高压电池组

翁德沃彭：

介绍
不同电池的材质及规格
铅酸蓄电池
镍镉 (Ni-Cd)
镍氢 (Ni-MH)
锂离子 (li-ion)
超级电容器（supercap）
电池单元平衡

内嵌：
混合动力或全电动汽车比仅配备内燃机的汽车拥有更大、更重的电池。混合动力汽车使用高电压，如果由不合格的人员进行维修，可能会危及生命。举个例子：

运行中的启动电机功耗约为 1,2 kW（1200 瓦）
完全依靠电力运行的混合动力汽车的耗电量约为 60 kW（60.000 瓦）

混合动力汽车只能由经过特殊培训的人员操作。有一个12伏的车载网络，为配件（如收音机等）供电，自带小电池，还有一个高压车载网络，工作电压为400伏（取决于品牌））。 400V电压通过特殊的DC/DC转换器转换为12V并对相关电池充电。

对混合动力驱动电池提出了很高的要求。它们一定很大存储容量具有。存储大量能量储备，并在支持内燃机（混合动力）或为完整推进（BEV）提供能量时消耗非常高的电压。

下图显示了丰田普锐斯的电池组。该镍氢 (NiMH) 电池包含 28 个模块，每个模块由 6 个电池组成。每个电池的电压为 1,2 伏。该电池组的总电压为201,6伏。

不同类型电池的材质及规格：
在开发电动传动系统时，需要在不同类型的电池之间进行选择。特性、性能、施工选项和成本起着重要作用。混合动力和全电动汽车中最常用的电池类型是 Ni-MH（镍氢）和锂离子（锂离子）电池。

除了镍氢和锂离子类型之外，电解电容器也得到了发展，我们将其命名为“超级电容器”或“超级电容器”。

该表显示了不同电池的材料及其规格。

铅蓄电池：
该表还提到了铅酸电池（不考虑凝胶和 AGM 版本）。由于铅酸电池在最大放电20%时寿命最长，随着老化会出现硫酸盐化，且能量密度和含量较低，不适合用于电动汽车。我们确实找到了铅酸电池作为附件电池；照明、舒适系统（车身）和信息娱乐系统等低压用电设备的工作电压约为 14 伏。

镍镉（Ni-Cd）：
过去，镍镉电池具有记忆效应，因此不适合用于电力推进：不断发生部分充电和放电。现代镍镉电池几乎不再受记忆效应的影响。这种电池的最大缺点是含有有毒物质镉。这使得镍镉电池对环境极其不友好。因此，法律禁止使用该电池。

镍氢 (Ni-MH)：
镍氢电池的充电速度比铅酸电池快。充电过程中会产生热量和气体，必须将其除去。电池配备冷却系统和排气阀。由于其寿命长、能量和功率密度高，镍氢电池适合在电动汽车中使用。然而，此类电池对过度充电、过度放电、高温和快速温度变化很敏感。

下图显示了丰田普锐斯的镍氢电池组。该电池组位于后备箱内，后排座椅靠背后面。当温度传感器记录到高温时，冷却风扇就会启动（可以在右侧照片中的白色外壳处看到）。风扇从内部吸入空气并将其吹过电池组内的风道以冷却电池。

锂离子（li-ion）：
由于锂离子电池的能量和功率密度较高（与镍氢电池相比），锂离子电池组通常用于插电式混合动力汽车和纯电动汽车。锂离子电池在低温下性能良好，使用寿命长。预计随着进一步发展，未来几年该物业将得到改善。

在下一张图片中，我们看到了 BMW i3 的（锂离子）电池组。盖子已拧开，位于其后面。安装后，盖子会气密关闭。

i3的电池组安装在车辆下方。前轴和后轴之间的地板空间被尽可能地利用起来，为电池组提供尽可能多的空间。

在图像中，我们看到八个独立的块，每个块有十二个单元。每个块的容量为 2,6 kWh，因此总共 22 kWh。作为比较：当前一代 i3（2020）的电池容量为 94 Ah，功率为 22 kWh。自 2013 年推出以来，电池组的尺寸一直保持不变，但其性能（以及续航里程）却大大提高。

Tesla 从 2013 年起在车型（Model S 和 Model X）中使用小型电池，这些电池比我们从电视遥控器中了解到的标准 AA 电池稍大。电池（松下 18650）长 65 毫米，直径 18 毫米。最广泛的电池组包含不少于 7104 个此类电池。

在下图中，我们可以看到左侧为单个电池单元，右侧为包含 7104 单元的电池组。

锂离子电池由四个主要部件组成：

阴极 (+) 由锂合金组成
阳极 (-) 由石墨或碳组成
多孔分离器
电解质

放电期间，锂离子通过电解质从阳极 (-) 移动到阴极 (+)，到达消耗装置，然后返回阳极。充电期间，离子沿相反方向移动，然后从阴极 (+) 移动到阳极 (-)。

电解质含有锂盐以传输离子。隔膜确保锂离子可以通过，同时阳极和阴极保持分离。

电池单元安装在串联连接的模块中。下面的示意图显示了与大众 E-UP 的电池组非常相似的电池组！和雷诺佐伊。仅电池数量不同：E-UP 的电池组！有 204 个电池，雷诺 Zoë 192 有 XNUMX 个电池。

在此示例中，电池组由两个包含六个模块的电池组组成。每个模块包含两组10个串联并联的电池。

串联：电池电压升高。当电池电压（锂离子）为 3,2 伏时，一个电池模块提供 (3,2 * 10) = 32 伏。
串联连接的缺点是，如果电池损坏，整个串联连接的容量就会降低。
并联：电压不变，但电流和容量增加。损坏的电池对与其并联的电路中的电池没有影响。

因此，制造商可以选择每个模块使用多个并行电路。因此，在大众 E-Golf 的模块中，不是（本例中为两个）而是三组电池并联连接。

锂离子电池的寿命约为 2000 个放电和充电周期，之后其容量会减少至其初始充电容量的约 80%。

锂离子电池的电压如下：

额定电压：3,6伏；
放电极限：2,5伏；
最大充电电压：4,2伏。

大多数电池管理系统 (BMS) 使用 2,8 伏的下限。如果电池放电超过 2,5 伏，电池就会损坏。细胞的寿命缩短。锂离子电池过度充电也会缩短其使用寿命，但也很危险。电池过度充电可能会导致其易燃。电池的温度也会影响其寿命：温度低于 0°C 时，电池可能无法再充电。在这种情况下，加热功能提供了一个解决方案。

超级电容（supercap）：
在前面的段落中，提到了不同的电池类型，每种类型都有其应用、优点和缺点。每个拥有这种电池的人都面临的一个缺点是充电时间。给电池组充电可能需要几个小时。快速充电是一种选择，但这会带来更多热量，并且可能还会导致电池组更快老化（和损坏）。

目前正在对超级电容器进行大量研究和开发。我们也称这些为“超级电容器”或“超级电容器”。使用超级电容器可以为此提供解决方案：

充电非常快；
它们可以非常快速地释放能量（放电），因此可以显着增加功率；
由于不发生电化学反应，充电周期次数不受限制（至少 1 万次），因此比锂离子电池更耐用；
部分与前一点相关，超级电容器可以完全放电，而不会对其寿命产生任何有害后果。

超级电容器是容量和能量密度比标准电解电容器高数千倍的电容器。通过使用含有离子的特殊电解质（绝缘材料）来增加容量，因此极板之间具有非常高的介电常数。将隔板（薄箔）浸泡在含有离子的溶剂中，并将其放置在板之间。这些板通常由碳制成。

所示电容器的电容为 5000 F。

超级电容器可与锂离子高压电池组合；当短暂加速时，可以使用电容器的能量来代替高压电池的能量。通过再生制动，电容器可在不到一秒的时间内充满电。未来的发展也可能使用超级电容器封装取代锂离子电池成为可能。不幸的是，就目前的技术而言，与锂离子电池相比，容量和功率密度都太低。科学家们正在寻找提高容量和功率密度的方法。

电池单元平衡：
通过被动和主动电池单元平衡，每个电池单元均由 ECU 监控，以保持健康的电池状态。这可以防止深度放电或过度充电，从而延长电池的使用寿命。尤其是锂离子电池必须保持在严格的限制范围内。电池的电压与电荷状态成正比。电池的电荷必须尽可能保持彼此平衡。通过电池平衡，可以将充电状态精确控制在 1 mV（0,001 伏）以内。

被动平衡通过对充电状态过高的电池进行部分放电来确保所有电池单元的充电状态达到平衡（我们将在本节后面讨论这一点）；
主动平衡是一种更复杂的平衡技术，可以在充电和放电过程中单独控制电池。主动平衡的充电时间比被动平衡的充电时间短。

在下图中，我们看到一个带有八个电池的电池模块。
八块电池已充电至 90%。如果电池持续充电至 100%，其寿命会缩短。相反，如果电池放电超过 30%，寿命也会缩短：在充电状态<30% 时，电池会深度放电。

因此，电池的充电状态始终在 30% 到 90% 之间。这由电子设备监控，但车辆驾驶员看不到。
当达到 0% 或 100% 时，仪表板中的数字显示屏指示 30% 或 90%。

由于年老，一些细胞会变得比其他细胞更弱。这对电池模块的充电状态有很大影响。在接下来的两张图片中，我们看到了当两个电池因老化而容量较低时的充电状态。在这些情况下电池单元不平衡。

由于坏电池而放电更快：中间的两个电池由于容量较低而放电更快。为了防止深度放电，模块中的其他六块电池无法再释放能量，因此不能再使用；
由于电池损坏而无法完全充电：由于中间两节电池的容量较低，因此充电速度更快。由于它们的充电速度比其他六块电池快 90%，因此无法进行进一步充电。

显然，较低容量的电池是放电（行驶时）和充电时的限制因素。充分利用电池组的全部容量并确保较长的使用寿命。

电池平衡有两种方法：被动和主动。

没有平衡：四个电池都具有不同的充电状态。 2号电池几乎没电，4号电池已充满电；
被动：容量最大的电池被放电，直到达到最弱电池（示例中的电池 2）的充电状态。 1、3、4号电池放电为损耗。
在示例中，我们看到烧杯放电直至达到电池 2 的充电状态；
主动：来自完整电池的能量用于填充空电池。现在没有损失，而是能量从一个细胞转移到另一个细胞。

下面解释被动和主动电池平衡的工作原理。

被动电池平衡：
在示例中，我们看到四个电池单元与可开关电阻 (R) 并联串联。在此示例中，电阻器通过开关接地。实际上，这是一个晶体管或 FET。

在示例中，我们看到单元 3 已 100% 加载。从前面的段落中我们知道，这种电池充电速度更快，因为它比其他三种电池更弱。由于 3 号电池的充电状态为 100%，因此其他 XNUMX 号电池不再充电。

与电池 3 并联的电阻通过开关包含在电流电路中。电池 3 放电，因为一旦电流流过电阻，电阻就会吸收电压。放电持续进行，直到电池与其他电池处于同一水平；在本例中为 90%。

当该模块中的所有四个电池都具有相同的充电状态时，它们可以进一步充电。

通过无源电池平衡，能量会损失：并联电阻吸收的电压已经损失。尽管如此，许多制造商至今仍在使用这种平衡方法。

主动电池平衡：
当然，主动电池平衡更有效。过满电池的能量用于为空电池充电。我们在下面看到一个主动电池平衡的例子。

在示例中，我们看到两个串联的电池（3 和 4），其电压高于它们（分别为 4 和 3,9 伏）。电池 3 通过变压器放电。初级侧的 FET 允许放电。变压器中的初级线圈由此充电。次级侧的 FET 导通变压器的次级线圈。获得的充电电流用于为另一个电池下的变压器供电。单元 4 下方的变压器也由 FET 开关。