李革臣 电池化成能量回收与电池成组技术 101106北京PPT课件
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移动基站、电力开 关柜、银行UPS
电池能量回收再利用技术
• 哈尔滨理工大学于国家八五、九五计划开始，就在国家863，973 计划的支持下，承担“电池放电能量回收系统”重大项目的课题任 务。目前，飞速发展的数字化技术，使该技术已完全成熟。节电 60%以上，属国内外首创，达国际领先水平。这一技术已经成熟应 用于多家电池企业,已获国家专利。
• 该技术的社会效益明显，可一定程度上缓解目前的我国电力紧张局 面造成的社会影响,每年会减少767.5万千卡的热量放到大气层中， 也起到了保护生态环境的作用。
• 节能减排。低碳经济确定为国民经济与社会发展中长期规划的一项 战略任务的精神，
电池化成能量回收原理及方法
• 充电节能
➢线性恒流源 ➢开关式恒流源
电动汽车对电池安全性的要求
• 安全性是电动汽车第一指标，极其重要。 • 电动汽车电池的使用特点是其他电源电池不能相比的， 存在或可能存在
高速移动、剧烈震动、高温工作、快速充放电，潜在着撞击、刺伤、短路、 跌落、浸水、火烧、甚至枪击的可能性。 • 因此，电动汽车对动力电池的安全性要求极高，对万分之一的非安全概率 都会造成极其严重的后果，它意味着中国年产130万辆新能源汽车每年都 要发生多起安全事故。 • 对锂动力电池科研、生产、使用过程：召回制度、安全隐患对锂电池企业 是致命性的打击。
世界上没有绝对安全的电池
• 电池是能量的载体，有能量就有危险，本质上就存在不安全因素。 • 100Ah锂离子电池仅存储的电能相当于308.5克TNT炸药的能量。 • 该能量存在于一个容器内，仅相距20微米。 • 汽油是安全的，同一容器内不存在燃烧条件。 • 锂动力电池在同一容器内，燃烧条件俱全。 • 能量受控就安全，失控就危险。 • 电池内短路造成“热失控”，是引发电池发生危险事故的主要原因。 • 电池管理系统对内短路危险无能为力。 • 权威部门安全检测证书只对送检样品负责。 • 安全性随使用循环变坏。使用时间越长危险越大。 • 电池安全性是相对的，人们只能不断改善提高，永远不能彻底解决。 • 目前已达到可用最低容忍度，只要以科学态度面对，前途灿烂辉煌。
新拓扑结构的特点
➢能量可双向传输; ➢全部电路没有纯耗能元件,效率高; ➢单电池独立控制； ➢放电转换效率大于60%。
低电压节能恒流源
采用数字化技术的最优控制
W k
I k 1
I k
单位延迟
1
V k
Y k
电池
0.997
U k
0.001
最小方差控制
~
I
k
Kalman滤波
根据卡尔曼滤波值，在最小方差控制策略下，实时地将控 制量跟随干扰噪声的扰动而变化，抑制干扰，提高了精度。
• 安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题。
说明
• 本人在多次会议上强调锂动力电池安全性问题，目的只 在于提醒电池厂家、公交系统、政府领导一定要以科学态 度重视，则可减少或避免不必要的损失，对人民生命财产 负责。
• “锂离子电池固有的安全问题和潜在的故障模式”是固 有的、潜在的发生概率，一旦发生，人命关天，责任重大。
输入电流 62mA 246mA 1994mA 10A
电压 167V 167V 3.76V 2.842V
输出电流 1985mA 10A 33mA 108mA
电压 4.126V 2.84V 170V 175V
2A放电转换效率75%，10A放电转换效率67%，
锂动力电池成组技术
1、锂动力电池本质安全性 2、锂动力电池的动态一致性 3、锂动力电池管理系统新概念
创新2：小电池组合技术
• 小容量圆形电池采用串并联方式构成大容量电池， 也有严重缺点，即串并联结构难以实现。
• 1、小电池也会燃烧、爆炸，也是不安全的。 • 2、小电池串并联结构带来的复杂性和不可靠性，其
• 锂动力电池的安全性问题是一种潜在发生的小概率事件， 是百万分之一以上的可能性，是不可试验复现的。
• 目前，大电池路线和小电池路线的讨论不是不同的技术 问题，而是相同的都要重视安全性问题，各有难度，相对 而言，大电池难度大些，只要重视，会不断提高
• 小电池路线实质上是知难而退，逆向思维，但也遇到了 更难的问题，串并联结构可靠性，连接不好带来的安全性 问题更大。
创新1：本质安全性
本质安全性定义（哈尔滨理工大学）： 本质安全性又称能量安全性，定量地从能量角度描述了了能量 载体的安全性能，定义如下：
1、最小能量单元的能量限制为若发生燃烧爆炸不足以产生损害性 后果。
2、最小能量单元若发生燃烧爆炸，其能量不会引起连锁反应。
同时具有以上两点的能量载体称其具有本质安全性
电池低电压放电能量回收
内母带 U1+
恒
OUT流IN
源
U1-
母带 切控
电池充电
外母带
I
母带 切控
内母带 U2+
U2-
恒 OUT流IN
源
I2 2V
电池放电
台体1
台体2
锂电池低电压放电能量回收原理图
待机功耗 2A充电 10A充电 2A放电 10A放电
1.503W 79.100% 69.130% 74.810% 66.502%
• 放电节能
➢ 回馈电网法 ➢ 中间蓄电池法 ➢ 直流母带法
放电节能原理与方法
回馈电网法
中间蓄电池法
直流母带法
锂动力电池节能技术
难点与存在问题
160V
50V
/
电
120V
源
母
串 联
带
镍
氢
电
池
镍氢电池
2V
160V
/
4.5V
锂
离
电
子
源
单
母
体 电
带
池
锂离子电池
新拓扑结构恒流源设计
现状及主要问题
传统结构: • 功率管损耗大，发热大，效率低。 • 不能解决高电压差能量回收问题 • 化成检测电能消耗很大
测试与仿真结果
数字化控制系统实现
采用单片机对多个开关电源进行单独控制，每个开关源对应一节锂离子电 池，实现了对单节电池的充放电控制。
上位机
以太网
数据库
DSP
键盘 液晶显示
CAN总线
单片机1
单片机2
单片机n
开关式恒流 恒压电源 1
开关式恒流 恒压电源 2
开关式恒流 恒压电源 n
数字化控制系统结构框图
锂动力电池 化成能量回收与电池成组技术
哈尔滨理工大学 李革臣
2010.11.6
主要内容
1
锂动力电池应用
2
电池放电能量回收再利用技术
3
锂动力电池成组技术
4
锂动力电池化成检测关键设备
锂动力电池应用
动力电源
锂
动
蓄能电源
力
电
启动电源
池
备用电源
电动汽车、电动自 行车、电动工具
风能、太阳Βιβλιοθήκη Baidu、 电力调峰
汽车、火车、舰船 燃料电池，飞机
电池能量回收再利用技术
• 哈尔滨理工大学于国家八五、九五计划开始，就在国家863，973 计划的支持下，承担“电池放电能量回收系统”重大项目的课题任 务。目前，飞速发展的数字化技术，使该技术已完全成熟。节电 60%以上，属国内外首创，达国际领先水平。这一技术已经成熟应 用于多家电池企业,已获国家专利。
• 该技术的社会效益明显，可一定程度上缓解目前的我国电力紧张局 面造成的社会影响,每年会减少767.5万千卡的热量放到大气层中， 也起到了保护生态环境的作用。
• 节能减排。低碳经济确定为国民经济与社会发展中长期规划的一项 战略任务的精神，
电池化成能量回收原理及方法
• 充电节能
➢线性恒流源 ➢开关式恒流源
电动汽车对电池安全性的要求
• 安全性是电动汽车第一指标，极其重要。 • 电动汽车电池的使用特点是其他电源电池不能相比的， 存在或可能存在
高速移动、剧烈震动、高温工作、快速充放电，潜在着撞击、刺伤、短路、 跌落、浸水、火烧、甚至枪击的可能性。 • 因此，电动汽车对动力电池的安全性要求极高，对万分之一的非安全概率 都会造成极其严重的后果，它意味着中国年产130万辆新能源汽车每年都 要发生多起安全事故。 • 对锂动力电池科研、生产、使用过程：召回制度、安全隐患对锂电池企业 是致命性的打击。
世界上没有绝对安全的电池
• 电池是能量的载体，有能量就有危险，本质上就存在不安全因素。 • 100Ah锂离子电池仅存储的电能相当于308.5克TNT炸药的能量。 • 该能量存在于一个容器内，仅相距20微米。 • 汽油是安全的，同一容器内不存在燃烧条件。 • 锂动力电池在同一容器内，燃烧条件俱全。 • 能量受控就安全，失控就危险。 • 电池内短路造成“热失控”，是引发电池发生危险事故的主要原因。 • 电池管理系统对内短路危险无能为力。 • 权威部门安全检测证书只对送检样品负责。 • 安全性随使用循环变坏。使用时间越长危险越大。 • 电池安全性是相对的，人们只能不断改善提高，永远不能彻底解决。 • 目前已达到可用最低容忍度，只要以科学态度面对，前途灿烂辉煌。
新拓扑结构的特点
➢能量可双向传输; ➢全部电路没有纯耗能元件,效率高; ➢单电池独立控制； ➢放电转换效率大于60%。
低电压节能恒流源
采用数字化技术的最优控制
W k
I k 1
I k
单位延迟
1
V k
Y k
电池
0.997
U k
0.001
最小方差控制
~
I
k
Kalman滤波
根据卡尔曼滤波值，在最小方差控制策略下，实时地将控 制量跟随干扰噪声的扰动而变化，抑制干扰，提高了精度。
• 安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题。
说明
• 本人在多次会议上强调锂动力电池安全性问题，目的只 在于提醒电池厂家、公交系统、政府领导一定要以科学态 度重视，则可减少或避免不必要的损失，对人民生命财产 负责。
• “锂离子电池固有的安全问题和潜在的故障模式”是固 有的、潜在的发生概率，一旦发生，人命关天，责任重大。
输入电流 62mA 246mA 1994mA 10A
电压 167V 167V 3.76V 2.842V
输出电流 1985mA 10A 33mA 108mA
电压 4.126V 2.84V 170V 175V
2A放电转换效率75%，10A放电转换效率67%，
锂动力电池成组技术
1、锂动力电池本质安全性 2、锂动力电池的动态一致性 3、锂动力电池管理系统新概念
创新2：小电池组合技术
• 小容量圆形电池采用串并联方式构成大容量电池， 也有严重缺点，即串并联结构难以实现。
• 1、小电池也会燃烧、爆炸，也是不安全的。 • 2、小电池串并联结构带来的复杂性和不可靠性，其
• 锂动力电池的安全性问题是一种潜在发生的小概率事件， 是百万分之一以上的可能性，是不可试验复现的。
• 目前，大电池路线和小电池路线的讨论不是不同的技术 问题，而是相同的都要重视安全性问题，各有难度，相对 而言，大电池难度大些，只要重视，会不断提高
• 小电池路线实质上是知难而退，逆向思维，但也遇到了 更难的问题，串并联结构可靠性，连接不好带来的安全性 问题更大。
创新1：本质安全性
本质安全性定义（哈尔滨理工大学）： 本质安全性又称能量安全性，定量地从能量角度描述了了能量 载体的安全性能，定义如下：
1、最小能量单元的能量限制为若发生燃烧爆炸不足以产生损害性 后果。
2、最小能量单元若发生燃烧爆炸，其能量不会引起连锁反应。
同时具有以上两点的能量载体称其具有本质安全性
电池低电压放电能量回收
内母带 U1+
恒
OUT流IN
源
U1-
母带 切控
电池充电
外母带
I
母带 切控
内母带 U2+
U2-
恒 OUT流IN
源
I2 2V
电池放电
台体1
台体2
锂电池低电压放电能量回收原理图
待机功耗 2A充电 10A充电 2A放电 10A放电
1.503W 79.100% 69.130% 74.810% 66.502%
• 放电节能
➢ 回馈电网法 ➢ 中间蓄电池法 ➢ 直流母带法
放电节能原理与方法
回馈电网法
中间蓄电池法
直流母带法
锂动力电池节能技术
难点与存在问题
160V
50V
/
电
120V
源
母
串 联
带
镍
氢
电
池
镍氢电池
2V
160V
/
4.5V
锂
离
电
子
源
单
母
体 电
带
池
锂离子电池
新拓扑结构恒流源设计
现状及主要问题
传统结构: • 功率管损耗大，发热大，效率低。 • 不能解决高电压差能量回收问题 • 化成检测电能消耗很大
测试与仿真结果
数字化控制系统实现
采用单片机对多个开关电源进行单独控制，每个开关源对应一节锂离子电 池，实现了对单节电池的充放电控制。
上位机
以太网
数据库
DSP
键盘 液晶显示
CAN总线
单片机1
单片机2
单片机n
开关式恒流 恒压电源 1
开关式恒流 恒压电源 2
开关式恒流 恒压电源 n
数字化控制系统结构框图
锂动力电池 化成能量回收与电池成组技术
哈尔滨理工大学 李革臣
2010.11.6
主要内容
1
锂动力电池应用
2
电池放电能量回收再利用技术
3
锂动力电池成组技术
4
锂动力电池化成检测关键设备
锂动力电池应用
动力电源
锂
动
蓄能电源
力
电
启动电源
池
备用电源
电动汽车、电动自 行车、电动工具
风能、太阳Βιβλιοθήκη Baidu、 电力调峰
汽车、火车、舰船 燃料电池，飞机