汽车动力电池原理和管理技术及特斯拉4680电池

新能源汽车对动力电池的基本要求：比能量高、比功率大、充放电效率高、相对稳定性好、使用成本低、安全性好。一、电池组特性电池组性能参数电池的容量指一定的放电条件下可以从电池中获得的电量。容量与放电电流大小有关，与充放电截止电压也有关系，故容量定义为小时率容量，动力电池常用1小时率（1C）或2小时率（0.5C）容量。能量：电池的能量是指在一定放电条件下，电池所能给出的电能，通常用瓦时Wh表示。功率：电池的功率是指在一定放电条件下，单位时间内电池所输出电能的大小，单位W或KW。锂电池单体电压高，在相同的输出电流下，其功率分别是铅酸、镍镉镍氢的1.8倍和3倍。内阻：电池内阻是指电流通过电池时所受的阻力。包括欧姆电阻和极化电阻两部分，欧姆内阻主要是由电机材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组成。它与电池的尺寸、结构、电极的成型方式、隔膜材质和装配的紧密度有关。极化电阻是指化学电源的正极和负极在化学反应中由于极化引起的内阻，与电池的充放电电流密度有关。 能量效率：电池的能量效率是指在规定条件下，蓄电池放电期间给出的能量与恢复到初始充电状态所需能量的比值。循环寿命：电池的循环寿命是指在一定放电条件下，电池容量将至某一规定值之前，电池说能耐受的循环次数，对于电池组而言，其循环寿命应该是各单体电池寿命的最小者。安全：电池的安全性是指在各种测试条件下不出现漏液、冒烟、着火、爆炸等现象。充电：锂电池充电主要是限压限流法，初期恒流（CC）充电，电池接受能力最强，主要为吸热反应，但温度过低时，材料活性降低，可能提前进入恒流阶段。随着充电过程不断进行，极化作用加强，温升加剧，伴随析气，电极过电位增高，电压上升，当荷电达到约70-8-%时，电压达到最高充电限制电压，转入恒压（CV）阶段。放电：恒流放电时，电池电压有一陡然跌落，主要由欧姆电阻造成压降，这电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻，电压继续下降，经过一段时间以后，达到新的电化学平衡，进入放电平台期，电压变化不明显，放热反应加电阻释热使电池温升较高。放电电压曲线近似单体放电曲线，持续放电，电压曲线进入马尾下降阶段，极化阻抗增大，输出效率降低，热耗增大，接近终止电压时停止放电。 电池组一致性评价指标电池组一致性分析，电池组电压标准差：标准差系数：电池组电压极差：锂离子电池组一个DST循环工况下电池组不一致性（SOC0个单体电池串联组成）最大可用容量电池外电压存在差异的内在原因：欧姆压降、极化电压、SOC差异、最大可用容量 =1,由16 为什么需要电池管理？低温，低电压，正极损坏，形成短路温度高于310℃，LiFePO4剧上升温度高于265℃，LiMn2温度高于210℃，LiCox温度高于200℃，电解液分解，产生可燃气体温度高于160℃，LiNi0.8温度高于150℃，LiXoO2隔膜开始融化并堵塞温度高于120℃，嵌入锂与电解液反应，SEI膜无法切断负极与电解液的接触90-120℃，SEI膜开始分解，产生热量，温度升高锂离子电池安全操作窗口 电池的直流内阻差异在电池充电过程中的表现欧姆压降：电池电池的直流内阻引起的外电压差异的特点是随着电流的变化瞬时变化充电后的电池组在静置过程中2只电池的电压变化曲线极化电压：由于电池之间的极化电压存在差异，所以在充放电过程中，这会最终体现在开路电压差异上；电流消退后，极化电压会逐渐减小，并最终完全消退，此时由极化电压导致的开路电压差异会逐渐得到消除。 SOC差异：开路电压与SOC之间存在明显的非线性关系，在SOC的两端，开路电压变化率明显高于中间阶段，可见，在相同的外电压差异条件下，不同SOC阶段，SOC差异不同。不同SOC区间的电压变化率最大可用容量：在使用过程中，电池之间的最大可用容量差异会导致SOC的变化速度产生差异，并最终反映到外电压上。容量存在差异的两只电池的充电曲线 二、电池管理技术2.1电池智能监测管理系统车用动力电池智能监测管理系统功能充电管理功能电流控制阶段最小充电电压预充电和充电结束检测充电电压控制电压控制电流预处理阶段 硬件拓扑结构2.2动力电池建模锂离子动力电池特性：①电动势(OCV)与电池荷电量呈非线性关系；②自放电率低、存储性能好；③容量和性能转换效率高；④充放电极化效应。电池充放电曲线及电池OCV与SOC的关系曲线 2.3动力电池监测系统开发BMS监测内容：电池电压、电池电流、电池温度。电池管理系统的功能数据采集、电池状态计算、能量管理、安全管理、热管理、均衡控制、通信功能和人机接口BMS主控制器 BMS子控制器 单体电压采集方法(1)继电器阵列法，组成：端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光耦、多路模拟开关；应用特点：所需要测量的电池单体电压较高而且对精度要求也高的场合使用（2）恒流源法，组成：运放和场效应管组合构成减法运算恒流源电路；应用特点：结构较简单，共模抑制能力强，采集精度高，具有很好的实用性。(3)隔离运放采集法，组成：隔离运算放大器、多路选择器等；应用特点：系统采集精度高，可靠性强，但成本较高(4)压/频转换电路采集法，组成：压/频转换器、选择电路和运算放大电路；应用特点：压控振荡器中含有电容器，而电容器的相对误差一般都比较大，而且电容越大相对误差也越大(5)线性光耦合放大电路采集法，应用特点：线性光耦合放大电路不仅具有很强的隔离能力和抗干扰能力，还使模拟信号在传输过程中保持较好线性度，电路相对较复杂，精度影响因素较多电池温度采集方法(1)热敏电阻采集法，原理：利用热敏电阻的阻值随温度的变化而变化的特性，用一个定值电阻和热敏电阻串联起来构成一个分压器，从而把温度的高低转化为电压信号。特点：热敏电阻成本低，但线性度不好，而且制造误差一般也比较大。 (2)热电偶采集法，原理：采集双金属体在不同温度下产生不同的热电动势，通过查表得到温度的值。特点：由于热电动势的值仅和材料有关，所以热电偶的准确度很高。但是由于热电动势都是毫伏等级的信号，所以需要放大，外部电路比较复杂。(3)集成温度传感器采集法，原理及特点：集成温度传感器虽然很多都是基于热敏电阻式的，但都在生产的过程中进行校正，所以精度可以媲美热电偶，而且直接输出数字量，很适合在数字系统中使用。 电池SOC估算精度的影响因素(1)充放电电流：大电流可充放电容量低于额定容量，反之亦然。(2)温度：不同温度下电池组的容量存在着一定的变化。(3)电池容量衰减：电池的容量在循环过程中会逐渐减少。(4)自放电：自放电大小主要与环境温度有关，具有不确定性。(5)一致性：电池组的一致性差别对电量的估算有重要的影响。精确估计SOC的作用1)保护蓄电池：准确控制电池SOC范围，可避免电池过充电和过放电2)提高整车性能：SOC不准确，电池性能不能充分发挥，整车性能降低3)降低对动力电池的要求：准确估算SOC，电池性能可充分使用，降低对动力电池性能的要求4)提高经济性：选择较低容量的动力蓄电池组可以降低整车制造成本；由于提高了系统的可靠性，后期维护成本降低。 ◆SOC估计算法实现SOC精确估算方法：理论计算法、安时计量法、开路电压法、线性模型法、神经网络法、卡尔曼滤波法。 4680型无极耳电池，是特斯拉发布的新型电池类型，据介绍，该电池能量方面提高5倍，续航里程提高16%，动力方面提高6倍。特斯拉4680电池是指电池直径46毫米，高80毫米，以尺寸命名。形状为圆柱形，与主流方形电池不同。目前采用的是三元锂电池技术路线，不排除后续会推出磷酸铁锂电池。4680属于三元高镍电池，正极材料采用的是NCA（镍钴铝），高镍电池的镍钴铝3种金属常见配比为8:1.5:0.5。镍钴铝是三种金属元素，故称为“三元锂”，三元锂一般分为NCA和NCM（镍钴锰）。负极材料比容量理论值特点石墨372mAh/g稳定性高、成本低硅4200mAh/g能量密度高、潜力大 4680电池优点和缺点都有哪些？1、比之前的2170圆柱电池大5.4倍，电池容量提升5倍，整车续航提升16%，采用无极耳设计，充放电速度提高6倍，有望降低电池内部电阻至原来的五分之一，产热更低更安全；2、4680搭配CTC方案使用，即电芯直接集成到底盘，提升电池系统能量密度、整车减重、提高生产效率，在乘坐上有更多的优化空间；3、缺点是无法确定是否会出现电池内部散热难度增大、电芯膨胀、导致电池寿命缩短的问题。4680电池在负极材料上与主流电池也有所不同，主流以石墨为主，4680电池使用的是硅基负极，该材料特性是比容量高，但存在硅易体积膨胀、导电性差、首次充放电损耗大等问题。为了在能量密度和稳定性之间找到平衡点，目前的做法是将硅和石墨混合使用。4680在工艺上，正负极添加了PVDF涂层，采用更多的铝箔和铜箔来保护电极材料，导电性更灵敏。而无极耳设计，把原来正极负极连接处的胶减掉了，降本增效，焊接上采用激光技术。 柏林的4680电池更像是Plaid版的Model S/X的电池包的布置，横向的大模组满排不留空隙。而最新的奥斯汀的方案更像是Model 3/Y的结构，分别是4个长条block。 每个block中有3列电芯组成，每两列布一根温控管，每列由35+34=69个电芯组成。所以每个block就有69x3=207个电芯，整个电池pack就有828个电芯。 左边是纵向排列的，右边是横向的，这两种排列方式是完全不同的。这张图就是横向排列。温控管是这样排列的。 每根管道都能很好的控制两边的电芯，每一排温控管都能控制两排电芯，沿途的这些电芯的温度都能很好的控制。当然，竖着布置温控管也是可以的，但沿途的电芯因为接触面积有多有少，控制能力就参差不齐了。这两张图的电芯数量其实是一样的，只是电芯排列方式不同，左边是竖排，右边是横排。对于电动车而言，竖排更安全，为什么？因为竖排更窄，两侧和中间就可以布置更大的缓冲结构，增加安全性。大家看柏林展出的电池包两侧都填满了，已经没有地方设计缓冲区了。 而最新展出的奥斯汀的结构，我们看到电池包的两侧有更大的空间，做更多的缓冲设计。特斯拉在两侧各加入了25厘米宽的缓冲泡沫结构，以及车身框架的缓冲结构。而且温控管的接口也在侧面，侧面碰撞的毁坏几率大大增加。 而且电池内部还有纵向间隙增加了安全性。当然不止于此，纵向的另一个好处是惯性矩，根据物理学知识，距离重心越近，惯性矩越小，则车辆转向越灵活，左边的长方形中心到两边的距离比右边的要短，所以车辆就可以更灵活。而且，还不止于此，纵向排列大大简化了车辆的内部结构，怎么解释呢？ 纵向的电池包，温控系统是这样布置的，都放在车头，这样距离热泵很近，而且这些管线是双向的，可以大大节省管线的长度和能量的损失，而充电孔以及和动力电相关的设备都可以放在车尾。这是最新曝光的管线接口，一个口进、一个口出。是单排双向的，既节能又大大简化走线、节省了材料。横向布局的电池，一般是这样串联起来，热管理系统管道布置在另一侧，会跟电路有很多重合，情况复杂。 之前我们猜测特斯拉会采用像Lucid Air那样的，用电芯端部温控板来控制温度的结构。而电池日展出的图片，电芯内部并没有管线，而且是横向排列，这样的集成度更高，可以放入更多的电芯。 我们知道4680采用的是无极耳、或者说是全极耳的设计，电池单体的直径越大，电芯的散热越困难。而1865和2170的侧面温度会比较高，但4680因为无极耳的设计，热量向底部扩散传导比较多，所以采用底部散热似乎效率更高。而且特斯拉前段时间也申请了端部散热的专利。为什么至今没有采用呢？因为马斯克之前说过，在Model S Plaid交付之前，特斯拉团队曾经做过一个续航超过1000公里的超长续航的版本，但牺牲了操控性，而汽车在大部分时间里都不会用到这么长的续航，却要始终背负更多的电池，效率就会降低，最终他放弃了这个版本，我猜测马斯克说的这个版本就是电池上把电芯横向排布、能够插入更多电芯的版本。取消侧面的温控管线、采用端部控制温度，但这样的方案就会有我刚才上面分析的那些劣势，所以这也是一个取舍的过程。显然马斯克更看重的是操控和效率。