动力电池的基础知识

动⼒电池的基础知识
动⼒电池的基础知识
新能源汽车三⼤(电池、电机、电控)核⼼技术，对主机⼚⼯程师⽽⾔，动⼒电池知识是必须要知道的。

但是⽬前许多⼯程师对动⼒电池知识了解甚少，主要原因是，动⼒电池是电化学领域的，⽽汽车学院的没有这个课程。

下⾯做⼀些简要介绍，供⼤家参考。

⼀、电池是什么？其功能是什么？
先说⽔池吧。

⽔杯、⽔桶、⽔缸、⽔池、这⾥的杯、桶、池、塘，有⼀个共同的特点，其基本功能是装⽔的，不同是容积⼤⼩不⼀样。

⽔是液体，有⼀个基本属性，⽔是能⾼处流向低地处的。

基本常识是，
⼈们可能没有思考，⽔池原来是空的，⽔池的⽔是⼈倒进去的，在⽔⽔池的低处钻⼀个孔，⼀池⼦⽔最后会放⼲的。

这个过程⾥有什么科学道理？
a)空⽔池，空的容积才能盛⽔；
b)⽔⾃⼰进不了⽔池⾥，是⼈倒进去的；
c)有⽔压的存在，⽔才会从⾼处往地处流动的。

同理，电池是盛“电”的容积，电池⾥⾯原来也是“空”的，是没有电的，电是⼈充进去的，电池能放电，是因为电池⾥⾯有电压差。

⽔池是物理学原理，是装的液体，⽔是分⼦结构的；电池是电化学学原理，是装的带“电”的，是⽐分⼦更⼩的离⼦。

⼆、⼲电池的基本常识
⼤家常见在体收⾳机、收录机、照相机、电⼦钟、玩具等电池，归类为⼲电池。

在⼲电池⾥⾯的电解质是⼀种不能流动的糊状物，才叫做⼲电池(见图1)，这是相对于具有可流动电解质的电池说的。

图1 ⼲电池外形及内部结构
其外壳是⽤锌做成的圆筒型容器，锌筒中央⽴着⼀根碳棒,碳棒顶端固定着⼀个铜帽。

碳棒和锌筒叫做⼲电池的电极。

聚集正电荷的碳棒叫正极,(符号+，表⽰电池的正极)，聚集负电荷的锌筒叫负极(符号-，表⽰电池的负极)。

放电的基本原理：碳极周围填满了⼆氧化镁，锌电极组成了⼲电池的外壳，碳电极则放在中⼼。

电⼦是有电⼦化了的锌⾦属(氧化作⽤)所给出，流进外部的电路到达炭电极。

靠近碳电极的⼆氧化镁得到电⼦(还原作⽤)⽣成氢氧离⼦，并形成了新的化合物叫做氧化镁。

氧化反应把电池负极的电⼦推出去，⽽还原反应则在正极吸收它们。

⼲电池对⽤户⽽⾔不具再次充电特性，是⼀次性使⽤电池。

三、动⼒电池必须是可充电池
(1)⼲电池与⽬前的动⼒电池最⼤区别是：
a)⼲电池电解质是⼀种不能流动的糊状物，不具再次充电特性；
b)动⼒电池是电解质锂离⼦能在其中能流动的电解液，可以上千次充电；
(2)⼲电池与⽬前的动⼒电池的基本相同点：
a)有正极、有负极、有外壳、是电化学反应；
b)⼲电池与动⼒电池在单体上，物理特性基本相同，有圆柱、⽅形的。

图2 动⼒电池圆形和⽅形
四、动⼒电池包是什么意思？为什么要⼀节⼀节串联(并联)后做成电池包
对主机⼚家⼯程师⽽⾔，燃油汽车上是⼀个油箱，它是⼀个液体容积。

但是看到电动汽车上是⼀个⼜⼀个动⼒电池包，打开电池包⾥⾯，有许多数不清的⼀节⼀节的电池。

能不能把动⼒电池直接做成⼀个⼤的电池包呢？
⼿电筒⾥⼀般装了2节⼲电池，有的装3节，还有5节的。

⼲电池规格有1号、2号、5号的。

动⼒电池开始把⼀节电池，叫做单体、把⼀组并联起来叫做模组，把模组串联起来，叫电池包，把电池包串联起来叫做电池系统。

单体(或者叫单节)是电池产品的最⼩单位。

能不能把电体电池做得很⼤。

⽐如把3节⼲电池，做成⼀节放到⼿电筒⾥。

实际上做不到，这是电化学电池原理的不⾜。

⼲电池⼀节只能做1.5V，⼈们要3V的电源，必须是2节⼲电池串联。

单节的容量也不能做很到，⼈们要容量很⼤的电源，必须要将单个电池并联起来。

图3 动⼒电池包内部结构
车载动⼒电源⼀般在300V、200A以上，⽬前的基本⽅法是单体电池并联起来成模组，模组电池串联起来成电池包，电池包串联起来成电源系统。

五、电池管理系统(BMS)是什么，其功能是什么？
12⽶电动公交车⼀般要6-8个电池包，每⼀个电池包⾥通过并联(串联)有上成⽩上千单体。

可以想象，众多的、有⼀定差异的单体电池组织的电池系统，如何协调有序开展⼯作？很简单，有组织，必然有管理，与产⽣电池管理系统。

单体电池是物，当然管理电池⼯作的⼀定也“物”，⽽不是⼈。

这个物⾃然是计算机管理系统。

归结起来，电池管理系统(BMS)是运⽤计算机技术的智能管理系统。

锂离⼦动⼒电池⼯作过程：
在充放电的过程中，锂离⼦通过电解液穿过隔膜不停的在正负两极之间来回搬家。

锂离⼦回搬家的数量，多了少了都不⾏，必须要进⾏控制，控制的好，就可以反复充电下去⽽不减少容量，否则就会让电池容量产⽣永久性的下降，甚⾄爆炸。

图4电池管理系统(BMS)管理对象及内容
电池管理系统与电动汽车的动⼒电池紧密结合在⼀起，电池进⾏管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防⽌或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现等。

其基本功能：
通过传感器对电池的电压、电流、温度进⾏实时检测，同时还进⾏漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量(SOC)、放电功率，报告电池劣化程度(SOH)和剩余容量(SOC)状态，还根据电池的电压电流及温度⽤算法控制最⼤输出功率以获得最⼤⾏驶⾥程，以及⽤算法控制充电机进⾏最佳电流的充电，通过CAN总线接⼝与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显⽰系统等进⾏实时通信。

六、电池管理系统重要的三个⼦系统基本功能
(1)SOC估计功能
精确估算SOC数值变是⾮常重要的，其算法是相关企业的核⼼竞争⼒之⼀。

SOC的估算精度⾼，对于相同量的电池，可以有更⾼的续航⾥程。

所以，⾼精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。

SOC是依据监测的外部特性信息计算出来的传输信息。

SOC 告知车主当前电量的同时，也让汽车了解⾃⾝电量，防⽌过充过放，提⾼均衡⼀致性，提⾼输出功率减少额外冗余。

系统底层内部都是经过复杂的算法计算，保证汽车安全持续稳定运⾏，提⾼安全性。

(2)热管理功能
热管理主要包括确定电池最优⼯作温度范围、电池热场计算及温度预测、传热介质选择、热管理系统散热结构设计和风机预测稳点的选择。

确保电池⼯作在适当的温度范围内和降低各个电池模块之间的温度差异。

(3)均衡控制功能
均衡控制分为主动均衡与被动均衡。

主动均衡是对电池组在充电、放电或者放置过程中，电池单体之间产⽣的容量或电压差异性进⾏均衡，来消除电池内部产⽣的各种不⼀致性。

均衡⽅式主要以被动均衡为主，采⽤单体电池并联分流能耗电阻的⽅式，且只能在充电过程中做均衡⼯作。

其⼯作原理是通过对电压的采集，发现串联单体电池之间的差异，以设定好的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何⼀只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对电池组内单体电压最⾼的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进⾏放电电流，以此类推，⼀直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为⼀个平衡周期。