【文章內容簡介】 ） 2 ~ 質量比能量（ W?h/kg） 30~50 60~120 90190 循環(huán)壽命（次） 200300 （ 70%DOD） 500~1800（ 100%DOD） 1000~3000（ 80%DOD） 自放電率（ %/月） 2~10 2~30 1~5 工作溫度（℃） 5~40 20~50 30~60 抗濫用性 好 較好 很差 鉛酸電池由于 技術成熟， 價格低廉，長期以來在電動汽車上得到廣泛應用 ； 但是 其比能量低，循環(huán)壽命短 ， 并且重金屬鉛會造成環(huán)境污染，目前正逐漸面臨淘汰。 鎳氫電池無污染，能 提供 較大電流，并且具有較高的回收使用效率 。 已經在豐田普銳斯、本田思域等混合動力汽車上得到應用。 鋰離子電池 具有 工作電壓高 、循環(huán)壽命長、 安全性好、 能量密度高 、無記憶效應等優(yōu)點， 這些優(yōu)點使其在手機、藍牙設備、筆記本電腦、數碼相機等便攜式設備上得到了廣泛的應用， 已成為最常用的電池之一 。鋰離子電池的 特點 使其在電動汽車領域 具有明顯的優(yōu)勢，并 迅速得到 廣泛 應用，被認為是電動汽車的理想動力源。 電動汽車對電池性能的要求 電池是電動汽車的 關鍵 部件，電池 的性能 對汽車整體性能影響很大 。 電動汽車 對電池的性能要求較高 ， 表現在 以下幾個方面： 1） 環(huán)境適應性好 。汽車作為交通運輸 工具 ， 工作環(huán)境復雜多變，要求電池能適應各種惡劣的工作環(huán)境 。路況較差時，汽車顛簸嚴重， 道路上通常塵土多，要求電池有良好的抗震性和防塵能力 ； 汽車 經常 需要在嚴寒、高溫和 雨雪天氣 行駛 ， 這就 要求電池 能適應不同的工作溫度，并 有一定的防水能力 。 2）高能量密度。 汽車上空間狹小， 能夠用于安裝電池的空間有限，因此要求電池具有較高的能量密度。 對于純電動汽車， 電池是汽車唯一的能量來源，電池的能量密度直接決定了汽車的續(xù)航里程。 第 1 章 引言 4 3） 高功率密度。汽車作為貨運工具和人員載具，需要較大的驅動功率 ；汽車在啟動和加速時需要較大牽引力，對電池的瞬時功率要求較高。 因此電動汽車的電池需要較高的功率密度。 4） 良好的 一致性。為了滿足電動汽車電壓和功率的要求，車用電池通常由數十到數百只電池單體串聯使用，如果一致性較差，各電池 單體 狀態(tài)不一，容易造成個別 單體 過度充電或過度放電，影 響電池的性能和壽命，甚至造成安全 事故 。 5） 使用 壽命長。 電池的使用壽命是限制電動汽車推廣的一個重要因素，較長的使用壽命意味著較低的使用成本和維護成本。 6）自放電率低，無記憶效應。汽車使用時經常會長時間靜置，這就要求電池自放電率低，因為過高的自放電率可能導致汽車靜止時電池過度放電而損害電池。車用電池 充放電 過程 隨機性較大 ，特別是混合動力電動汽車，因此要求 電池沒有記憶效應。 7）良好的安全性。 汽車與人接觸緊密，車用電池的安全性直接關系到乘員的人身安全。 車用電池的工作環(huán)境決定了它必須 具有以上幾個特點 ，目前車用電池技術的不足也主要體現在這些方面。在研究車用電池技術時，一方面要改進電池材料和加工工藝， 提高 電池的質量 ；另一方面， 要深入研究電池應用技術，使現有的電池更好的滿足車用要求 。 鋰離子電池 簡介 鋰離子電池發(fā)展概述 鋰離子電池依靠鋰離子在正極和負極之間移動產生電流，因此而得名。鋰離子電池是上世紀九十年代初期發(fā)展起來的 新型電池， 經過 近二十年的發(fā)展 ，目前己 在各種消費 電子 產品 中 得到廣泛應用 ，并且 被應用于 電動汽車、潛艇、飛機和航天器 等 高科技領域 。 鋰在所有金屬中摩爾質量最小，質量比能量最大，氧化還原電位最低，是一種理想的電池材料。 鋰 電池 括鋰一次電池和鋰二次電池。 鋰 二次電池的研究最早開始于 20 世紀 60~70 年代， 當時主要以金屬鋰作為電池負極材料，這種電池有嚴重的安全隱患 [13]。 鋰電池的安全問題一直沒有得到很好的解決，最終被鋰離子電池取代 。Armand[14]首先提出了用嵌鋰化合物替代金屬鋰作為負極材料的構想 。 隨后，第 1 章 引言 5 Scrosati 等人 [15]以 TiS WO NbS2 或 V2O5 作為正極 ， LiWO2 或 Li6FeO3作為負 極， 組裝成 鋰離子電池， 于 1986 年完成了電池的 原型 設計。 索尼 公司 于 1990 年 率先推出了實用型的鋰離子電池。這種電池 克服了鋰電池安全性差，循環(huán)壽命短的缺點， 迅速成為研究熱點，并得到了廣泛的推廣使用。 鋰離子電池工作原理 鋰離子電池主要由正極、負極、電解質及隔膜組成。 各部分 材料的不同和工藝上的差異使電池有不同的性能 和不同的名稱 。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是鋰金屬氧化物，包括鈷酸鋰（ LiCoO2） 、 錳酸鋰（ LiMn2O4） 、磷酸鐵鋰（ LiFePO4） 和 鎳酸鋰（ LiNiO2） 。 鋰離子電池 工作時 鋰離子在正負極間不斷嵌入和脫嵌 ， 從而實現充放電 。充電時 Li+從正極 材料上剝離，穿過隔膜移動 到負極，同時 電子 通過 外電路移 動 到負極 并 被 Li+俘獲，保證了負極的電荷平衡。 放電 過程 則相反 ， Li 失去一個電子變成 Li+， 從負極 穿過隔膜回到 正極。在正常的充放電情況下，電池 負極材料化學結構基本不變，因此鋰離子電池反應是一種理想的可逆過程 [16]。 鋰離子電池充電 過程 反應為： 1）正極 反應 ? ? +221 xL iM O L i M O L i exx? ? ? （ 11） 2）負極 反應 x6L i e 6C L i Cxx? ? ? ? （ 12） 3） 總的 電池反應 ? ?2 2 x 61 xL iM O 6 C L i M O L i C? ? ? （ 13） 鋰離子電池 放電過程 反應為： 1）正極 反應 ? ? +221 xL i M O L i e L iM Oxx? ? ? （ 14） 2）負極 反應 第 1 章 引言 6 x6L i C L i e 6Cxx?? ? ? （ 15） 3） 總的 電池反應 ? ? 2 x 6 21 xL i M O L i C L iM O 6 C? ? ? （ 16） 其中， M 為 Co、 Ni、 Fe、 W、 Mn 等金屬元素 。 車用鋰離子電池組集成技術 車用鋰離子電池組集成技術簡介 隨著電動汽車逐步推向市場應用，電動汽車的安全問題逐漸暴露出來 ，引起人們的廣泛關注，成為制約電動汽車市場推廣的重要因素之一 。 2022 年 4 月 11 日， 杭州 街頭 一輛 行駛中 的 電動出租車突然發(fā)生自燃，事故發(fā)生后，杭州市立即 停止了所有 新能源出租車 的運營 。無獨有偶，同年6 月，河北邢臺市發(fā)生類似的電動汽車自燃事件；同月，青島一輛電動汽車在充電 過程中 突然著火。 2022 年 5 月 12 日，美國國家交通安全管理局對 通用 沃藍達電動汽車進行了碰撞測試，測試之后 停放在停車場的被測車輛于三周后突然著火 ； 11 月底，美國國家交通安全管理局 對 三輛沃藍達電動車 進行測試，其中兩部再度起火。調查結果表明，幾起事故均由電動汽車電池或電路系統(tǒng)故障引起 [18]。 2022 年 4 月 11 日，通用替代能源技術中心正在進行測試的鋰離子電池突然發(fā)生爆炸 [19]。 2022 年 5 月 26 日凌晨，深圳一輛電動出租車被撞后起火，車內三人當場死亡 [20]。 電動汽車電池的安全問題引起人們的強烈擔憂， 已經 成為 電動汽車發(fā)展和市場 推廣 過程中亟待 解決的問題。除了電池本身的質量和加工工藝問題，引起電動汽車安全事故的一個重要原因是電池集成技術不成熟。 電池 系統(tǒng) 作為電動汽車 的儲能單元， 為了提供驅動汽車所需的數百伏高壓，通常需要將數十到數百個電池單體串聯使用。如何將數量眾多的電池單體 集成為滿足車用要求的電池組，是電池組集成技術研究的主要問題。 隨著電動汽車技術的發(fā)展，電池 組 集成 技術已成為新興的研究熱點 。電池組集成技術對于提高電池工作效率、延長使用壽命和提高安全性等方面均具有重要意義。 電池系統(tǒng)的集成 并不是將電池單體 簡單的串并聯組合 ， 而是以滿足車用要求為目標，以保障電池安全工作為指導，完成電池系統(tǒng)的集成。 車用電池第 1 章 引言 7 系統(tǒng)結構 如 圖 所示。 電池系統(tǒng)包括電池單體、機械 結構 和電氣結構。機械結構以電池熱管理系統(tǒng) （ Battery Thermal Management System, BTMS） 為核心 ，電氣結構以電池管理系統(tǒng)（ Battery Management System, BMS）為核心 。電池安全是集成技術關注的重點，包括結構安全、熱安全和電安全。 電 池 系 統(tǒng)電 池 單 體電 池 單 體電 池 單 體機 械 結 構 熱 管 理 系 統(tǒng)電 氣 結 構電 池 管 理 系 統(tǒng)結 構 安 全電 安 全熱 安 全 圖 車用電池系統(tǒng)結構示意圖 電池管理系統(tǒng)研究現狀 美日歐等發(fā)達國家對電池管理系統(tǒng)的研究起步較早，依托成熟的汽車工業(yè)和先進的電池技術，取得了一系列研究成果，部分成果在汽車上成功應用。其中較成熟的電池管理系統(tǒng)有： 美國 通用汽車公司應用于“ EV1”的電池管理系統(tǒng)；德國研究人員開發(fā)的 BADICHEQ 和 BADICOACH 電池管理系統(tǒng) ；美國 AeroVironment 公司 開發(fā)的 SmartGuard 電池管理系統(tǒng)。 1） EV1 的電池管理系統(tǒng) [21] 通用公司的 EV1 電動汽車由 26 個鉛酸電池串聯供電，市區(qū)行駛里程可達 113 公里。電池系統(tǒng)由電池模塊（ Battery Pack Module）、電池管理系統(tǒng)和高壓保護裝置組成。其中電池管理系統(tǒng)的主要功能有：單體電壓檢測、電池組電流 測量、高壓斷電保護、過放電報警、剩余電量估計和絕緣監(jiān)測等。 2） BADICHEQ 和 BADICOACH 電池管理系統(tǒng) [22] BADICHEQ 電池管理系統(tǒng) 于 1991 年完成裝車試驗，該系統(tǒng) 能夠同時對20 個單體的電壓、溫度和電流進行測量；可以根據電池狀況對充電電流進行合理控制，并通過小型充電機對單體電池 進行均衡充電；可以保存電池狀第 1 章 引言 8 態(tài)信息并在汽車儀表上顯示。 BADICOACH 電池管理系統(tǒng)以 BADICHEQ 為基礎，改進了單體電壓測量方法，并能將狀態(tài)較差的電池單體信息顯示出來。 3） SmartGuard 電池管理系統(tǒng) [23] SmartGuard 電池管理系統(tǒng)主要特點是采用專用 IC 測量單體電壓和溫度。該 系統(tǒng)的主要功能有：測量單體電壓、溫度和電流；過度充電檢測，防止過度充電；放電極性反向報警；電池信息保存；剩余電流估算。 近年來國內關于電池管理系統(tǒng)的研究取得了很大進步，許多知名高校聯合汽車廠商或電池廠商共同展開研究，研究成果豐碩。 2022 年國家 863 計劃首批研究課題立項，很多高校和汽車企業(yè)成立了項目組進行電池管理系統(tǒng)的研究，部分產品已經在實車上應用。 清華大學開發(fā)的“帶故障診斷功能的電池管理系統(tǒng)” [24]采用 一主多從的 分布式拓撲結構 。子控制單元采集單體電壓和溫度，主控制單元負責系統(tǒng)整體控制，并進行總線電流和電壓采集。該系統(tǒng)還實現了 SOC 估算、絕緣監(jiān)測、接口狀態(tài)檢測等功能。通過對系統(tǒng)失效方式和嚴重程度的研究， 確定了故障檢測方法和應對措施，在此基礎上設計了電池管理系統(tǒng)的 OBDII 系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。 哈爾濱工業(yè)大學針對純電動汽車開發(fā)了電池管理系統(tǒng) [25]， 該系統(tǒng)由 10塊子控制板和 1 塊主控制板組成，實現了單體電壓測量、電池組內多點溫度測量、總電壓和總電流采集、單體電壓均衡和數據通訊等功能。 深圳派司德公司生產的 BSB1023 型電池管理系統(tǒng) [26]可以檢測 410 路單體電壓，實時監(jiān)測電池組總電壓、總電流和溫度， 還能實現單體電壓均衡。 從以上國內外電池管理系統(tǒng)的研究情況可以看出，電池管理系統(tǒng)的功能應包括：單體電壓和溫度監(jiān)測、總電壓和總電流監(jiān)測、 SOC 估算、故障診斷、絕緣檢測、單體電壓均衡和數據通訊功能。 近年來，電池 SOH（ StateofHealth, 健康狀態(tài)）和 SOF（ StateofFunction, 功能狀態(tài)）的估 計吸引了很多研究者的關注 [2830]，但尚未在成熟的產品上 得到 實現。 本文將基于研究對象的功能需求，提出電池管理系統(tǒng)的設計指標，完成電池管理系統(tǒng)的開發(fā)。 電池組熱管理系統(tǒng)研究現狀 在電動汽車上， 電池經常需要進行大電流的充放電，在此過程中會產生大量的熱 量 。 汽車上空間狹小，通常 電池組中大量的電池單體緊密的排布在一起，聚集的熱量難以排出，長時間工作時電池溫度可能超出正常范圍。 由于空間位置不同，各電池單體的溫度也存在差異。電池溫度過高和溫度不一第 1 章 引言 9 致會降低電池充放電效率，影響電池性能發(fā)揮，嚴重時會導致熱失效，影響電池的 安全性和可靠性 [31]。 因此，在車用電池組中加入熱管理系統(tǒng)很有必要。 熱管理系統(tǒng)的研究基礎是 電池熱模型的建立 。 目前