动力电池成组技术、均衡技术和故障诊断

电池成组技术◆PACK 电池组串并联的可靠性分析系统的可靠性是指一个系统能正常工作的概率。串联系统是指组成系统中任一单元失效均导致系统失效的系统。并联系统是指当一个系统由n个部件组成，只有当这n个部件都失效时，这个系统才失效。复合系统是指由若干串联和并联分系统并联或串联起来的系统。串联系统的可靠度：Ri（t）为第i个单元的可靠度。 电池串联并联系统的可靠度：◼复合系统的可靠度计算设单体R=0.99，m=108，n=4，电池先串后并：电池先并后串： 对于先并联后串联，系统的可靠度高于单体可靠度，而先串联后并联系统的可靠度低于单体电池可靠度，因此电池组在组合过程中要求尽量采用先并联后串联的方式。串并联在电池失效中的特点◼短路失效-先串后并系统◼短路失效-先并后串系统短路失效对于先串联后并联的连接方式导致的是其它电池的轻微滥用。而对先并联后串联的连接方式导致的是和发生失效电池并联的电池组的大电流放电，出现安全问题，因此需要采取一定的措施来防止大电流的现象（如采用PTC材料）。对于断路失效，先并联后串联的系统要优于先串联后并联的系统。尤其是在模块化的大型电池组中，先并联后串联的电池组更易于维护且成本低。电池组连接方式对电池不一致性的影响对于先串后并系统，由于单电池电压的不一致，在两个串联组中，电压差的累计有逐步增加和相互抵消两种情况，在实际试验中，经测量串联组之间都存在一定的电压差。 理论上两组电压差恰巧相互抵消为零的概率也极小，在电动汽车行驶的过程中，这种电池组间的互充电过程还将对放电过程产生阻碍。对于先并后串系统，先并联的电池虽然也存在互充电现象，但单电池的相对电压差较小，互充电能耗较小，并且只影响并联的几块电池，作用范围小。这种小范围的互充电将对电池产生均衡的作用，补充充电不足的电池，起到自均衡作用。（1）电池模组：镍氢单体电池的额定电压为1.2V，通常由六个或十个单体电池构成一块电压为7.2V或12V的电池模组。丰田普锐斯混合动力车型上就用了这种7.2V一节的电池，电容量为6.5Ah，实测每节外形尺寸为274mm×106mm×20mm，质量为1.1kg，有28节串联共计201.6V。每个电池模组均不易泄漏且置于密封壳内，更换电池模块时必须按顺序进行，因为该顺序存储在诊断系统内用于将来进行分析。电解液吸附在蓄电池电池板内，即使发生碰撞也不容易泄漏。（2）电池管理系统：电池管理系统BMS俗称为电池保姆或电池管家，主要就是为了智能化管理及维护各个电池模组，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。通过电压、电流及温度监测等实现对动力电池系统的过压、欠压、过流、过高温和过低温保护，继电器控制、SOC估算、充放电管理、加热或保温、均衡控制、故障报警及处理、与其他控制器通信等功能。此外电池管理系统还具有高压回路绝缘检测功能以及为动力电池系统加热功能。（3）传感器：动力电池组内的BMS实时采集各电芯的电压值、各温度传感器的温度值、电池系统的总电压值和总电流值及电池系统的绝缘电阻值等数据，并根据BMS中设定的阀值判定电池系统工作是否正常，对故障实时监控。 动力电池系统通过BMS使用CAN与整车控制器或充电机之间进行通讯，对动力电池系统进行充放电等综合管理。①电压检测电路：动力电池组的电压传感器能在电池组的多个测量点进行电压测量，并且比较电池模组不同部分的性能，以确认电池模组有无失去平衡。电压传感器测量单个电池的电压，也测量电池模组或动力电池组的电压。这使BMS能够对电池进行分段监测，每一段的电压和电量应该大致相同。BMS与每个检测点（通常是被测的单体电池或电池模组的正负极端子）之间通过电压传感采样线相连接。普锐斯电池管理器在14个位置上监视电池模组电压。各电池模组由2个模块组成。当各电池模组电压低于2.5V时，汽车的显示屏可能会显示故障诊断代码（DTC），保存在电池管理器中。由于失效保护值的代替，低于2.0V的值可能不会显示在数据表中。②温度传感器：当计算电池组荷电量（SOC）、充放电比功率、动力电池的温度时使用多个温度传感器来监测电池温度。如图5所示普锐斯动力电池组上面有三个电池温度传感器是卡装结构，小巧的传感器贴紧在电池表面，十分牢固不会脱落，但不能单独更换，如有损坏只能更换动力电池总成。③电流传感器：有许多类型的传感器，例如互感器或分流器，可被用来测量动力电池组的输入和输出总电流。电流传感器一般都是安装在靠近电池组的位置，通常是在电池组的密封箱内。普锐斯动力电池电流传感器安装在动力电池组总成的正极电缆侧，用于检测流入动力电池组的安培数。 普锐斯含接触器的高压接线盒总成预充电电阻器混合动力汽车和纯电动汽车通常将动力电池组的电流表示成正或负值，单位为A（例如：42A，－87A），以显示电池组处于充电状态还是处于放电状态。 高压主接触器通常具有以下几个功能：①汽车上电时（READYUP），将动力电池组连接到变频器，监控电池组和变频器之间的高压电路；②允许高压电流在电池组和变频器之间流通；③驱动系统被关闭时，断开动力电池组与变频器的连接；④车辆紧急停机时，断开动力电池组与变频器的连接。根据来自动力管理控制单元（HV ECU）的指令闭合或断开高压主接触器（包括3个SMR和1个预充电电阻器），车辆启动时由HVECU接收启动信号后首先闭合SMRP和SMRG、预充电接触器通过预充电阻，将动力电池组连接到变频器上，作为高压系统的一个自检程序。如果系统的某项自检没有通过，预充电继电器会立即断开，并生成一个故障诊断代码（DTC）。动力电池组的电流流经预充电阻，以规定的速率为变频器电容充电，以连接高压动力系统，然后闭合SMRB后断开SMRP。 特斯拉电池成组示例：①由69节18650电芯构成一个“Brick”，每个“Brick”中的电芯全部并联在一起；②9个“Brick”串联构成一个“Sheet”；③11个“Sheet”串联之后，构成整个电池系统，在电池系统中，“Sheet”是最小的可更换单元。电芯电池热管理研究-优化散热方案取总进口流量3200m3/h, I=100A，则发热功率为7.255KW。进风口处电池温度49℃，出风口处电池温度43℃，温差为6 ℃左右。 电池系统“Sheet”“Brick” 撤掉电池组表面塑料膜，可看到塑料膜和电池组之间有一层防火板。运输时铁构造成表面有凹陷，实际上电池组会被保护十分充分。 拆除电池板前端顶盖后，可清晰看到排列着两块电池组。整个电池板的保险丝位于这两块电池组一侧。掀开护板，即可看到电池组，橙色为绝缘接头，共有16组，每组电池有444节电池，约有7104节18650锂电池。每组电池组之间为串联。 保险丝采用Bussmann巴斯曼额定电流：630A额定电压：690V额定分断电流：700A-200KA电阻值：0.1324mΩ制造国：印度这版电池有444节18650锂电池，每74节并联成一组，共有六组串 联成一版。简单来说就是积少成多。 每节电池都有单独的保险丝链接着，当单节电池出现温度过高时。保险丝自动熔断以保护整租电池。保险丝焊接精细，可能为超声波焊接电压表接上主触点上测量，可读取整个电池板的电压为313.8V。并没有达到标定的400V。 每个18650锂电池都有导热的管路，并且管路都采用绝缘带进行包裹。以防电池与外壳发生短路。输出端的接触器，一正一负。它们负责汇集各个电池组的电源和连接对外连接器。接触器底部看到为泰科电子制造。生产国为：墨西哥具体型号在泰科电子官网并没有提供详细内容，相信专门为特斯拉生产的。 2/0主线由许多根铜线组成，并且2/0主线外有防火材料和较厚的橡胶包裹。主线连接输出端是有分流到电池管理系统接线。2/0主线保护的相当紧密，有护板、防火层和橡胶涂层，并且有不少的线路在上面通过。 拆除电池组、冷却液管路和线路连接的电池板壳体。电池管理系统为特斯拉自行研发，电路板上有大量电容电阻，并且有小型处理器。该系统对电池充放电整个处理算法较为复杂。 电池均衡技术，电池均衡的目的和要求：①充分发挥电池组的性能，延长电动汽车的续航里程；②保证电池在使用过程中的安全（即不过充、过放）；③不影响电池的使用寿命。电池均衡的分类，按能耗分类：能量耗散型和非能量耗散型能量耗散型是通过给电池组中每只单体电池并联一个电阻进行放电分流，从而实现均衡的。能量非耗散型电路的耗能比能量耗散型要小，但电路结构相对复杂，可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。能量转换式均衡是通过开关信号，由锂离子电池组整体向单体电池进行补充。单体向整体转换典型拓扑结构图整体向单体转换典型拓扑结构图 能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把锂离子电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的电池上。能量转移式典型电路拓扑结构按均衡功能分类：充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，减小充电电流从而防止过充电。开关电阻耗散型均衡和单体到电池组能量转换式均衡主要用于充电均衡方式。充电均衡的使用，加大了低容量电池过放的可能。放电均衡是在放电过程中的均衡，通过向电压低的单体电池补充能量来防止过放电。另外一种放电均衡方式是根据电池组中单体电压值的大小，改变放电时间的长短。放电均衡的使用，加大了低容量电池过充的可能。动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，在整个充放电过程中对电池组进行均衡。电容、电感型能量转移方式主要应用于此类均衡方式。 按均衡性质分类：主动均衡和被动均衡。主动均衡是在使用过程中对电池容量进行主动调整，当电池间出现差异时，直接对蓄电池间能量的流动方式进行调节，削减能量水平低的电池的能量输出，对能量水平高的电池则采取相反的操作。被动均衡是针对蓄电池端电压差值进行调整，均衡效果都有局限性。按能量回路处理的方式分类：分为断流和分流处理。断流指在监控单体电压变化的基础上，在满足一定条件时把单体电池的充电或负载回路断开，通过机械触点或电力电子部件组成开关矩阵，动态告别电池组内单体之间的连接结构，可能的断流部件有机械、继电器、半导体。分流并不断开电池的工作回路，而是给每只电池各增加一个旁路装置，就象电池伴侣，两者合起来的特性趋于电池组内平均素质的单体电池特性。均衡系统的分类1）能量耗散型均衡：主要通过令电池组中能量较高的电池利用其旁路电阻进行放电的方式损耗部分能量，以期达到电池组能量状态的一致。如混合动力汽车。2）能量非耗散型均衡：能量非耗散式均衡电路拓扑结构目前已出现很多种，本质上均是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池。 能量耗散型均衡管理：①通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡；②电路结构简单，均衡过程一般在充电过程中完成；③由于均衡电阻在分流的过程中，不仅消耗了能量，而且还会由于电阻的发热引起电路的热管理问题；④只适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统的可靠性，不适用于动态均衡；⑤仅适合于小型电池组或者容量较小的电池组。恒定分流电阻均衡充电电路：①每个电池单体上都始终并联一个分流电阻；②可靠性高，分流电阻的值大，通过固定分流来减小由于自放电导致的单体电池差异；③无论电池充电还是放电过程，分流电阻始终消耗功率，能量损失大；④一般在能够及时补充能量的场合适用。开关控制分流电阻均衡充电电路：①工作在充电期间，可以对充电时单体电池电压偏高者进行分流，分流电阻通过开关控制；②当单体电池电压达到截止电压时，阻止其过充并将多余的能量转化成热能；③由于均衡时间的限制，导致分流时产生的大量热量需要及时通过热管理系统耗散，尤其在容量比较大的电池组中更加明显。非能量耗散型均衡管理（1）能量转换式均衡：通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。 非能量耗散型均衡管理（2）能量转移式均衡：利用电感或电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上故障诊断内容：绝缘电阻测