中高温性能较好差中好库伦效应＞95%＞95%＞95%＞95%电池单体充放电特性基本术语放电电流：放电电流是指电池放电时电流的大小。放电电流一般用放电率表示，放电率是指电池放电时的时率，常用“时率”和“倍率”两种形式表示。时率也称为小时率，是以放电时间（h）表示的放电速率，或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数，常用C/n来表示，其中C为额定容量，n为一定的放电电流。例如，电池的额定容量为60A·h，以10A电流放电，则时率为60A·h/10A=6h，称电池以6h率放电。电池单体充放电操作电池单体充放电特性基本术语倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所输出的电流值，它在数值上等于额定容量的倍数。例如，2倍率（记为2C）放电，表示放电电流的数值是额定容量数值的2倍。若电池的容量为20A·h，那么放电电流为2×20A=40A。如果换算成小时率，则是20A·h/40A=1/2h。一般情况下，放电倍率在1/3C以下为低倍率，1/3C～3C为中倍率，3C以上为高倍率。电池单体充放电操作电池单体充放电特性基本术语充电电流：充电电流是指电池充电时电流的大小，其表示方式与放电电流相同。电池单体充放电操作电池单体充放电特性基本术语放电终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压，也称为放电截止电压。电池单体充放电操作电池单体充放电特性基本术语充电终止电压：按规定的充电制度，电池由恒流充电转入恒压充电时的最大电压值，也称为充电限制电压。电池单体充放电操作电池单体充放电特性基本术语电池容量：电池容量是指在一定放电条件下可以从电池获得的电量，用符号C表示，单位为安时（A·h）或毫安时（mA·h）。电池单体充放电操作电池单体充放电特性基本术语电池内阻：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。电池单体充放电操作放电深度：放电深度（DOD）指蓄电池放电容量占额定容量的百分比。充放电方式电池单体充放电操作电池的充电方式有恒流充电和恒压充电。目前，电动汽车用动力蓄电池多采用先恒流后恒压的两段式充电方式。首先以设定好的充电电流进行恒流充电至充电终止电压，之后转为恒压充电，充电电流逐渐减小，当减小至0.05C时结束充电。充放电方式电池单体充放电操作电池的放电方式有恒流放电和恒阻放电。目前，电动汽车用动力蓄电池多采用恒流的放电方式，即以设定好的放电电流放电至放电终止电压后放电停止。充放电特性的影响因素电池单体充放电操作充电特性的影响因素：影响充电特性的主要因素有充电电流、放电深度和充电温度等。充电电流增大，充电时间减少，内阻能耗增大；放电深度增加，充电所需时间增加，恒流充电时间所占总充电时间比例增加，恒流充电容量占所需充入容量的比重增加；随着环境温度的降低，电池的可充入容量明显降低，而充电时间明显增加。充放电特性的影响因素电池单体充放电操作放电特性的影响因素：影响充电特性的主要因素有放电电流、放电终止电压和放电温度等。高倍率放电时，电极的极化增强，内阻增大，放电电压下降较快，导致实际放出的容量较低；相应地，低倍率放电时，电极的极化较小，放电电压下降缓慢，因此电池实际放出的容量较高，有时会高于额定容量。电池正常工作温度范围内（-20℃～60℃），电池温度越高，端电压越高，电池的可用容量越多。但是长期在高温下工作会造成电池的容量迅速下降，从而影响电池的使用寿命。报数法任意指派一名学生开始从1-5依次报数报相同数目的同学为一组电池单体充电操作电池单体充电操作资料员负责查阅维修手册和蓄电池充放电设备使用说明书。安全员检查连接线缆是否正确。记录员完成记录充放电过程。完成单体电池充放电操作电池单体充电操作电池单体充电操作汇报时阐述操作步骤报告小组分工情况报告小组工作目标有动力蓄电池PACK教学实训平台的场地绝缘手套、护目镜、安全帽、耐磨手套维修手册、蓄电池充放电设备及使用说明书、万用表、纸笔、直尺教学实训平台说明书电池单体充电操作注意佩戴安全防护装备后再触碰高压。小心短路。检查线缆连接无误后再充放电。线路连接要牢固，不能出现虚接。连接完成后安全员检查连接是否正确。全程监督充放电过程。电池单体充电操作术语及定义电动汽车蓄电池容量：表征电池容量特性的专用术语有三个：理论容量、额定容量、实际容量。电池单体充放电测试理论容量：指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量。12额定容量：指设计和制造电池时，规定或保证电池在一定的放电条件（如温度、放电终止电压、放电倍率等）下应该放出的最低限度的容量。3实际容量：指在一定的放电条件下，即在一定的放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电量。在电池实际工作中，在SOC=1时所能放出的全部电量。术语及定义电池的实际容量通常比额定容量大10%～20%。电池单体充放电测试电池容量的大小，与正、负极上活性物质的数量和活性有关，也与电池的结构和制造工艺与电池的放电条件（电流、温度）有关。术语及定义影响电池容量因素的综合指标是活性物质的利用率。换言之，活性物质利用得越充分，电池给出的容量也就越高。

电池单体充放电测试活性物质的利用率可以定义为：利用率=（电池实际容量/电池理论容量）×100%或利用率=（活性物质理论用量/活性物质实际用量）×100%。术语及定义蓄电池的实际容量指电池的实际容量主要受环境温度、充放电倍率、使用寿命等因素的影响。电池单体充放电测试①温度对电池容量的影响

随着温度的升高，电池的活性物质活性增强、电子扩散速率增加、电导率增加，电化学反应加快，电池所能放出的能量增加。术语及定义蓄电池的实际容量指电池的实际容量主要受环境温度、充放电倍率、使用寿命等因素的影响。电池单体充放电测试②循环寿命对电池容量的影响

随着电池循环次数的增加，活性锂离子减少、负极上钝化膜的形成等电池内部变化都将导致电池的容量减小。术语及定义蓄电池的实际容量指电池的实际容量主要受环境温度、充放电倍率、使用寿命等因素的影响。电池单体充放电测试③放电倍率对电池容量的影响

放电倍率的单位为C，1C指电池在1h内进行恒流放电，放完所有电量所需要的电流大小。电池寿命（1）循环寿命蓄电池经历一次充电和放电，称为一个循环或一个周期。在一定的放电制度下，电池容量降低至某一规定值之前，电池所能耐受的循环次数，称为蓄电池的循环寿命或使用周期。循环寿命受放电深度（DOD）、温度、充放电电流的影响比较明显，因此一般表示蓄电池循环寿命的同时还要指出循环条件，如循环寿命1000次（在100%DOD常温、1C条件下）。蓄电池在出厂时，应注明其循环寿命及循环条件。电池单体充放电测试正常情况下电池组的寿命仅有单体电池寿命50%～80%循环寿命电池寿命电池的循环，表示的就是锂离子全部跑到电池一极，然后又全部跑到另一极，才算一次循环。简单说，一个循环就是电池满充满放一次。三元锂电芯的理论寿命为800-1200次循环，磷酸铁锂约为2000-2500次循环，到达70%的容量。电池单体充放电测试并不是说电池要满充满放，浅充浅放才会使得锂电池更耐用。）循环寿命电池寿命（2）贮存寿命贮存寿命的指电池自放电的大小通过容量下降到某一规定容量所经过的时间，也称为搁置寿命。电池单体充放电测试自放电越小，贮存寿命越长。贮存寿命电池寿命（2）减少电池容量衰减的方法：

①保证电池在正常的温度下工作(一般在0到40℃)，可以较少产生副反应；

②少用快充，快充时电压大，容易导致电池过充，使锂离子沉积在隔膜或电极表面，且快充时温度相对较高，容易对三元锂电池造成不可逆影响；

③避免急加速等动作，电池讲究一个稳，突然的电流变化很容易导致内部发生副反应，导致电池受损；

④浅充浅放，对于锂电池来说，完全充放电反而会导致电池