【E課堂】一文看懂動(dòng)力電池的基礎(chǔ)知識(shí)

　　新能源汽車三大(電池、電機(jī)、電控)核心技術(shù)，對(duì)主機(jī)廠工程師而言，動(dòng)力電池知識(shí)是必須要知道的。但是目前許多工程師對(duì)動(dòng)力電池知識(shí)了解甚少，主要原因是，動(dòng)力電池是電化學(xué)領(lǐng)域的，而汽車學(xué)院的沒(méi)有這個(gè)課程。下面做一些簡(jiǎn)要介紹，供大家參考。

　　一、電池是什么?其功能是什么?

　　先說(shuō)水池吧。水杯、水桶、水缸、水池、這里的杯、桶、池、塘，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，其基本功能是裝水的，不同是容積大小不一樣。水是液體，有一個(gè)基本屬性，水是能高處流向低地處的?；境ＷR(shí)是，

　　人們可能沒(méi)有思考，水池原來(lái)是空的，水池的水是人倒進(jìn)去的，在水水池的低處鉆一個(gè)孔，一池子水最后會(huì)放干的。這個(gè)過(guò)程里有什么科學(xué)道理?

　　a)空水池，空的容積才能盛水;

　　b)水自己進(jìn)不了水池里，是人倒進(jìn)去的;

　　c)有水壓的存在，水才會(huì)從高處往地處流動(dòng)的。

　　同理，電池是盛“電”的容積，電池里面原來(lái)也是“空”的，是沒(méi)有電的，電是人充進(jìn)去的，電池能放電，是因?yàn)殡姵乩锩嬗须妷翰睢?/p>

　　水池是物理學(xué)原理，是裝的液體，水是分子結(jié)構(gòu)的;電池是電化學(xué)學(xué)原理，是裝的帶“電”的，是比分子更小的離子。

　　二、干電池的基本常識(shí)

　　大家常見(jiàn)在體收音機(jī)、收錄機(jī)、照相機(jī)、電子鐘、玩具等電池，歸類為干電池。在干電池里面的電解質(zhì)是一種不能流動(dòng)的糊狀物，才叫做干電池(見(jiàn)圖1)，這是相對(duì)于具有可流動(dòng)電解質(zhì)的電池說(shuō)的。

　　圖1 干電池外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　其外殼是用鋅做成的圓筒型容器，鋅筒中央立著一根碳棒,碳棒頂端固定著一個(gè)銅帽。碳棒和鋅筒叫做干電池的電極。聚集正電荷的碳棒叫正極,(符號(hào)+， 表示電池的正極)，聚集負(fù)電荷的鋅筒叫負(fù)極(符號(hào)-，表示電池的負(fù)極)。

　　放電的基本原理：碳極周圍填滿了二氧化鎂，鋅電極組成了干電池的外殼，碳電極則放在中心。電子是有電子化了的鋅金屬(氧化作用)所給出，流進(jìn)外部的電路到達(dá)炭電極?？拷茧姌O的二氧化鎂得到電子(還原作用)生成氫氧離子，并形成了新的化合物叫做氧化鎂。氧化反應(yīng)把電池負(fù)極的電子推出去，而還原反應(yīng)則在正極吸收它們。干電池對(duì)用戶而言不具再次充電特性，是一次性使用電池。

　　三、動(dòng)力電池必須是可充電池

　　(1)干電池與目前的動(dòng)力電池最大區(qū)別是：

　　a)干電池電解質(zhì)是一種不能流動(dòng)的糊狀物，不具再次充電特性;

　　b)動(dòng)力電池是電解質(zhì)鋰離子能在其中能流動(dòng)的電解液，可以上千次充電;

　　(2)干電池與目前的動(dòng)力電池的基本相同點(diǎn)：

　　a)有正極、有負(fù)極、有外殼、是電化學(xué)反應(yīng);

　　b)干電池與動(dòng)力電池在單體上，物理特性基本相同，有圓柱、方形的。

　　圖2 動(dòng)力電池圓形和方形

　　四、動(dòng)力電池包是什么意思?為什么要一節(jié)一節(jié)串聯(lián)(并聯(lián))后做成電池包

　　對(duì)主機(jī)廠家工程師而言，燃油汽車上是一個(gè)油箱，它是一個(gè)液體容積。但是看到電動(dòng)汽車上是一個(gè)又一個(gè)動(dòng)力電池包，打開電池包里面，有許多數(shù)不清的一節(jié)一節(jié)的電池。能不能把動(dòng)力電池直接做成一個(gè)大的電池包呢?

　　手電筒里一般裝了2節(jié)干電池，有的裝3節(jié)，還有5節(jié)的。干電池規(guī)格有1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)的。動(dòng)力電池開始把一節(jié)電池，叫做單體、把一組并聯(lián)起來(lái)叫做模組，把模組串聯(lián)起來(lái)，叫電池包，把電池包串聯(lián)起來(lái)叫做電池系統(tǒng)。

　　單體(或者叫單節(jié))是電池產(chǎn)品的最小單位。能不能把電體電池做得很大。比如把3節(jié)干電池，做成一節(jié)放到手電筒里。實(shí)際上做不到，這是電化學(xué)電池原理的不足。干電池一節(jié)只能做1.5V，人們要3V的電源，必須是2節(jié)干電池串聯(lián)。單節(jié)的容量也不能做很到，人們要容量很大的電源，必須要將單個(gè)電池并聯(lián)起來(lái)。

　　圖3 動(dòng)力電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　車載動(dòng)力電源一般在300V、200A以上，目前的基本方法是單體電池并聯(lián)起來(lái)成模組，模組電池串聯(lián)起來(lái)成電池包，電池包串聯(lián)起來(lái)成電源系統(tǒng)。

　　五、電池管理系統(tǒng)(BMS)是什么，其功能是什么?

　　12米電動(dòng)公交車一般要6-8個(gè)電池包，每一個(gè)電池包里通過(guò)并聯(lián)(串聯(lián))有上成白上千單體。可以想象，眾多的、有一定差異的單體電池組織的電池系統(tǒng)，如何協(xié)調(diào)有序開展工作?很簡(jiǎn)單，有組織，必然有管理，與產(chǎn)生電池管理系統(tǒng)。

　　單體電池是物，當(dāng)然管理電池工作的一定也“物”，而不是人。這個(gè)物自然是計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)。歸結(jié)起來(lái)，電池管理系統(tǒng)(BMS)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能管理系統(tǒng)。

　　鋰離子動(dòng)力電池工作過(guò)程：

　　在充放電的過(guò)程中，鋰離子通過(guò)電解液穿過(guò)隔膜不停的在正負(fù)兩極之間來(lái)回搬家。鋰離子回搬家的數(shù)量，多了少了都不行，必須要進(jìn)行控制，控制的好，就可以反復(fù)充電下去而不減少容量，否則就會(huì)讓電池容量產(chǎn)生永久性的下降，甚至爆炸。

　　圖4電池管理系統(tǒng)(BMS)管理對(duì)象及內(nèi)容

　　電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池緊密結(jié)合在一起，電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，通常具有量測(cè)電池電壓的功能，防止或避免電池過(guò)放電、過(guò)充電、過(guò)溫等異常狀況出現(xiàn)等。其基本功能：

　　通過(guò)傳感器對(duì)電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)還進(jìn)行漏電檢測(cè)、熱管理、電池均衡管理、報(bào)警提醒，計(jì)算剩余容量(SOC)、放電功率，報(bào)告電池劣化程度(SOH)和剩余容量(SOC)狀態(tài)，還根據(jù)電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程，以及用算法控制充電機(jī)進(jìn)行最佳電流的充電，通過(guò)CAN總線接口與車載總控制器、電機(jī)控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

　　六、電池管理系統(tǒng)重要的三個(gè)子系統(tǒng)基本功能

　　(1)SOC估計(jì)功能

　　精確估算SOC數(shù)值變是非常重要的，其算法是相關(guān)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。SOC的估算精度高，對(duì)于相同量的電池，可以有更高的續(xù)航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。SOC是依據(jù)監(jiān)測(cè)的外部特性信息計(jì)算出來(lái)的傳輸信息。SOC告知車主當(dāng)前電量的同時(shí)，也讓汽車了解自身電量，防止過(guò)充過(guò)放，提高均衡一致性，提高輸出功率減少額外冗余。系統(tǒng)底層內(nèi)部都是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法計(jì)算，保證汽車安全持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高安全性。

　　(2)熱管理功能

　　熱管理主要包括確定電池最優(yōu)工作溫度范圍、電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)、傳熱介質(zhì)選擇、熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)預(yù)測(cè)穩(wěn)點(diǎn)的選擇。確保電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)和降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異。

　　(3)均衡控制功能

　　均衡控制分為主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡。

　　主動(dòng)均衡是對(duì)電池組在充電、放電或者放置過(guò)程中，電池單體之間產(chǎn)生的容量或電壓差異性進(jìn)行均衡，來(lái)消除電池內(nèi)部產(chǎn)生的各種不一致性。

　　均衡方式主要以被動(dòng)均衡為主，采用單體電池并聯(lián)分流能耗電阻的方式，且只能在充電過(guò)程中做均衡工作。其工作原理是通過(guò)對(duì)電壓的采集，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)單體電池之間的差異，以設(shè)定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準(zhǔn)，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測(cè)出與相鄰組內(nèi)電池差異時(shí)，即對(duì)電池組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過(guò)并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)行放電電流，以此類推，一直到電壓最低的那只單體電池到達(dá)“上限閾值電壓”為一個(gè)平衡周期。