电池系统的结构原理

知识点三、EV电池系统的结构原理

1.EV总体组成与基本工作原理

(1)EV总体组 EV主要由动力电池组、驱动电机、控制系统及安全保护系统等组成(图2-21)。电池组是电动汽车的能源,驱动电机用于将电池组的电能转化为机械能,驱动车辆行驶。控制系统实施对电池组进行管理和对电机进行控制。安全保护系统在电动汽车发生紧急情况时,对人及机器进行保护。

(2)EV基本工作原理(图2-22) EV保留了传统汽车的加速踏板、制动踏板和各种操纵手柄等,但它不需要离合器。

图2-21　EV结构组成

在电动汽车工作时,传感器将加速踏板、制动踏板机械位移的行程量转换为电信号,输入中央控制系统,经中央控制器处理后发出驱动信号,达到对电动汽车工况的控制。

当汽车行驶前进时,电池组输出的直流电经电机控制系统变为交流电后供入驱动电机,电机输出的转矩经传动系统驱动车轮。

当汽车减速时,车轮带动驱动电机转动,通过电机控制系统使感应电动机成为交流发电机产生电流,再将交流电变为直流电向电池组充电(制动再生能量)。同时,EV控制系统通过各种传感器、电流检测器对动力电池组、驱动电机进行监控并及时反馈信息和报警,并通过电流表、电压表、电功率表、转速表和温度表等仪表进行显示。

图2-22　纯电动汽车结构组成

(3)比亚迪e6纯电动汽车工作原理(图2-23)

具体的EV结构与工作原理会比较复杂,比亚迪e6纯电动汽车结构组成与工作原理如图2-23所示。

电源接通,汽车前进时,主控ECU接收档位控制器、加速踏板和角度传感器等各方面信息,传递给电机控制器,以控制流向前驱电机的电流,此时电池组电流通过应急开关、配电箱/继电器之后,一路经过电机控制器向前驱动电机供给需要的电流,从而使驱动电机运转,通过变速器/差速器和传动轴,带动左右前轮转动,使汽车行进;另一路经过DC－DC转换器,将电池组330V高压直流电转换为低压42V,提供给电动转向系统EPS使用。同时电池组接受电池管理器管理,将电池组的瞬时电压、电流、温度、存电情况等信息传递给电源管理器,以防止电池组过放电或温度过高损坏电池组。如果发生漏电情况,漏电保护器起作用。一旦发生紧急短路等情况,保护装置熔丝即熔断保护。

图2-23　比亚迪e6纯电动汽车工作原理

2.EY电池主要性能指标

电池是EV的唯一能源,对汽车运行起决定性作用。目前广泛应用的动力电池有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池、钠氯电池和锂离子电池等,其主要性能指标见表2-3。

表2-3　主要动力电池性能指标

1)安全性能。安全性能指标不合格的电池是不可接受的。其中影响最大的是爆炸和漏液。爆炸和漏液的发生主要与电池的内压、结构和工艺设计(比如安全阀失效、锂离子电池没有保护电路等)及不正确操作(比如将电池通过起火区)有关。

2)容量。指在一定放电条件下,电池所能释放出的总电量,它是放电电流(A)和放电时间(h)的乘积。由于对同一个电池采用不同的放电参数所得出的A·h是不同的,为了便于对电池容量进行描述、测量和比较,必须事先设定统一的条件,按照H:C(国际电工委员会International Electro technical Commission的简称)标准和我国国标,镍镉和镍氢电池在(20±5条件下,以0.1C(C代表电池的额定容量)充电16h后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量,以C表示;锂离子电池在常温、恒流(1C)、恒压(4.2V)条件下充电3h后再以0.2C放电至2.75V时所放出的电量为电池的额定容量。电池容量的单位为m A·h和A·h(1A·h＝1000m A·h)。

以2300m A·h镜氢充电电池为例,表示该电池以230m A(0.1C)充电16h后以460m A(0.2C)放电至1.0V时,总放电时间为5h,所放出的电量为2300m A·h。相应地,若以230m A的电流放电,其放电时间约为10h。

3)内阻。电池的内阻是指电流流过电池内部时所受到的阻力。充电电池的内阻很小,需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。一般所知的电池内阻是充电态内阻,即指电池充满电时的内阻(与之对应的是放电态内阻,指电池充分放电后的内阻。一般说来,放电态内阻比充电态内阻大,并且不太稳定)。电池内阻越大,电池自身消耗掉的能量越多,电池的使用效率越低。内阻很大的电池在充电时发热很厉害,使电池的温度急剧上升。对电池和充电器的影响都很大。随着电池使用次数的增多,由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低,电池的内阻会有不同程度的升高。质量越差的电池上升越快。

4)循环寿命。指电池在保持电池性能前提下,可经历的重复完全充放电的次数。电池寿命和容量成反向关系,一般镍氢电池的循环寿命可达500次以上。高容量电池的寿命则较短,不过也可达200次以上。循环寿命还与充放条件密切相关,一般充电电流越大(充电速度越快),循环寿命越短。

5)荷电保持能力。荷电保持能力即通常讲的自放电,是指在开路状态下,电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。自放电主要是由电池材料、制造工艺、储存条件等多方面的因素决定的。通常温度越高,自放电率越大。充电电池一定程度的自放电属于正常现象。以镍氢电池为例,IEC标准规定电池充满电后,在温度为(20±5)℃、湿度为65%±20%条件下,开路搁置28天,0.2C放电时间不得小于3h(即剩余电量大于60%)。锂离子电池和干电池的自放电要小得多。

6)高率放电性能。即大电流放电能力。大电流放电性能主要和电池的材料及制作工艺有关。

7)能量密度(比能量)。指每千克电池的能量。

8)功率密度(比功率)。指每千克电池的功率。

3.EV常见电池的结构与工作原理

(1)铅酸电池 这种电池是1859年由普兰特(Plante)发明的,至今已有多年的历史,由于其价格低廉、原材料易于获得,可靠性好,适用于大电流放电及环境温度范围适应性大等优点而被汽车广泛应用。但其能量密度和功率密度偏小,在小型电动汽车使用较多。

1)基本结构。基本结构如图2-24所示,主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。一个电池由几个单体电池组成,每个单体电池电压为2V。

极板组是由单片极板组合而成,单片极板又由极栅和活性物质构成,极栅常用铅锑合金制成,正极的活性物是二氧化铅(Pb O2),负极的活性物质是海绵状纯铅(Pb)。

隔板位于两极板之间,防止正负极板接触而造成短路。材料有木质、塑料、硬橡胶、玻璃丝等,现大多采用微孔聚氯乙烯塑料。

电解液是用蒸馏水(H2 O)稀释纯浓硫酸(H2 SO4)而成。其相对密度视电池的使用方式和极板种类而定,一般在1.200～1.300(25℃)之间(充电后)。

容器通常为硬橡胶槽或塑料槽等。

图2-24　铅酸电池结构

2)工作原理(图2-25)

①电池电动势的产生。正极板的二氧化铅在硫酸溶液中水分子的作用下,少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质——氢氧化铅,氢氧根离子分散在电解液中,铅离子留在正极板上,故正极板上缺少电子;负极板的铅与电解液中的硫酸发生反应,变成铅离子,铅离子转移到电解液中,负极板上留下多余的两个电子(2e)。

图2-25　铅酸电池结构工作原理

a)建压;b)放电;c)充电

可见,在未接通外电路时(电池开路),由于化学作用,正极板上缺少电子,为＋2.0V,负极板上多余电子,为－0.1V,两极板间就产生了一定的电位差2.1V,这就是电池的电动势。

正极板:

负极板:

②电池放电过程。当电池外部电路接通时,在蓄电池的电位差作用下,负极板上的电子经负载进入正极板形成电流,同时在电池内部进行化学反应。

负极板上每个铅原子放出两个电子后,生成的铅离子,与电解液中的硫酸根离子反应,在极板上生成难溶的硫酸铅正极板的铅离子得到来自负极的两个电子(2e)后,变成二价铅离子与电解液中的硫酸根离子反应,在极板上生成难溶的硫酸铅。正极板水解出的氧离子与电解液中的氢离子反应,生成水。

电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极,在电池内部形成电流。

放电时硫酸的浓度不断下降,正负极上的硫酸铅增加,电池内阻增大(硫酸铅不导电),电解液浓度下降,电池电动势降低。所以可以通过检查电解液密度来检查电池的放电程度。放电时化学反应总方程式为

③电池充电过程。充电时,应外接一直流电源(充电机或整流器),使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质,并把外界的电能转变为化学能储存起来。

充电时正极板在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子和硫酸根负离子,由于外电源不断从正极吸取电子,则正极板附近游离的二价铅离子不断放出两个电子来补充,变成四价铅离子,并与水继续反应,最终在正极板上生成二氧化铅;同时负极板在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子和硫酸根负离子,由于负极不断从外电源获得电子,则负极板附近游离的二价铅离子被中和为铅,并形成多孔状铅附在负极板上。

充电过程电解液中,正极不断产生游离的氢离子和硫酸根离子,负极不断产生硫酸根离子,在电场的作用下,氢离子向负极移动,硫酸根离子向正极移动,形成电流,同时硫酸浓度升高。

充电时化学反应总方程式为

(2)镍锅电池(Ni－Cd) 1901年瑞典人尤格涅尔(W.JMger)发明了镍镉电池。镍镉电池循环寿命比铅酸电池长得多(表2-3),经济耐用,内阻小,可快速充电,可为负载提供大电流,而且放电时电压变化很小,不会出现电解液泄漏现象,故无须补充电解液。但镍镉电池会造成镉污染,还有镍镉电池有记忆效应(Memoryeffect),即镍镉电池使用过程中,如果电量没有全部放完就开始充电,下次再放电时,就不能放出全部电量。比如,镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电,充足电后,该电池也只能放出80%的电量,这种现象称为记忆效应。这是因为电池部分放电后,氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍,剩余的氢氧化亚镍将结合在一起,形成较大的结晶体,导致无法放电。因此,在使用中应注意尽量放完电后再充电,防止记忆效应。

1)基本结构。基本结构如图2-26所示,一个电池由几个单体电池组成,每个单体电池电压为1.2V。

镍镉电池属于碱性蓄电池,采用海绵状金属镉作负极活性物质,氢氧化镍作正极活性物质。正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带(或镍带)中,经拉浆、滚压、烧结、化成或涂膏、烘干、压片等方法制成极板;用聚酰胺非织布等材料作隔离层;电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

图2-26　镍镉电池结构

a)外观;b)结构
1－正极板;2－接线柱;3－加液口盖;4－绝缘导管;5－负极板;6－吊架7－单格电池连接条;8－极板骨架;9－绝缘层;10－镀镍薄钢板;11－外壳;12－通孔13－活性物质;14－正极板导管;15－氢氧化镉

2)工作原理。镍镉蓄电池充电后,正极板上的活性物质变为氢氧化镍(NiOOH),负极板上的活性物质变为金属镉;镍镉电池放电后,正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍,负极板上的活性物质变为氢氧化镉。

放电时:

充电时:

(3)镍氢电池(Ni－MH) 镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品,它是目前最环保的电池之一,其以能吸收氢的金属代替镉,不再使用有毒的镉,可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢电池相比于铅酸电池和镍镉电池有着较大的能量密度比,能有效地延长车辆的行驶时间,同时镍氢电池的“记忆效应”比镍镉电池小得多,这使得镍氢电池在电动汽车中得到大量使用,如丰田普锐斯电动汽车动力电池就是镍氢电池。

1)基本结构(图2-27)。镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极),负极活性物质为金属氢化物,也称储氢合金(电极称储氢电极),电解液为氢氧化钾。由活性物质构成电极极片的工艺方式主要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式、嵌渗式等工艺制成。单体电池的电压为1.2V。

镍氢电池中的金属氢化物的“金属”部分实际上是金属互化物(在一定条件下,金属相互化合而形成的化合物)。许多种类的金属互化物都已被运用,它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类,A是稀土元素的混合物(或者)再加上钛(Ti),B则是镍(Ni)、钴(Co)和锰(Mn)等。而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成,这里的A则是钛(Ti)或者钒(V),B则是锆(Zr)或镍(Ni),再加上一些铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)等。所有这些化合物扮演的都是相同的角色:可逆地形成金属氢化物。电池充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H＋)会被释放出来,由这些化合物将它吸收,避免形成氢气(H2),以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时,这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。

图2-27　镍氢电池的结构

a)普锐斯电动汽车镍氢电池;b)圆柱形电池;c)方形电池
1－电池盒(－);2－绝缘衬垫;3－盖帽(＋);4－安全排气口5－封盘;6－绝缘圈;7－负极;8－隔膜;9－正极;10－绝缘体

2)工作原理(图2-28)。充电时,负极析出氢气,储存在容器中,正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍(NiOOH)和;放电时氢气在负极上被消耗掉,正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。

图2-28　镍氢电池工作原理

a)负极(储氢合金载体);b)正极(镍)

(4)锂离子电池 锂是最轻的金属,锂离子电池是指锂离子(Li＋)嵌入化合物为正、负极的二次电池。锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的。相对于传统的铅酸电池与镍氢电池,其性能最为优越,号称“终极电池”,受到市场的广泛青睐。它具有工作电压高(单体标称电压高达3.6V,是镍氢电池的3倍,铅酸电池的近2倍),比能量大(高达150W·h/kg,是镍氢电池的2倍,铅酸电池的4倍,因此重量轻,是相同能量的铅酸电池的1/3～1/4),循环寿命长(循环次数可达1 000次以上,寿命约为铅酸电池的2～3倍,使用年限可达5～8年),自放电率低(每月不到5%,是镍氢电池的1/6),允许工作温度宽(－20～55℃),无记忆效应,不存在有毒物质,对环境无污染,能够制造成任意形状,尤其是电池主要材料锂(Li)、锰(Mn)、铁(Fe)、钒(V)等,在我国都是富产资源,特别适合我国发展。比亚迪汽车公司开发的磷酸铁锂电池,受到业界重视。锂离子电池目前主要问题是成本较高,安全性能有待进一步完善。

图2-29　锂离子电池结构

a)方形锂离子电池;b)圆柱形锂离子电池
1－外壳;2－负极端子;3－正极端子;4、14－隔膜;5、16－负极板;6－正极板7、9－绝缘体;8－负极柱;10－密封圈;11－顶盖;12、17－正极;13－安全排气阀;15－负极

1)基本结构(图2-29)。锂离子电池负极一般是可大量储锂的碳素材料,正极是含锂的过渡金属氧化物或磷化物,电解质是锂盐的有机溶液。

正极一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物,如Li－等。

负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物等。

电解质采用LiPF6的乙稀碳酸酯(EC)、丙烯碳酸酯(PC)和低黏度二乙基碳酸酯(DEC)等烷基碳酸酯搭配的混合溶剂体系。

隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低,而且具有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。

外壳采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功能。

2)工作原理(图2-30)。当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态。放电时则相反。Li＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,被形象地称为“摇椅电池”。

正极

负极

总反应

图2-30　锂离子电池工作原理

3)比亚迪e6纯电动汽车电池组。e6纯电动汽车采用磷酸锂钴铁电池,简称铁电池,也是锂电池的一种,它放在汽车底部(图2-31),由90个单体电池组成,总电压307V,电池容量达220A·h,可以使续驶里程达到300km。电池组相关技术参数见表2-4。

图2-31　比亚迪e6纯电动汽车电池组

a)汽车底部;b)电池组

表2-4　比亚迪e6电池组技术参数

续表

除上面介绍的4种电池外,还有镍锌电池、钠硫电池、钠氯电池、锌空气电池、铝空气电池等,在电动汽车用得相对较少,限于篇幅,在此不做介绍。

4.电动汽车电池管理系统(BMS)

(1)电池管理系统的作用 电池管理系统英文单词是Batty Management System,简称BMS。它的主要作用如下。

1)电池温度控制。汽车动力电池采用大容量单体电池容易产生过热,从而影响电池的安全和性能,必须监测和控制温度。

2)保持电池组电压和温度的平衡。由于电池正负极材料和电池制造水平的差异,调查组各单体电池之间尚不能达到性能的完全一致,在通过串并联方式组成大功率大容量动力电池组后,苛刻的使用条件也容易诱发局部偏差,从而引发安全问题。因此,为确保电池性能良好,延长电池使用寿命,必须使用BMS对电池组进行合理有效管理和控制。

3)防止电池过充过放。串联的电池组充电/放电时,部分电池可能先于其他电池充满/放完。继续充电/放电就会造成过充/过放,电池的内部副反应将导致电池容量下降,热失控或者内部短路等问题。电池老化、低温等情况,均会导致部分电池的电流超过其承受能力,降低电池的寿命。

4)防止电池短路或者漏电。因为振动、湿热、灰尘等因素造成电池短路或漏电,威胁驾乘人员的人身安全。

5)预测电池的SOC和剩余行驶里程。SOC(StateOr Charge)是指电池的荷电(存电)状态,估算出电动汽车的剩余行驶里程,以利驾驶人提早做好准备。

(2)电池管理系统系统结构 电池管理系统结构如图2-32所示,它包括多个处理模块:数据采集模块、SOC估算模块、电气控制模块、安全管理模块、热管理模块、数据通信和显示模块等。

图2-32　电池管理系统结构

(3)电池管理系统工作原理 BMS动态监测动力电池组的工作状态,实时采集每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,估算出各电池的荷电状态SOC、安全状态SOH(State Of Health)和电化学状态SOE(State Of Eleetroformation)。然后通过控制其他器件,防止电池产生过充电或过放电现象,同时能够及时给出电池状况,找出故障电池所在箱号内位号,挑选出有问题的电池,保持整组电池运行的可靠性和高效性。

此外,MBS还需要设定面向用户端的显示,将估算的剩余电量换算成可行驶里程,同时还需要有自动报警和故障诊断功能,方便驾驶人操作和处理。

BMS的主要工作原理可简单归纳如下:数据采集电路首先采集电池状态信息数据,再由电子控制单元(ECU)进行数据处理和分析,然后根据分析结果对系统内的相关功能模块和执行部件发出控制指令,并向外界传递信息(表2-5)。

表2-5　BMS的主要输入的信号和执行部件

(4)比亚迪e6电动汽车电池管理系统 如图2-33所示,比亚迪e6电动汽车电池管理系统置于发动机室上部,同时还有动力配电箱与其配合,通过配电箱对电池包体中巨大的能量进行控制,它相当于一个大型的电闸,通过继电器的吸合来控制电流通断,将电流进行分流。关键零部件为继电器,为了控制如此大的电流通过整车,需要通过几个继电器的并联工作。

图2-33　比亚迪e6EV电池管理系统

a)汽车发动机室;b)动力配电箱;c)电池管理系统

5.电动汽车的电池充电设备

(1)充电设备的基本功能 对于电动汽车,电池充电设备是不可缺少的子系统之一,它的功能是将电网的电能转化为电动车车载电池的电能;当蓄电池充满后自动停止充电。

(2)充电方式的分类 电动汽车充电方式的分类有不同的方法,常见的分为车载充电和非车载充电(图2-34)。

车载充电是指安装在电动汽车上的采用地面交流电网和车载电源对电池组进行的充电,它通常使用结构简单、控制方便的接触式充电器,完全按照车载电池的种类进行设计,针对性较强,只是充电时间较长,需要6～8h。

非车载充电即利用地面充电装置,主要包括专用充电站、充电机等,功率、体积和重量均比较大,它充电速度快,只需要10min左右,可以满足各种电池的各种充电方式,但价格昂贵。

根据充电时的能量转换方式可以分为接触式和感应式,上述充电设备直接连接汽车都属于接触式。感应式充电是利用高频交流磁场的变压器原理,将电能从车外感应到车内,以达到给电池充电的目的。感应充电(图2-34c)的最大优点是安全,这是因为充电器与车辆之间并无直接的点接触,即使车辆在恶劣的气候下,如雨雪天,进行充电也无触电的危险。近几年国外研究的汽车无线充电方式,公路上行驶的电动汽车可通过安装在电线杆或其他高层建筑上的发射器快速补充电能。其原理就像在车里使用的移动电话,将电能转换成一种符合现行技术标准要求的特殊的激光或微波束。电费将从汽车上安装的预付卡中扣除。

图2-34　电动汽车充电方式

a)车载充电;b)非车载充电;c)感应式充电

(3)电动汽车的充电接口 对于接触式(传导式)的电动汽车充电,其充电接口已有国际标准。

图2-35　交流充电接口插头和插座端子布置图

PE—保护接地;PP—控制确认2;L1、L2、L3－三线交流电;N—中线;CP—控制确认1

交流充电接口包含7个端子(图2-35)。直流充电接口包含8个端子(图2-36),其中A＋和A－为非车载充电机向电动汽车软件提供低压电源。

图2-36　直流充电接口插头和插座端子布置图

2—充电CAN屏蔽;S＋—充电通信CAN－H;DC＋—直流电源正;A＋—低压辅助电源正;PE—保护接地端子;A—低压辅助电源负;DC—直流电源负;S—充电通信CAN－L

出于安全的考虑,在充电接口连接过程中端子连接顺序为,保护接地,直流电源正与直流电源负、低压辅助电源正、低压辅助电源负,充电电通信;在脱开的过程中则顺序相反。电动汽车的车辆控制装置能够通过测量检查点的峰值电压判断充电插头与充电插座是否充分连接。

比亚迪e6电动汽车电池充电接口在汽车侧面,左侧是380V插口,右侧是220V插口(图2-37a)。充电时,仪表板会亮起相应的指示灯(图2-37b)。

图2-37　比亚迪e6EV的充电器

a)充电接口;b)充电显示