动力电池系统一般安装在车身底部,由外壳、引出端子(电极)、铭牌、电池本体、服务插销(维修开关)、高低压连接线、电池管理系统、电池通风温控系统、PTC加热系统等组成,如图3-2-3所示。
1.外壳
外壳主要起保护动力电池的作用,箱体要坚固防水。箱体分为上箱体和下箱体。上箱体一般不会受到冲击,为了减轻质量,大部分采用玻璃钢材质。下箱体在整车的下部,是底盘的一部分。为防止遇到颠簸路面出现磕碰的情况,下箱体一般采用铸铁或铸铝材料。为了实现上下箱体之间的密封,有定位装置进行定位,并通过硅酮胶进行密封,如图3-2-4所示。
图3-2-3
图3-2-4
2.引出端子
如图3-2-5所示,动力电池外部有两个接口。左侧为动力母线接口,其作用为:在动力电池放电时向外输出电能使汽车及其附件工作;在动力电池充电时向动力蓄电池内部输入电能,实现对动力电池的充电。右侧为动力电池通信接口,其作用为:将动力电池的信息与整车控制VCU等进行通信联系,以实现对动力电池的管理并能实时掌握动力电池的状态。
图3-2-5
3.铭牌
在动力电池壳体上贴有两类标签:一类标签上是电池信息,如图3-2-6所示。电池种类为三元锂离子电池,额定电压为346 V,额定容量为150 Ah,重量为384 kg,产品序号为118524340056,生产日期为2018年12月27日。另一类标签为高压警示标签,表示电池内部高压,操作时请注意安全,如图3-2-7所示。
图3-2-6
图3-2-7
4.电池本体
现代汽车电池普遍用三元锂电池、磷酸铁锂电池、镍镉镍氢电池等。这些电池具有高输入输出密度、质量轻、寿命长等特点。在实际应用中,一个电池包通常由许多单体电池组成,需要把单体电池进行串并联,以满足车辆的实际需求。动力电池从单体到并联串联成组、成包的过程称为PACK。每种车型具有不同的技术要求,需要根据具体车型适配不同容量的电池组,进而确定串并联形式和电芯规格等。
(1)串联
n个电池通过串联构成电池模块(简称“nS”)时,电池模块的电压为单体电池电压的n倍,而电池模块的容量为单体电池的容量,如图3-2-8所示。
(2)并联
电池并联方式通常用于满足大电流的工作需要。m个单体电池通过并联构成电池模块(简称“mP”)时,电池模块的容量为单体电池容量的m倍,电池模块的标称电压为单体电池的标称电压,如图3-2-9所示。
(3)混联
串并结合能够满足电池模块既提供高电压又有大电流放电的工作条件。“先串后并”还是“先并后串”取决于电池的实际需求,通常情况下电池并联的工作可靠性高于串联。
图3-2-8
5.电池管理系统
电池管理系统简称BMS,是电池保护和管理的核心部件,在动力电池系统中,它的作用相当于人的大脑,如图3-2-10所示。
图3-2-9
图3-2-10
电池管理系统的功能:通过电压、电流及温度检测等功能实现对电动汽车动力电池的过电压、欠电压、过电流、过高温和低温保护,接触器控制、剩余电量(SOC)计算、充放电管理、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的功能。
6.辅助元器件
辅助元器件主要包括动力电池系统内部的电子电气元件以及接口,如电流传感器、熔断器、接触器、分流器、插接件、烟雾传感器、维修开关(MSD)及高低压线束,如图3-2-11所示。
电流传感器:用来监测电池的放电电流以及充电电流,计算电池的SOC。
接触器(继电器):系统主继电器随着点火钥匙的ON/OFF而闭合或断开,当点火钥匙转到OFF时,主继电器切断高压系统以确保安全。当汽车受到碰撞或系统有故障时,主继电器会断开高压电。
熔断器(保险丝):用来保护汽车线路,当电池发生短路时,保险丝断开,以防止电子器件的损坏和车上发生火灾。
维修开关(MSD):在进行高压系统维修时,机械断开高压连接,保护维修人员的安全。
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图3-2-11
7.电池通风温控系统
目前,电动汽车动力电池为锂离子电池,锂离子电池的性能对温度变化较敏感,汽车的装载空间有限,汽车所需电池数目较大,电池均为紧密排列连接。当汽车在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时,电池会以不同倍率放电,以不同生热速率产生大量热量,加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集,从而导致电池组运行环境温度复杂多变。
动力电池的冷却性能的好坏直接影响电池的效率,同时也会影响电池寿命和使用安全。充放电过程中电池本身会产生一定的热量,导致温度上升,而温度升高会影响电池的很多特性参数,如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率和电池寿命。
为了使电池包发挥最佳性能和寿命,需要优化电池包的结构,对它进行热管理,增加散热设施,控制电池运行的温度环境。常见的散热方式有两种:一种为风冷;另一种为水冷。如图3-2-12所示。
图3-2-12
当动力电池温度较低时,需要对动力电池进行加热,PTC加热系统由PTC接触器、PTC熔断器及加热器组成。当需要对动力电池加热时,主控盒控制PTC接触器闭合,电流从动力电池流出,经过各PTC加热器对蓄电池继续加热。对于动力电池而言,PTC加热采用多点加热,每个电池模组上都配有一个加热器,如图3-2-13所示。
图3-2-13
任务检测
一、填空题
1.电动汽车使用的动力电池可以分为______、______、______。
2.蓄电池是通过充电将______转化为______储存起来,使用时再将______转化为____释放出来。
3.铅酸蓄电池由______、______、______、______、______、______等组成。
4.锂离子电池是一种充电电池,当______时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,当______时,Li+从负极脱嵌,经过电解质回到正极。
5.飞轮电池由______、______、______、______、______等组成。
二、选择题
1.电池包由很多单格电池组成,这些电池是通过( )连接起来的。
A.串联 B.并联 C.串并联 D.都不是
2.DC-DC转化的作用是( )。
A.把高压直流电变成低压直流电 B.把高压直流电变成高压交流电
C.把高压交流电变成高压直流电 D.把高压交流电变成低压直流电
3.对新能源汽车进行维修,必须穿戴( )。
A.绝缘手套 B.绝缘服 C.绝缘鞋 D以上都要穿戴
4.电池系统由( )组成。(多选)
A.电池 B.电流传感器 C.保险丝 D.继电器
5.汽车上常用的电池有( )。(多选)
A.铅酸蓄电池 B.锂离子电池 C.飞轮电池 D.超级电容器
三、选择题
1.铅酸蓄电池放电时,正极上的活性物质、负极上的活性物质与电解液发生化学反应生成电能、水和硫酸铅。( )
2.镍镉电池高能、安全、无污染,是目前最具发展前景的电池之一。( )
3.铅酸电池的正极板上活性物质为纯铅,负极板上的活性物质为二氧化铅。( )
4.锂离子电池中的隔膜是一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜上有微孔结构,可以让锂离子自由通过,也可以让电子自由通过。( )
5.电动机带动飞轮旋转,此为飞轮储能器充电过程;飞轮带动发电机旋转,此为飞轮储能器的放电过程。( )
四、简答题
1.铅酸蓄电池有哪些优点、缺点?
2.如何拆卸新能源汽车动力电池组?
3.锂离子电池有哪些优点、缺点?
4.飞轮储能器是如何工作的?
5.动力电池系统由哪些组成?
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