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18年伊始新版补贴政策公布,对电池能量密度提出更高要求;科技部动力电池专项研究取得了实质性突破,宁德时代、力神、国轩三巨头皆选择采用软包路线;璞泰来近日公告拟收购软包自动化设备企业超业精密。三起事件揭示行业深层次变化正在发生。

软包技术作为电池轻量化高能化的重要手段,有望在新扩产能中持续提高渗透率,从而实现高于行业扩产规模的投资增速。软包电池与方形电池的工艺差异带来对中后段高端叠片设备和注液、封装等设备的需求升级。新增市场由于空间广阔,具备一定软包技术基础的锂电设备公司有望加速布局。详情参考报告正文。

三种形态各有优劣,软包电池能量密度性能突出

与硬壳电池(方形和圆柱)相比,软包电池具有设计灵活、重量轻、内阻小、不易爆炸、循环次数多、能量密度高等特点,能在现有技术水平上提升动力电池的能量密度,在续航里程上进一步缩小和燃油车的差距。短期内软包装作为一种电池轻量化高能化的手段,将以较高比例占据增量市场,长期看全固态电池需要采用软包技术为行业指明方向。新能源汽车新政策释放了推动电池性能提升、增大能量密度的信号。随着补贴门槛的不断提升,软包装能够助力更多电池企业提升能量密度和产品竞争力,未来软包技术将在增量市场中占据一席之地。

从电池形态演变看锂电设备需求升级

根据中国储能网统计,软包电池目前在动力电池中的渗透率仅12-15%,一方面是由于目前生产工艺尚不成熟、标准化程度较低、电池一致性较差,另一方面则是主要原材料铝塑膜依赖进口导致单位成本相对较高。不过在需求带动下这些发展瓶颈未来都有望通过生产规模化、自动化、增强电池管理系统、铝塑膜质量提升等来消除。尤其是软包电芯采用的叠片工艺,这对生产过程控制提出了很高要求,也凸显了中后段高端一体化设备的重要作用。

软包设备空间广阔,主流厂商纷纷布局

动力锂电池生产设备与锂电池工艺流程紧密关联,整产工艺大致可分为极片制作(前端)、电芯制作(中端)和电池组装(后端)三个阶段。软包电池与方形电池的工艺在生产前端的搅拌、涂布、辊压等环节基本一致,工艺差异主要集中在动力电池生产的中端与后端。核心差异在于两方面:1)软包电池电芯采用叠片工艺,而方形电池通常采用卷绕工艺;2)铝塑膜作为软包电池包装材料,其中后端的注液、封装等工序与方形电池存在较大差异。软包电池相关中后端锂电设备巨大的市场空间吸引着锂电设备龙头加速布局软包设备领域。2018年3月13日,璞泰来发布重大资产重组停牌进展公告称,拟收购的标的资产为东莞市超业精密设备有限公司。超业精密为国内领先的软包电池成套解决方案供应商。

投资建议: 随着新能源汽车补贴标准对电池能量密度提出更高要求,软包技术作为电池轻量化高能化的重要手段,有望在新增产能中持续提高渗透率,从而实现高于行业扩产规模的投资增速。软包电池与方形电池的工艺差异带来对中后段高端叠片设备和注液、封装等设备的需求升级。新增市场由于空间广阔,具备一定软包技术基础的锂电设备公司有望加速布局。目前相关上市公司包括璞泰来、赢合科技、先导智能等。

风险提示:新能源汽车销量低于预期;产品价格大幅下跌;软包动力电池技术推广低于预期。

一、电池形态三分天下,软包电池潜力巨大

1.1 三种形态各有优劣,软包电池能量密度突出

目前动力锂电池依据封装形式差异可分为三类形态:圆柱、方形和软包,其中圆柱和方形也统称为硬壳电池。三种动力锂电池的内部构成要素区别不大,核心差异在于圆柱和方形电池主要采用金属材料作为外壳,而软包锂电池采用铝塑膜作为封装外壳。

由于特定的包装材料与结构不同,三种电池各在技术性能方面有所差异,各自具备一定的优劣势。

圆柱电池:生产工艺成熟,产品良率高。受益于成熟的工艺,圆柱锂电池PACK成本较低,电池产品良率较高;且散热性能优于方型电池;圆柱形电池可依据具体需求而进行多种形态组合,便于新能源汽车使用空间的充分布局。当下中、日、韩、美等都有成熟的圆柱电池生产企业,比如SANYO、SONY、万向A123等。但是圆柱电池通常是选用金属钢壳或铝壳封装,重量较大,导致电池组比能量相对较低。

方形电池:型号众多,工艺统一难。方形硬壳电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料,内部采用卷绕式或叠片式工艺,对电芯的保护作用优于于铝塑膜电池(即软包电池),电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。目前,生产方形电池的企业主要有宁德时代、国轩高科、、力神等。但是由于方形电池通常是根据产品要求的尺寸定制化生产,造成目前市场上方形电池型号众多,工艺很难统一,对于需要多只串、并联使用的新能源汽车动力锂电池,因此选用标准化生产的圆柱锂电池在生产工艺更有保证,在安全性方面更有优势,同时替换性较强。

软包电池:指以铝塑膜为外壳的锂电池,在3C领域渗透率已经超过60%,并逐步扩展至新能源汽车行业。与硬壳电池相比,软包电池具有设计灵活、重量轻、内阻小、不易爆炸、循环次数多、能量密度高等特点。软包电池随着智能手机和平板电脑的普及得到快速发展,因其良好的延展性和高能量密度特点,逐步应用到新能源汽车、储能等领域。

软包装的最大优势在于,能在现有技术水平上提升动力电池的能量密度,在续航里程上进一步缩小和燃油车的差距。根据高工锂电的统计,软包电池比同等容量的铝壳包装电池轻20%,与同样尺寸的铝壳电池,容量高出50%。与硬壳包装相比,软包装能够提升电池安全性、减少电池自耗电、延长使用寿命,并具有设计灵活性。软包装的不足之处在于包装材料铝塑膜机械强度不及硬壳,目前依赖进口、成本较高。

成本和一致性问题成软包电池发展限制因素。软包电池不足之处在于,目前生产工艺尚不成熟、标准化程度较低、电池一致性较差。不过这些劣势未来 通过生产规模化、自动化、增强电池管理系统、铝塑膜质量提升来消除。此外,软包原材料铝塑膜仍有赖进口,动力电池制造厂商对国产铝塑膜接受程度低,这也在一定程度上限制了软包电池的大规模发展。未来随国内企业在铝塑膜领域的产能发力,后续限制性因素有望陆续化解。

1.2 新版政策“优补差退”,高能量密度需求助力软包技术发展

按照2018年新能源汽车补贴方案,系统能量密度在140Wh/kg以上的纯电动乘用车有10%的补贴溢价,系统能量密度在160Wh/kg以上的纯电动乘用车有20%的补贴溢价,系统能量密度在135Wh/kg以的纯电动客车可获得10%的补贴溢价,提高了补贴对于电池系统能量密度的要求。由于软包装能够进一步提升电池能量密度,发展软包电池符合新政策引导方向。

中期来看,在去补贴化背景下,行业竞争格局趋向市场化,软包电池符合乘用车提升续航能力趋势。在年普惠式补贴政策引导下,新能源乘用车市场逐渐形成,2016年产量在新能源汽车总产量中占比约为62%;A00、A0级车在新能源乘用车产量中占据半壁江山,市场培育初见成效。相比于客车、专用车,乘用车的空间更加紧凑,对能量密度、安全性要求更高,软包装节省体积减轻重量,能够提升续驶能力,且不易燃爆,优势明显。北汽EC180、奇瑞eQ等畅销A00、A0车型均部分使用软包电池。软包装的能量密度、安全优势符合A、B级乘用车性能提升方向,新能源乘用车持续放量为软包发展创造空间。

1.3 未来固态电池适合搭配软包封装技术

按照电解液物质状态的不同,软包电池可分为软包液态电池和软包聚合物电池,前者使用液态电解液,后者使用的电解液目前以胶体为主。以固态物质为电解液的全固态电池仍处于研发示范阶段,将进一步提升动力电池的能量密度和安全性,由于不使用液态电解液,电池封装可使用软包。软包液态电池广泛应用于国产手机、充电宝,著名畅销车型日产聆风即装载了AESC提供的层叠式软包液态电池;软包聚合物电池则用于笔记本电脑及品牌手机。

远期来看,全固态电池能量密度高、安全性最强,有望带动软包装进一步发展。全固态电池以聚合物、氧化物或硫化物等固态电解质代替隔膜和电解液从根本上解决电池安全问题;电池单体能量密度有望提升至400-500Wh/kg。全固态电池目前仍处于研发阶段,宝马、丰田、及部分国内企业都在积极布局,未来有望成为主流电池路线。德国Kolibri为奥迪汽车开发出一款大容量的聚合物固态锂电池,电池总重300kg,续驶里程达到600公里。由于无需使用液体,固态电池外壳与组装工艺得到简化,适宜固态电池封装使用的软包封住技术有望为软包电池发展打开新的成长空间。

我们认为,短期内软包装作为一种电池轻量化高能化的手段,将以较高比例占据增量市场,长期看好全固态电池采用软包装趋势。新能源汽车新政策释放了推动电池性能提升、增大能量密度的信号。随着补贴门槛的不断提升,软包装能够助力更多电池企业提升能量密度,提升产品竞争力,软包装将在增量市场中占据一席之地。

二、扩产趋势发生变化,软包电池投资加码

2.1 明星车型助力未来软包电池放量

国内市场,软包电池进入部分新能源乘用车、客车、专用车龙头企业供应链,应用前景持续看好。北汽新能源、奇瑞等厂商在其畅销车型中引入软包,东风日产、上汽通用等企业积极推进国外软包车型本土化。软包电池也应用于新能源客车和专用车,宇通客车、中通客车、东风特汽等龙头企业均有车型搭载软包电池。

2.2 电池企业软包产能扩产计划

在2017年新能源乘用车动力电池装机量前十中,孚能、天能、捷威都是三元软包动力电池供应商。这三家都是近几年进入新能源乘用车供应前列的。

2015年开始,孚能凭借三元软包的能量密度优势和在北美的配套经验积累,进入北汽新能源的供应体系,成为主力供应商。2015年在出货量排行上,孚能还默默无闻。2016年,孚能出货量达到341.68MWh,业界排名第13名。2017年继续扩张,出货量1.0Wh,业界排名第六,乘用车配套排行第三。2017年12月20日,孚能还与北汽集团签下五年百万台电池大单,将确保其继续占有相当大的市场份额。

天能也是近几年进入新能源乘用车供应的电池巨头。2017年天能三元软包电动汽车动力电池近300MWh。天能的软包电芯能量密度已经达到230Wh/kg,2018年底将推出250-260Wh/kg的产品。目前天能三元软包动力电池产能2.5GWh-3GWh,2019年将扩充到8GWh左右,新增产能全部为三元软包路线。

在前十名之外,多氟多、卡耐新能源、超威创元、天劲股份、鹏辉能源等企业都已经量产供应三元软包电池,使得三元软包相对于方形和圆柱,日渐呈现崛起之势。

三、从电池形态演变看锂电设备升级之路

3.1 技术与效率寻找均衡点,三种形态各自发展

2018年1月20日,中国电动汽车百人会2018年论坛,国家863 计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长欧阳明高介绍动力电池专项研究进展。其中CATL、力神、国轩高科三家承担新型锂离子动力电池项目的企业,均选择了三元软包技术路线,能量密度均达到300Wh/kg。

但这只能表明承担国家专项的三家企业对三元软包技术路线高能量密度特征的认可,实际扩产情况仍然是企业从自身出发,寻求技术与效率的均衡点。而软包电池目前尚未对方形电池和圆柱电池形成压倒性优势的主要短板有两方面:一是成本问题:铝塑膜这一核心部件目前国产化程度较低,主要依赖于国外进口,成本较高。二是工艺难度:软包电芯通常采用叠片工艺而非卷绕方式,在叠片模切过程当中,传统五金模切机往往造成冲切断面出现毛刺、易掉粉问题,导致极片质量不好,严重影响成品电池安全性能,同时残留的粉尘在复杂的使用环境下,容易造成电池内部短路,轻则缩短电池寿命,重则导致电池出现安全问题。

3.2 铝塑膜逐渐国产化,破解软包路线成本难题

铝塑膜的材料属性对于保障电池长周期稳定运行十分关键,是软包电池与圆柱型、方型硬壳电池主要区别所在。铝塑膜的设计、制造被认为是锂电行业三大技术难题之一。铝塑膜一般由外阻层(尼龙)、铝层和高阻隔层(聚丙烯)组成,在两层之间夹有胶水层。按照功能用途,铝塑膜可以分为动力用和非动力用两类。前者所使用的铝塑膜厚度为152μm,后者一般使用88-123μm厚度的铝塑膜。相对而言,前者的技术要求更高。

铝塑膜价格仍高,主要归因于存在生产技术壁垒、目前主要依赖进口,国内市场基本为日韩企业垄断。高工锂电数据显示,2016年中国锂电池铝塑膜的需求量(不含外资企业在中国的工厂,ATL除外)为9500万m2,同比增长44%;其中,国内产量达494万m2,国产化率约为5%。日本DNP、昭和电工占据近70%份额。2016年,新纶科技于2016年7月收购了日本凸版印刷旗下的铝塑膜生产、制造及销售业务,目前其生产仍在日本完成。

3.3 叠片工艺难度大,高端生产设备需求突显

软包电芯通常采用的是叠片工艺,而非方形电池电芯通常采用的卷绕方式。在软包电池模切和叠片工艺过程中,产生的毛刺和粉尘容易造成电池短路,造成极大的电池安全隐患,因此在软包电池的生产制备过程中控制极片毛刺粉尘显得尤为重要。

极片毛刺是指极片冲切所产生的断面基材拉伸、弯曲。在模切和叠片工序中控制冲切时的毛刺大小,减少冲切时产生的粉尘,以及在极片转运过程中避免毛刺的产生,已成为这两个工序目前面临的最主要的难题,而要解决这些难题,先要了解毛刺和粉尘产生的原因。极片毛刺粉尘产生的主要原因有三点:1)冲切方式;2)冲切模具的结构;3)冲切模具的材料及加工精度。根据毛刺和粉尘产生的原因,解决方案未来可从以下几方面提升:1、优化现有模具结构;2、提高模具制造和装配精度;3、选用激光模切机;4、采用模切叠片一体机,模切叠片一体机在极片冲切完之后可直接进入叠片平台,避免极片和料盒的碰撞和摩擦,彻底解决极片不良的潜在风险。

四、软包设备空间广阔,主流厂商纷纷布局

4.1前端设备共享,中后端引发需求升级

动力锂电池生产设备与锂电池工艺流程紧密关联。动力锂电池整体生产工艺流程较长,大致可分为极片制作(前端)、电芯制作(中端)和电池组装(后端)三个阶段。

软包电池与方形电池的工艺在生产前端的搅拌、涂布、辊压等环节基本一致,工艺差异主要集中在动力电池生产的中端与后端。核心差异在于两方面:1)软包电池电芯采用叠片工艺,而方形电池通常采用卷绕工艺;2)铝塑膜作为软包电池包装材料,其中后端的注液、封装均与方形电池存在较大差异。

4.2 软包路线渗透率有待提升,设备需求空间广阔

高工锂电统计数据显示,2016年我国圆柱、方形、软包锂电池产量分别为13.92GWh、26.64GWh、22.99GWh,软包在锂电全行业的渗透率已经达36%,而我国动力电池产量达30.5GWh,其中软包电池占比12%,处于相对较低水准。

随着补贴政策退坡,新能源汽车市场导向趋势愈发明显。在前期政策引导下,A00、A0级新能源乘用车市场已经初具规模,积分制下A、B级乘用车放量在即。软包电池设计灵活、轻质的特性有望在小车中得到充分发挥,预期未来在A00、A0级车中的渗透率将逐步提升。对于增量市场,软包装的能量密度、安全性优势依然适用,可以提升续航里程。根据中国储能网的预测,2020年国内软包动力电池出货量预计35.9Gwh,渗透率达38%,相比17年5.5Gwh左右的出货量新增约30Gwh。考虑到市场成熟期合理的产能利用率范围在50%左右,即得到新增产能60Gwh。这与软包电池企业目前公布的扩产计划56Gwh总量基本吻合。

依据宁德时代招股说明书披露的数据显示,目前国内电池厂商平均1GWh产能对应设备投资约2.8亿元。其中,前中后三阶段对应的锂电设备价值量占比分别在 40%、30%、30%左右,软包路线对应的特有设备即中后段设备大概占比60%, 约1.68亿/Gwh。则2020年以前软包动力电池新增特有设备需求约60*1.68=100.08,即约100亿的新增软包特有生产设备需求。

软包电池相关中后端锂电设备巨大的市场空间吸引着锂电设备龙头加速布局软包设备领域。2018年3月13日,璞泰来发布重大资产重组停牌进展公告称,公司本次重大资产重组拟收购的标的资产为东莞市超业精密设备有限公司(下称“超业精密”),初步方案为拟发行股份及支付现金收购超业精密100%股权。璞泰来通过新设、兼并购等方式,不断完善在锂电池关键材料和设备领域的产业链布局。超业精密起步于十多年前的半自动单机,成名于极耳焊接机、冲壳包装机和注液机。在锂电池行业需求快速提升的背景下。近年来公司软包装电池设备产品早已拓延到模切、叠片、焊接、包装、干燥、注液和DEGAS等核心工艺设备,并具备在单品牌下整体提供全套中段和后段设备的供应和服务能力。

此外,赢合科技较早设计包括模切叠片、全自动软包注液机、软包封装等软包电池生产相关锂电设备,积累了一定的经验,具备提供软包一体化组装线产品服务的能力。先导智能作为锂电设备的领先企业,除卷绕机王牌产品之外,在叠片机领域具备一定技术基础。

璞泰来(603659.SH):璞泰来专注锂电材料及设备领域,现已布局负极材料、锂电设备、涂覆隔膜加工以及铝塑包装膜等四项核心业务,锂电产业内各业务协同支撑,纵向一体化布局深厚,龙头地位稳固。公司公告拟收购超业精密。超业精密近年来在软包装电池设备产品已拓延到模切、叠片、焊接、包装、干燥、注液和DEGAS等核心工艺设备,并具备在单品牌下整体提供全套中段和后段设备的供应和服务能力,为公司未来建立一体化软包相关锂电设备产能打下基础。公司2017年前三季度公司实现营收15.51亿元,同比增长40.2%;归母净利润3.24亿元,同比增长68.3%,增长态势强劲。

赢合科技(300457.SZ):赢合科技成立于2006年,是一家集开发、生产、销售、服务为一体的自主创新型国家级高新技术企业。公司专业制造新能源自动化生产装备,广泛应用于锂离子、聚合物、动力电池等各个生产工序;公司技术力量雄厚,拥有一支以资深工程师为核心的研发团队,在锂电池及非标设备制造方面具有深厚造诣,保证了技术的先进性和实用性。公司较早设计包括模切叠片、全自动软包注液机、软包封装等软包电池生产相关锂电设备,积累了一定的经验,具备提供软包一体化组装线产品服务的能力。公司2017年实现营收15.91亿元,同比增长87.13%;归母净利润2.19亿元,同比增长76.64%。

先导智能(300450.SZ):公司是锂电设备行业的领军企业,竞争优势明显,有望进一步成长为全球锂电设备企业。除卷绕机王牌产品之外,公司在叠片机领域具备一定技术基础,同时拥有良好的口碑以及优质的客户资源。公司2017年全年实现营收21.77亿元,同比增长101.75%;归母净利润5.14亿元,同比增长79.45%。

六、投资建议与风险提示

随着新能源汽车补贴标准对电池能量密度提出更高要求,软包技术作为电池轻量化高能化的重要手段,有望在新增产能中持续提高渗透率,从而实现高于行业扩产规模的投资增速。软包电池与方形电池的工艺差异带来对中后段高端叠片设备和注液、封装等设备的需求升级。新增市场由于空间广阔,具备一定软包技术基础的锂电设备公司有望加速布局。目前相关上市公司包括璞泰来、赢合科技、先导智能等。

新能源汽车销量低于预期:我国新能源汽车处于起步阶段,受政策等多重因素影响,新能源汽车销量波动将对上游电池和锂电设备需求形成影响。

产品价格大幅下跌:随着电池技术的改善,锂电池单价有逐渐下降趋势,若电池单价出现大幅下跌将对上游游电池和锂电设备需求形成影响。

软包动力电池技术推广低于预期:软包电池由于能量密度高等特点未来应用市场广阔,若软包技术路线推广低于预期,将对上游软包特有锂电设备需求形成影响。

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18年伊始新版补贴政策公布,对电池能量密度提出更高要求;科技部动力电池专项研究取得了实质性突破,宁德时代、力神、国轩三巨头皆选择采用软包路线;璞泰来近日公告拟收购软包自动化设备企业超业精密。三起事件揭示行业深层次变化正在发生。

软包技术作为电池轻量化高能化的重要手段,有望在新扩产能中持续提高渗透率,从而实现高于行业扩产规模的投资增速。软包电池与方形电池的工艺差异带来对中后段高端叠片设备和注液、封装等设备的需求升级。新增市场由于空间广阔,具备一定软包技术基础的锂电设备公司有望加速布局。详情参考报告正文。

三种形态各有优劣,软包电池能量密度性能突出

与硬壳电池(方形和圆柱)相比,软包电池具有设计灵活、重量轻、内阻小、不易爆炸、循环次数多、能量密度高等特点,能在现有技术水平上提升动力电池的能量密度,在续航里程上进一步缩小和燃油车的差距。短期内软包装作为一种电池轻量化高能化的手段,将以较高比例占据增量市场,长期看全固态电池需要采用软包技术为行业指明方向。新能源汽车新政策释放了推动电池性能提升、增大能量密度的信号。随着补贴门槛的不断提升,软包装能够助力更多电池企业提升能量密度和产品竞争力,未来软包技术将在增量市场中占据一席之地。

从电池形态演变看锂电设备需求升级

根据中国储能网统计,软包电池目前在动力电池中的渗透率仅12-15%,一方面是由于目前生产工艺尚不成熟、标准化程度较低、电池一致性较差,另一方面则是主要原材料铝塑膜依赖进口导致单位成本相对较高。不过在需求带动下这些发展瓶颈未来都有望通过生产规模化、自动化、增强电池管理系统、铝塑膜质量提升等来消除。尤其是软包电芯采用的叠片工艺,这对生产过程控制提出了很高要求,也凸显了中后段高端一体化设备的重要作用。

软包设备空间广阔,主流厂商纷纷布局

动力锂电池生产设备与锂电池工艺流程紧密关联,整产工艺大致可分为极片制作(前端)、电芯制作(中端)和电池组装(后端)三个阶段。软包电池与方形电池的工艺在生产前端的搅拌、涂布、辊压等环节基本一致,工艺差异主要集中在动力电池生产的中端与后端。核心差异在于两方面:1)软包电池电芯采用叠片工艺,而方形电池通常采用卷绕工艺;2)铝塑膜作为软包电池包装材料,其中后端的注液、封装等工序与方形电池存在较大差异。软包电池相关中后端锂电设备巨大的市场空间吸引着锂电设备龙头加速布局软包设备领域。2018年3月13日,璞泰来发布重大资产重组停牌进展公告称,拟收购的标的资产为东莞市超业精密设备有限公司。超业精密为国内领先的软包电池成套解决方案供应商。

投资建议: 随着新能源汽车补贴标准对电池能量密度提出更高要求,软包技术作为电池轻量化高能化的重要手段,有望在新增产能中持续提高渗透率,从而实现高于行业扩产规模的投资增速。软包电池与方形电池的工艺差异带来对中后段高端叠片设备和注液、封装等设备的需求升级。新增市场由于空间广阔,具备一定软包技术基础的锂电设备公司有望加速布局。目前相关上市公司包括璞泰来、赢合科技、先导智能等。

风险提示:新能源汽车销量低于预期;产品价格大幅下跌;软包动力电池技术推广低于预期。

一、电池形态三分天下,软包电池潜力巨大

1.1 三种形态各有优劣,软包电池能量密度突出

目前动力锂电池依据封装形式差异可分为三类形态:圆柱、方形和软包,其中圆柱和方形也统称为硬壳电池。三种动力锂电池的内部构成要素区别不大,核心差异在于圆柱和方形电池主要采用金属材料作为外壳,而软包锂电池采用铝塑膜作为封装外壳。

由于特定的包装材料与结构不同,三种电池各在技术性能方面有所差异,各自具备一定的优劣势。

圆柱电池:生产工艺成熟,产品良率高。受益于成熟的工艺,圆柱锂电池PACK成本较低,电池产品良率较高;且散热性能优于方型电池;圆柱形电池可依据具体需求而进行多种形态组合,便于新能源汽车使用空间的充分布局。当下中、日、韩、美等都有成熟的圆柱电池生产企业,比如SANYO、SONY、万向A123等。但是圆柱电池通常是选用金属钢壳或铝壳封装,重量较大,导致电池组比能量相对较低。

方形电池:型号众多,工艺统一难。方形硬壳电池壳体多为铝合金、不锈钢等材料,内部采用卷绕式或叠片式工艺,对电芯的保护作用优于于铝塑膜电池(即软包电池),电芯安全性相对圆柱型电池也有了较大改善。目前,生产方形电池的企业主要有宁德时代、国轩高科、、力神等。但是由于方形电池通常是根据产品要求的尺寸定制化生产,造成目前市场上方形电池型号众多,工艺很难统一,对于需要多只串、并联使用的新能源汽车动力锂电池,因此选用标准化生产的圆柱锂电池在生产工艺更有保证,在安全性方面更有优势,同时替换性较强。

软包电池:指以铝塑膜为外壳的锂电池,在3C领域渗透率已经超过60%,并逐步扩展至新能源汽车行业。与硬壳电池相比,软包电池具有设计灵活、重量轻、内阻小、不易爆炸、循环次数多、能量密度高等特点。软包电池随着智能手机和平板电脑的普及得到快速发展,因其良好的延展性和高能量密度特点,逐步应用到新能源汽车、储能等领域。

软包装的最大优势在于,能在现有技术水平上提升动力电池的能量密度,在续航里程上进一步缩小和燃油车的差距。根据高工锂电的统计,软包电池比同等容量的铝壳包装电池轻20%,与同样尺寸的铝壳电池,容量高出50%。与硬壳包装相比,软包装能够提升电池安全性、减少电池自耗电、延长使用寿命,并具有设计灵活性。软包装的不足之处在于包装材料铝塑膜机械强度不及硬壳,目前依赖进口、成本较高。

成本和一致性问题成软包电池发展限制因素。软包电池不足之处在于,目前生产工艺尚不成熟、标准化程度较低、电池一致性较差。不过这些劣势未来 通过生产规模化、自动化、增强电池管理系统、铝塑膜质量提升来消除。此外,软包原材料铝塑膜仍有赖进口,动力电池制造厂商对国产铝塑膜接受程度低,这也在一定程度上限制了软包电池的大规模发展。未来随国内企业在铝塑膜领域的产能发力,后续限制性因素有望陆续化解。

1.2 新版政策“优补差退”,高能量密度需求助力软包技术发展

按照2018年新能源汽车补贴方案,系统能量密度在140Wh/kg以上的纯电动乘用车有10%的补贴溢价,系统能量密度在160Wh/kg以上的纯电动乘用车有20%的补贴溢价,系统能量密度在135Wh/kg以的纯电动客车可获得10%的补贴溢价,提高了补贴对于电池系统能量密度的要求。由于软包装能够进一步提升电池能量密度,发展软包电池符合新政策引导方向。

中期来看,在去补贴化背景下,行业竞争格局趋向市场化,软包电池符合乘用车提升续航能力趋势。在年普惠式补贴政策引导下,新能源乘用车市场逐渐形成,2016年产量在新能源汽车总产量中占比约为62%;A00、A0级车在新能源乘用车产量中占据半壁江山,市场培育初见成效。相比于客车、专用车,乘用车的空间更加紧凑,对能量密度、安全性要求更高,软包装节省体积减轻重量,能够提升续驶能力,且不易燃爆,优势明显。北汽EC180、奇瑞eQ等畅销A00、A0车型均部分使用软包电池。软包装的能量密度、安全优势符合A、B级乘用车性能提升方向,新能源乘用车持续放量为软包发展创造空间。

1.3 未来固态电池适合搭配软包封装技术

按照电解液物质状态的不同,软包电池可分为软包液态电池和软包聚合物电池,前者使用液态电解液,后者使用的电解液目前以胶体为主。以固态物质为电解液的全固态电池仍处于研发示范阶段,将进一步提升动力电池的能量密度和安全性,由于不使用液态电解液,电池封装可使用软包。软包液态电池广泛应用于国产手机、充电宝,著名畅销车型日产聆风即装载了AESC提供的层叠式软包液态电池;软包聚合物电池则用于笔记本电脑及品牌手机。

远期来看,全固态电池能量密度高、安全性最强,有望带动软包装进一步发展。全固态电池以聚合物、氧化物或硫化物等固态电解质代替隔膜和电解液从根本上解决电池安全问题;电池单体能量密度有望提升至400-500Wh/kg。全固态电池目前仍处于研发阶段,宝马、丰田、及部分国内企业都在积极布局,未来有望成为主流电池路线。德国Kolibri为奥迪汽车开发出一款大容量的聚合物固态锂电池,电池总重300kg,续驶里程达到600公里。由于无需使用液体,固态电池外壳与组装工艺得到简化,适宜固态电池封装使用的软包封住技术有望为软包电池发展打开新的成长空间。

我们认为,短期内软包装作为一种电池轻量化高能化的手段,将以较高比例占据增量市场,长期看好全固态电池采用软包装趋势。新能源汽车新政策释放了推动电池性能提升、增大能量密度的信号。随着补贴门槛的不断提升,软包装能够助力更多电池企业提升能量密度,提升产品竞争力,软包装将在增量市场中占据一席之地。

二、扩产趋势发生变化,软包电池投资加码

2.1 明星车型助力未来软包电池放量

国内市场,软包电池进入部分新能源乘用车、客车、专用车龙头企业供应链,应用前景持续看好。北汽新能源、奇瑞等厂商在其畅销车型中引入软包,东风日产、上汽通用等企业积极推进国外软包车型本土化。软包电池也应用于新能源客车和专用车,宇通客车、中通客车、东风特汽等龙头企业均有车型搭载软包电池。

2.2 电池企业软包产能扩产计划

在2017年新能源乘用车动力电池装机量前十中,孚能、天能、捷威都是三元软包动力电池供应商。这三家都是近几年进入新能源乘用车供应前列的。

2015年开始,孚能凭借三元软包的能量密度优势和在北美的配套经验积累,进入北汽新能源的供应体系,成为主力供应商。2015年在出货量排行上,孚能还默默无闻。2016年,孚能出货量达到341.68MWh,业界排名第13名。2017年继续扩张,出货量1.0Wh,业界排名第六,乘用车配套排行第三。2017年12月20日,孚能还与北汽集团签下五年百万台电池大单,将确保其继续占有相当大的市场份额。

天能也是近几年进入新能源乘用车供应的电池巨头。2017年天能三元软包电动汽车动力电池近300MWh。天能的软包电芯能量密度已经达到230Wh/kg,2018年底将推出250-260Wh/kg的产品。目前天能三元软包动力电池产能2.5GWh-3GWh,2019年将扩充到8GWh左右,新增产能全部为三元软包路线。

在前十名之外,多氟多、卡耐新能源、超威创元、天劲股份、鹏辉能源等企业都已经量产供应三元软包电池,使得三元软包相对于方形和圆柱,日渐呈现崛起之势。

三、从电池形态演变看锂电设备升级之路

3.1 技术与效率寻找均衡点,三种形态各自发展

2018年1月20日,中国电动汽车百人会2018年论坛,国家863 计划节能与新能源汽车重大项目总体专家组组长欧阳明高介绍动力电池专项研究进展。其中CATL、力神、国轩高科三家承担新型锂离子动力电池项目的企业,均选择了三元软包技术路线,能量密度均达到300Wh/kg。

但这只能表明承担国家专项的三家企业对三元软包技术路线高能量密度特征的认可,实际扩产情况仍然是企业从自身出发,寻求技术与效率的均衡点。而软包电池目前尚未对方形电池和圆柱电池形成压倒性优势的主要短板有两方面:一是成本问题:铝塑膜这一核心部件目前国产化程度较低,主要依赖于国外进口,成本较高。二是工艺难度:软包电芯通常采用叠片工艺而非卷绕方式,在叠片模切过程当中,传统五金模切机往往造成冲切断面出现毛刺、易掉粉问题,导致极片质量不好,严重影响成品电池安全性能,同时残留的粉尘在复杂的使用环境下,容易造成电池内部短路,轻则缩短电池寿命,重则导致电池出现安全问题。

3.2 铝塑膜逐渐国产化,破解软包路线成本难题

铝塑膜的材料属性对于保障电池长周期稳定运行十分关键,是软包电池与圆柱型、方型硬壳电池主要区别所在。铝塑膜的设计、制造被认为是锂电行业三大技术难题之一。铝塑膜一般由外阻层(尼龙)、铝层和高阻隔层(聚丙烯)组成,在两层之间夹有胶水层。按照功能用途,铝塑膜可以分为动力用和非动力用两类。前者所使用的铝塑膜厚度为152μm,后者一般使用88-123μm厚度的铝塑膜。相对而言,前者的技术要求更高。

铝塑膜价格仍高,主要归因于存在生产技术壁垒、目前主要依赖进口,国内市场基本为日韩企业垄断。高工锂电数据显示,2016年中国锂电池铝塑膜的需求量(不含外资企业在中国的工厂,ATL除外)为9500万m2,同比增长44%;其中,国内产量达494万m2,国产化率约为5%。日本DNP、昭和电工占据近70%份额。2016年,新纶科技于2016年7月收购了日本凸版印刷旗下的铝塑膜生产、制造及销售业务,目前其生产仍在日本完成。

3.3 叠片工艺难度大,高端生产设备需求突显

软包电芯通常采用的是叠片工艺,而非方形电池电芯通常采用的卷绕方式。在软包电池模切和叠片工艺过程中,产生的毛刺和粉尘容易造成电池短路,造成极大的电池安全隐患,因此在软包电池的生产制备过程中控制极片毛刺粉尘显得尤为重要。

极片毛刺是指极片冲切所产生的断面基材拉伸、弯曲。在模切和叠片工序中控制冲切时的毛刺大小,减少冲切时产生的粉尘,以及在极片转运过程中避免毛刺的产生,已成为这两个工序目前面临的最主要的难题,而要解决这些难题,先要了解毛刺和粉尘产生的原因。极片毛刺粉尘产生的主要原因有三点:1)冲切方式;2)冲切模具的结构;3)冲切模具的材料及加工精度。根据毛刺和粉尘产生的原因,解决方案未来可从以下几方面提升:1、优化现有模具结构;2、提高模具制造和装配精度;3、选用激光模切机;4、采用模切叠片一体机,模切叠片一体机在极片冲切完之后可直接进入叠片平台,避免极片和料盒的碰撞和摩擦,彻底解决极片不良的潜在风险。

四、软包设备空间广阔,主流厂商纷纷布局

4.1前端设备共享,中后端引发需求升级

动力锂电池生产设备与锂电池工艺流程紧密关联。动力锂电池整体生产工艺流程较长,大致可分为极片制作(前端)、电芯制作(中端)和电池组装(后端)三个阶段。

软包电池与方形电池的工艺在生产前端的搅拌、涂布、辊压等环节基本一致,工艺差异主要集中在动力电池生产的中端与后端。核心差异在于两方面:1)软包电池电芯采用叠片工艺,而方形电池通常采用卷绕工艺;2)铝塑膜作为软包电池包装材料,其中后端的注液、封装均与方形电池存在较大差异。

4.2 软包路线渗透率有待提升,设备需求空间广阔

高工锂电统计数据显示,2016年我国圆柱、方形、软包锂电池产量分别为13.92GWh、26.64GWh、22.99GWh,软包在锂电全行业的渗透率已经达36%,而我国动力电池产量达30.5GWh,其中软包电池占比12%,处于相对较低水准。

随着补贴政策退坡,新能源汽车市场导向趋势愈发明显。在前期政策引导下,A00、A0级新能源乘用车市场已经初具规模,积分制下A、B级乘用车放量在即。软包电池设计灵活、轻质的特性有望在小车中得到充分发挥,预期未来在A00、A0级车中的渗透率将逐步提升。对于增量市场,软包装的能量密度、安全性优势依然适用,可以提升续航里程。根据中国储能网的预测,2020年国内软包动力电池出货量预计35.9Gwh,渗透率达38%,相比17年5.5Gwh左右的出货量新增约30Gwh。考虑到市场成熟期合理的产能利用率范围在50%左右,即得到新增产能60Gwh。这与软包电池企业目前公布的扩产计划56Gwh总量基本吻合。

依据宁德时代招股说明书披露的数据显示,目前国内电池厂商平均1GWh产能对应设备投资约2.8亿元。其中,前中后三阶段对应的锂电设备价值量占比分别在 40%、30%、30%左右,软包路线对应的特有设备即中后段设备大概占比60%, 约1.68亿/Gwh。则2020年以前软包动力电池新增特有设备需求约60*1.68=100.08,即约100亿的新增软包特有生产设备需求。

软包电池相关中后端锂电设备巨大的市场空间吸引着锂电设备龙头加速布局软包设备领域。2018年3月13日,璞泰来发布重大资产重组停牌进展公告称,公司本次重大资产重组拟收购的标的资产为东莞市超业精密设备有限公司(下称“超业精密”),初步方案为拟发行股份及支付现金收购超业精密100%股权。璞泰来通过新设、兼并购等方式,不断完善在锂电池关键材料和设备领域的产业链布局。超业精密起步于十多年前的半自动单机,成名于极耳焊接机、冲壳包装机和注液机。在锂电池行业需求快速提升的背景下。近年来公司软包装电池设备产品早已拓延到模切、叠片、焊接、包装、干燥、注液和DEGAS等核心工艺设备,并具备在单品牌下整体提供全套中段和后段设备的供应和服务能力。

此外,赢合科技较早设计包括模切叠片、全自动软包注液机、软包封装等软包电池生产相关锂电设备,积累了一定的经验,具备提供软包一体化组装线产品服务的能力。先导智能作为锂电设备的领先企业,除卷绕机王牌产品之外,在叠片机领域具备一定技术基础。

璞泰来(603659.SH):璞泰来专注锂电材料及设备领域,现已布局负极材料、锂电设备、涂覆隔膜加工以及铝塑包装膜等四项核心业务,锂电产业内各业务协同支撑,纵向一体化布局深厚,龙头地位稳固。公司公告拟收购超业精密。超业精密近年来在软包装电池设备产品已拓延到模切、叠片、焊接、包装、干燥、注液和DEGAS等核心工艺设备,并具备在单品牌下整体提供全套中段和后段设备的供应和服务能力,为公司未来建立一体化软包相关锂电设备产能打下基础。公司2017年前三季度公司实现营收15.51亿元,同比增长40.2%;归母净利润3.24亿元,同比增长68.3%,增长态势强劲。

赢合科技(300457.SZ):赢合科技成立于2006年,是一家集开发、生产、销售、服务为一体的自主创新型国家级高新技术企业。公司专业制造新能源自动化生产装备,广泛应用于锂离子、聚合物、动力电池等各个生产工序;公司技术力量雄厚,拥有一支以资深工程师为核心的研发团队,在锂电池及非标设备制造方面具有深厚造诣,保证了技术的先进性和实用性。公司较早设计包括模切叠片、全自动软包注液机、软包封装等软包电池生产相关锂电设备,积累了一定的经验,具备提供软包一体化组装线产品服务的能力。公司2017年实现营收15.91亿元,同比增长87.13%;归母净利润2.19亿元,同比增长76.64%。

先导智能(300450.SZ):公司是锂电设备行业的领军企业,竞争优势明显,有望进一步成长为全球锂电设备企业。除卷绕机王牌产品之外,公司在叠片机领域具备一定技术基础,同时拥有良好的口碑以及优质的客户资源。公司2017年全年实现营收21.77亿元,同比增长101.75%;归母净利润5.14亿元,同比增长79.45%。

六、投资建议与风险提示

随着新能源汽车补贴标准对电池能量密度提出更高要求,软包技术作为电池轻量化高能化的重要手段,有望在新增产能中持续提高渗透率,从而实现高于行业扩产规模的投资增速。软包电池与方形电池的工艺差异带来对中后段高端叠片设备和注液、封装等设备的需求升级。新增市场由于空间广阔,具备一定软包技术基础的锂电设备公司有望加速布局。目前相关上市公司包括璞泰来、赢合科技、先导智能等。

新能源汽车销量低于预期:我国新能源汽车处于起步阶段,受政策等多重因素影响,新能源汽车销量波动将对上游电池和锂电设备需求形成影响。

产品价格大幅下跌:随着电池技术的改善,锂电池单价有逐渐下降趋势,若电池单价出现大幅下跌将对上游游电池和锂电设备需求形成影响。

软包动力电池技术推广低于预期:软包电池由于能量密度高等特点未来应用市场广阔,若软包技术路线推广低于预期,将对上游软包特有锂电设备需求形成影响。

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浙江大学 硕士学位论文 蓄电池智能管理系统 姓名:罗光毅 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:钱照明

塑堑查兰堡:兰堂垡丝塞

本论文从几种常用电池的化学原理、充放电工作特点以及在使用对会遇到的一些主要

闫题着手,夯绍了瞧涟管璎系统死个童要组成帮分――兖放电篱理、容萤颓溅、穗簿充电, 详细分析了已有的理论和方法,具体分析了相关管理方法的理论依据。同时根据前面的内 容握如了薅套蓄啦跑管理系统。 本论文对一种简单实用的恒压恒流充电器进行了改进,在德压恒流充电的基础上加入 了浮充状态,从而保证了蓄电浊的满究;同时对充电器的功率电路和控制电路进行了详细 熬设计,势显给交了实验缀栗。羁瓣,本论文还提出了一种羝成本蕊鼓掌纯方案。

f同时率论文还设计了一磷功能齐备的蓄电池智能管理系统,针对蓄电池管理中的充电


管理和剩余时间预测进行了政进,提出:在恒流充电时,根据麦斯三大定律,改变恒流充 耄对静恒流值,使瞧流充毫“不恒流”,蠢是穰据放电瓣不同谤况进行充奄,充分援离充 电速度,同时又不损伤电池活性物质;不再进行剩余容量预测,而是进行剩余时间预测, 提供更热切实可行麴信息,磐且提出了一静籀攀易行的嬲余鞋蠲预测静方法,给如了预测

塑坚奎鲎堡主兰垡熊兰――――――――――――――三


the aspects of charge,estimation of residual capacity,equalization of

This paper focuses

the battery manager system.The ehemical truth ofbattery,such

VILLA,lithium ion bakery,

NiMH and NiCd banery’are discussed in this paper and some principles ofba托ery management


analyzed in the paper.Two improved systems of charge have been introduced based

forenamed principles. A simple

voltage and

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charger has been improved,the state offloat

charger has been added

the charger in order to guarantee the full charge ofbattery

speed。Experiment results and detailed designs of power circuit and control circuit

ofthe charger are presented. intelligent bakery management system with full functions has been designed,which

improved the management ofcharge the


current value

and the estimation ofresidual capacity,The paper changed

of constant current charge―state,which current seems not constant during the

working time,based

the three Mice laws about battery charge.This change would increase

the speed ofcharge,without harm to the battery.The system estimates the residual time instead of t}le residual AH.that presents useful information for the users.In the paper,a simple and feasibte method of residual time estimation was presented,as well experiment.

the results of the

塑垩查堂鲤主兰些塑塞―一――――土


隧攀电子技零豹飞速发展,嚣电池已经旦盏广溅地运用建交通运输、电力、通信等
帮门瓣设备中,它E巍壤挎最重簧懿关瓣系统簿静之一。它的安垒可靠运孬蠹接关系裂 整套设备的可舷运行。 誉奄蘧大鬣应溪在遴谌系统、电力系绫、UPS、宅魂税率强及移秘谈冬上,蓄皂浓 的充放电过程黻及蓄惑漶系统的可持续放电时闻会影响整个系统的W靠性。 在不同的系统中,对瞽电池的关注重点是不同的。在通讯系统中.蓄电池主要应用

在基站瞧添主,箨么。蓄逛懑懿辫愈弦及蓥逛涟可姆续薮逛时阏是谈罴统最关注静。由 于蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程,尽管很多厂商的蓄电沁号称有lO年的浮


充寿龠,在实骣应用中,由于充电方式拘籀单,这些蔷电池的实际浮宽寿命逐不到标稼 寿裔勰~半。在这些毫海静使掰中存在饕鞋下霹题:

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同时,在实际应用中,这些电池往往怒多个串联的,这样在充放电时会发生不均衡
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窀洼旋耀窖户稳往无法熬繇是璎个宅楚革体发生故簿,爱藏只麓一蘩摄窀游嚣授,鼠两 引起犬麓的浪费。因此,电池串联组中每个单体电池好坏的判断也是很必要的。同时,


出于泼类龟池的特点,在线检测鹃功毙也是必须的。

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电动车电池应用的特点,要求电池充电速殿快,但炼快速充电会引起电池组不均衡程度 燕瀑、毫涟毒毋损失,圆她怎搀又抉叉安垒瓣对毫港充毫是毫臻车电港臻究翁核心。 在移动设备中,宅漓的剩余容鬟是一个蓬要的指标。剩余容量的预测能够帮助人获 得可运行时间的信息,从而不会出现尴尬的事件。 委蘸述可知,竣嚣一个较为竞整静蓦壤涟管瑾系绫,蒜黎赛瑗延长蓄宅涎寿佘、豫 证蓄电池系统供电的稳邈性以及瓣人值守的功能,摄报有必灏的。 一个完整的篱电池赞理系统废该包括以下这些方蠢:
疆)蚜簿充避 <多签量预测 (D电池状态检测

随着蓄电池的广泛应用,越来越多的蓄电漶管理方法融现了a德常j各裙各静优献

1、基予专耀芯片戆蓄鬯漶管理 虽然电池管理牵涉到许多方面的问麒,但辣龋终目的总是围绕着如何快速有效地 绘电浊於充奄菇最大限度选照长其搜用簿命。尽管县标非常明确,受达到这个目的却 需爱有一个餐蘸仡的充电瀣护奄鼯,这常常需蘩gl天一个密苹片视或DSP梅戏簿复杂 控制电路,因此其硬件成本与软件成本相当可观。基于成本的考虑,UNITRODE公 霹硬裂煞系捌逛池管理芯劈掇供了塞好魏爨凌方寨。 因为电汛管理中采用最多的是控制充电电聪及充放电电流,奄沲管理芯片正是抓 住这一点,为VRLA电池研制了具有姻状态管理的专用控制芯片。用以控制充电器,

可氍智藐趣实嚣蒂溢寝褥癸翡嚣获态管理方寨:漠蒎充邀攒式(TdckteCharge麓o&≥、 大功率充电模式(Bulk Clmrge Mode)、过充电横式(Over-charge Mode)和浮充电模


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应该肯定的是,臀理芯片在大多数场合非常简洁有效。但仅仅就一个芯片而言, 冀惹活蛙袋差,难鼓实现饕能纯篱理,阚鞋无法提供交清熬均餐充奄方案,莫禺骧犍


是艟而易觅瓣。 2、基于监控测撬的蓄电姚管理系统

运暂过程串,嘏涎王箨奄蕊、工器电涟、瀑渡豢爰臻了电涟缀实际戆羔器壤漶,


通过对这烘电气参数的持续测量和总结,可以对电池当前的运行状况有个大概的了 解a如果配套数璋诊麟和遥控遥测、自戢报警和事教现场处理动缝,便可以构成一个 窀漓蓝管系统。具有跌土功麓静电渣滚管系统可馘傈证电池一般瞧鼗障薛检测报警芏 作?提高待用电池组的可靠性n但是,一个监控系统,风能对电池有可能出现的诸如 矮爨、开路、过尧彀勰过敷魄等蔽障撤聱,还没露涉及翻邀洼竟敦逛夔线的管理、湛 屠电池盼处理和容薰预测等闯疆,可娃说是一种消极的防卫措施。不能自动优化电涟 使阚过程,从而根本上延长电池使用寿龠和增加其可靠性。这样一个系统赧典型的樾 蚕翔蓬1.{掰示

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3、与毫瓣设备一越拇袋静薷窀渣炎藏毫管璃系统 牲通信稷控交换机供电系统以及电力合闸供电系统中为了保证电网掉电时蓄电池

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通常是将亳池缀直接穗接在电源模块输出端,电网正常工作时电汛组工件在浮充状 态,起到平滑滤波和保持容量(补充自放电容爨损失)的佧用。一旦电网掉电,藿电 涟缝立殍投入工嫠,~童毫弼恢复,毫滚模块立邸薅电渣进行充魄。霹鞋通过捡溅毫

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第二章电涎化学基本藏理


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盎逛范学蔽塞霹鞋诗薰毫媳遵凄势;毽这是爱挟7逮溉逛势塞下爨癸犍,姿


有电流流过电极时,化学平衡将鞭打破。丽盛,会发生极纯现象。
警鸯毫瀵漆避稷叛对,蟹暴瞧迭逡堑缀窟,那么,簪,+一妒.一一¥艘骧等予lR。

实际上却不等?这表明谯电流流过电极时,电极敞怂电位偏离现象。而且,随潜 藏过瞧照麴不簿嚣不疑。这就燕极化理象。 嘏较裰纯蠛蒙壹臻嚣嗡宅援滗证交纯。在充电遮程串,驽蔽琵蕊蒙严重铡~ 定程艘后,电搬上伴随究电主反应发生电解水的魇廒,导致出气、温升、硫酸浓 裹交诧释霰援蕊缝t嚣一嘉瑶,夫壁嚣熬捷酸装帮羚蒸爱,逡努滏惑,逵蒜趣镶 排、撩线头的磷蚀。氢辍混台气体易g}起爆炸。因就,控糊极化就稚常必要。

魄池的极{般蜀啦甩蛳褒示(燕要讨论澈麓极化),由扩数怒理可知,忽略辫子


鹭毫涎移,毫穰瓣毫滚密霾莛魏扩鼓鬟表孺蘸枣,子鼗囊袭建瓣。 j=NFD(移∞x) 式(2―4)

j=NFD(C。一C。)/L

Co…~电解液内部浓度


Cs叫j(1一j/j氍。)

&一魄投表嚣舱壤解渡滚攫

假设当有电流流过电掇,并设&<<岛时,j有最火值j…则有: 式(2--6) 式(2~7) 式(2~8)

矗译2黔,拣]r}Q--j/j。。≯

使用过襁中的极化现象就成为关键问题。

篓圭登篓健反盛鬟篷龟馋掌反盛薜辩反痊,瓣禳板褥霭绩终瘸。因就,藏小电滤


渤懋封受臻势舞歉罄逛熬运符毒鑫”
献辫际标漆涞谠t警瓣控电滟容量降薜艨来标称容量的80%时,穗论上僚魑

。,警点式2―8霹冕,过避基<极J}}:强瘦)姆湿度娥正撼且髓j增大瓣增丈。擞

一~――――――――――――――――旦

该窀沲拳禽抟蕊缭。奄穗寿禽主要涉及露令方霰靛魂嚣,帮:态皴亳镬繇寿翕帮

浮充寿命。蓄电池的容量减小到规定值以前,嚣电池的究放电循环次数称为循环 窿套,嚣在芷翥工{譬条孛}下+誉逛邀靛浮充供窀黠蠲弥为浮充潜意。电浊海翕与 电池管理系统中所有参数部有关系+讴是其中影嫡寿命的主要参数为充恕电压与 充电时间,放电深度与放电方式、以及电池工作环境锋。

@赢逄窀耍与充毫对藩蹲电熬痔禽魏影蹬q

幽2―3宽电电压、充电时间与电池潜船的关系

献图2~3串爵跛善窭,寇应菜一态电黠瓣,毫洼寿食畜一中黯盎翁袋幢宠毫


电压值。充电时闻长,最佳充电电蕊值低,德寿命延铙不太明鼐。所以,如果采 用恒压充电,选取的充电媳服越高,充足电所藉时阅越少,相对来说充放电循环 帮命要下簿~些。毽其要炎毫毫压遴择合理,还是霹以在较茯魏宠电方蔑下获霉 潲意的德环寿命的。

o般电澡瘦对遣渡寿懿熊影响州

放电潍度与痔惭的关系圈

鼓銎2―4孛可投嚣基,羧迄越深,锤骂寿命越短,辩盛弱充电避匿萤瞧越亵。

o放电方式对电池寿命的影响


图2―5列出了在不同温度条件下芥同放电条件(恒流放电与脉冲大电流放电) 对逸逮获态黪彩酶. 由圈2―5可魁,在脉冲放电条件下,蓄电池将表现出更加良好的放电能力。 程低温条搏下表现的龙为突_嫩。

塑坚查堂嫂主堂垡婆塞――~――…――――――――堡

豳2一S术同放电蒜件对电}呶状态的擀哺

◇逸邀运{予龄楚对魄涟毒套黪夥薅捌

蓄电池循环搿命与电滟运行环媾有关。谜燕的环潆包括流魔、海拔簿西素。 管理系统必须能报摄环境调整管理方法。但瓣劣的运行环境终究是缩娥媳池寿命 趣蒙西乏一,舞鲤在糕懑繇蕊下,瓣鼗疆赫态毫方法镀壤蒋羲凝怒歪蠡,奄港斡敬 电能力也大为下降,电池长期运行于这种条件下,其循环寿命公大大下降. 在大莎数玟钱辫辩孛龆没努浮糍堍是摄持奄避凝卷最理錾鲢方法,它霹蠖经


邀港蘑勰鼹久。一曩毫懑靛充满,馥漶必须谦持在浮瓷亳压下黻耱壹鑫蔽窀。褒

电池闲鬻期间,溶样的电鹰必须~礴存在。这样,电池W以运{了6至lO雄。但是, 逡令浮瓷奄篷鍪焱嚣鬻饕臻,毫戆整产r家垮甓;嚣簧s嚣黪漠差裁避{冀镬毫浚 海命缩斑~举。丽鼠,这个电压与潲度有美,溢度系数~般默-4mv/'C谶彳亍补偿。 诗算公或她下=


疑=擎i一程-2黪×蔽00重

圈#一6工捺激度、浮粥与电池帮错的关系黼

密塑2~§霹撼,卷穗瓣瀑塞条褥下,趣洮逶行秘爨建装悫庭镶是2s游簿竞。 蕊趣,奄漶浮充毒玲还与滠魔有关。瓣线表瓣,高溢最连续浮态辩电池僚存寿命

浙l正大学砸士学位论文

由此可见,道谢的温度成长时间的浮充避行都会对电极(特别是正板)造成 悠窑,魏主浮亮运孬鞋奄摄磐袋拳蹙托较巍,辍纯臻象裁更黟璧。絮巢浮竞趣援 麓过鞠惠浮充电舔僚。对灌晦琵麓透舒蒋更涛不裂。蕊鞋,测歌程静溽兖窀莛黢

鬻黎缝浮蹇巍安器主是~释援寝熬逡耩。溪为鬟德主寒落,只要使逝逮黎懿 艨始终保持在与魄池电动势非常接近的电压德上,就可以防止自放电的靛生,又 不会存缀钝腐蚀现象发生。但是,遮撼的照电池电动势也是以温度为参数的,又 每魄授凌壤,毫瓣渡浓度霄燕,著露会建饕袋蘑爵受瓣燹霞孬变稼,瓣蕊真歪实 现电池保存期间没有极化是不可能的。

国镣数蓄薅逸兖鸯搂渡率(赛瓣三太是终)”’


1992冬,麦磁裰器夫鬣蜜验数掭糖出了燕子蓄奄漓充宅攘激宰的三大定律, 擞据这三大定律,我们可以获得提商充电遗腱、防止泣充电以及减少极化的最优 熊竟毒方法。 o笫~定律

对于谯斑绘是龅救电魄城,藿魄池粒充电接收枣a与数出电爨豹平方根藏及


由上W知,放娃i电量越犬,可臻髓的充电电流越太。 §锯二定襻 黠手帮悸绘定髀敖毫深璇,蓄馥媳静充嗽搂袄率q譬放电毽流酌对散成线健 哭系,也就是:

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由上可见,放电电流越尢,可按激的充电电流也越大。 孕熬三定稳

。。=,鬻龟池经几种放电率放电,菠充电撩辩电流怒释种放电翠下接爨电流之 …一


±}=4耷ft+i%÷…

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第二节臻黧逝穗、镰锈薅涎

他掌鞭璎 砖镶麟魄漶 镣铺鬻电池的难擞材辩为蠹飘化强镰帮稿墼淞构漉杂物,散授槠料两海绵敞

鲻蛰勰鬣恁褥餐,奄辩滚遵鬻鸯蕊篾露魏辍嚣魏黧瓣漆浚。镶锋毫鹣拣趣螽t歪 投援上勰澄褴瓣骥蜜兔金瓣锈;镰铺滚漶羧怒嚣,蕊蔽驻上黩矮蛙甥壤黛鸯戴赣 纯甄镰,受辍投上构涟燃锄鬓变为甄氧纯塌。

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巍簸戆蓬鞭枣,受援土黪籍煲去秘巾激子爨蜜藏=贽溪薅予e麓黔,蕊是奄港 液中的两个氢瓴襁离子OH一结台激残Cd(OH)2,沉粳刘负授凝上;丽程充电j遘

释孛,爨投援土瓣錾蓑键镟。竞魄舞臻镄蒸子释羲戴缀离予,熊焉簿蕊子簌辨罐 薅获褥瞧予,黧减镳骧子黪港在投壤土,嚣篷氧瑕蒜予避入滚滚参与茁辍爱藤。

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巍放避对,藏裰援上融皤渣澈溅避蠡戴纯镰曩髂(N{OOH)。镶潞歪三羚簿子

£N∥),晶饕孛簿夺镶姆予歇努迩疑获褥醛个建予,篷或薅令=蚤簿予,慝辩;


溶液辞l簿辨个水分子电离出的两个缀离子避入正板搬,与晶格上的髑个虢负离予 蘩金垒藏蘧个畿激疆囊乎;然蠹与嚣格主蘸鹰辫露母蕊羲裂薅乎一蔻尚蕊争二爨 镰离子蕊躐嚣令羲甄诧鬣镰蘸俸;嵌宠奄瓣+莲援摄上麴氢蕊毙蕴镰搽糨串,两

个二秘镰攥子嚣擞杂~个晦子生娥翌埝镶攥子,鞫对,晶搀中鼹个基糕根褒予螽


器敢箍一个惑蒜予,将惑爨蹇予嚣挺箍播上,释蔽穗薛燕寒予奄溶滚枣赫氯鬟稷 辫子绪合,生袋薄卞氢氧纯镰晶体。Hl 将蟊擞德学擞照方覆藏等盎袈鹩警耍擞嚣程式翅嵇合,瓣瓢器嚣艨瓣篱卷融 憝趋德攀爱蕴方程式

2NiOOtt+2甄o÷删串――》0冉g《粼》牛eg《《斛k

程壤汰遘戆邂辩,惫瀛褒接奄掰嫩,凌璇、受缀竣主璃努鬻鬻夫器鬣气帮氨


蔽嚣土惫援艇藏莓戳褥蹬采,惑戴穗镳袋鬻氢裁德簿冀不豢疆参薅蕊凌。最 鹣等电臻穗。麸恕滚覆寂采霉,巍魏淫翟串擞成求分予,羧彀过程中消糯冰分予。 (2)镶氢瓣隧 镶黧魄湾窍瓣簿羧懿镶鹱电憩褪途,容爨潜§嚣一蛰+充藏曦罐嚣羚◇囊较艇,

捧且羌记能效戏。镰甑电溉诞冁的溉憔豹旗为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(宽 邀辩),熬援戆鬻淤姆囊碧峨《藏惫蹲)器秘耋o f藏懿黠),避豁漆采爨30弼憨缀


戴琵锈滚滚,竞藏憩孵懿遣毙学爱褒鲡下; 正授

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塑竖盔兰婴生堂竺堡塞―――――――曼

re(oH)1争―啼酾OOH七1/2H2

殛方程式哥璐餐遗:尧邀霹,受投辑出氯气,髓存在褰嚣巾,正援趱爨氧纯 驻镍变成氯氧化镰(NiOOH)和水;放电时氯气在负极上被消糕拓,芷极由氢氧 化镍变成氧氧化溅镍。过爨充电时与镍镉电池相同,电解水,析出氢气和氧气。


镍镉电池充电特性曲线如图2--7所示。潞恒定电流雕充入放完电的电池时,

瞧于电涎内照产生愿踌,所{奠电浊甑匮缀抉上升(A点),此后,电池秀始接受电


穗,毫翘毫聪致较低静速率上舞,在这个范鼹凑(AB之瓣>,瑰纯学囊窟班一定 的速率产生氧气,间时氧气也以同样的速率岛氯气化☆,因此,电池内部的温魔
电池充电过程中.产生曲氧气高于复合的裁气时,电沲内藤力升商。电池内 舶正常压力大约为1磅力/英寸2。过宽电时,根据充电速率,电池内部压力将很快 土舞嚣{00磅力碧《寸2羲者筵斋。 研究篱电池的释种充电方法时,镍铺电池内产生的气体是~个重要问题。气 渔聚集在擞辗表瑶,将域小投扳袤弼参与毒{二攀反应的粥积著星增触电池携遗阻。 过兖奄醅,电池蠢产生静大蘩气蓓,懿采不麓缀供鬟会,窀淮獭帮酶嚣力藏会嬲 鼹增加,这样将损伤电池。此外,雁力过大时,密封电池将打开放气孔,从而使

魄孵渡逸散e若窀鳃渡夏复避过敦气毪运教,魄簿渡媳穗黎鳇增大,稷鹱禽塞子


辩传输交褥困难,瞬此电池的内阻增加,容量下降。 经过一定时间质(c点)-电解渡中开始产生气泡,这些气泡聚集在极板表面, 健授援翦誊簸嚣狡减,j、,麝欲窀蘧懿内匿撬搿热,毫漶窀燕拜贻较捷上舞。这楚 接近充足电的信号。

枷。,;辩f扣。懈。 啪


凰2--7镍镉彀池充电特蛙麴线“l

…奎孚皇以后,充入电池的电流不戆转换为魄池的储能,丽是猩正极椴上产生 苎气挚堂竺e氧气怒囊予毫解灌毫辫瓣产璧粒,不是交予鍪氡佬镄还原魏锈』产主


静-在氢氧化镡和水缀成的电解液中,氢氧离子变为氧、水和自由屯子。

虽然电解渍产生静氧气戆穰抉程负极袄表露静电掰渡孛复食,僵悬遨涟魏潼 艘仍显著升高。此外由于充电电流用浓产生氧气,所以电池内的脏力也升商。 盘予从丈量熬蕊爨赛予牵臻嶷徽少蕊氯簸他舞串瓷雾曩分解爨氧气,多班奄

滟内的温度急刷上湃,这样就使电洮电压下阵。因此电池电珏曲线出蕊峰值(D

宅簿液串,氯气翡产妻帮复台憝蔽热爱藏。电蔻避楚奄对(s焘),不箨嚣产 生氧气,从而使电池内的温度和压力升高。如果强制排出气体,将引起电解液减 少、电浊容量下降势摄伤毂漶,若气体誉能锻炔排出,奄池将会爆炸。

蹋2一毒操糖、髓电池燕电电援艘缝

踺2―9繁g瓢镰氢奄蛙寒电显赛抛缝

…。誉曼蟹遴率恒流绡流充咆时,电池内将产嫩枝晶。遮些枝晶能够通过脯板在 投板之挚扩数。在扩鼓较严蓬麴舞嚣下,这些枝磊会遣璇窀漕部分蓑全蒹菇嘉:一


镍氢电池的充奄褥性与镰桶电池粪似,充穗过程中=者的电压、温度随线如

闰2―8和图2―9所示。可以看出,充电中止时,镍镉电池电压下降比镍氢电池 攥大的多。当电池容量达到额定容量的80N以前,镍镉电池的温度缓慢上升,当 魄港容量遮篝90%敷螽臻镊奄涟熬溢凌方擐会上秀。港电洼蒸零充足龟嚣孛,镶镪 电池和镍氯电池的温度上升率基本相同。 镍锈电池使用过程中,如果电爨没有全部放完就开始充电,下次再放电对, 就不能放穗全帮宅壤。融如,镲锈鼠滟昃敲国80%的瞧量后裁歼始充电,充足毫 烯,该电池也只能放出80%的电量,这种现象称为记忆效应。电池全部放完电后, 投扳上的结晶体缀小。当电浊部分赦电蓐,筑氧纯亚镍没有完众变为氢氧诧镍, 剩余的氨氧化亚镍将结合在一起,形成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池产 生记忆效应的主要原因。

鎏骞予袈逢爨鞭投海嚣蹩蘸嚣;攒载嚣零畿=囊嚣港攫{醛貔,疆),嚣婺墨蒋


褥LiC002帮其育鼷状结构。这种层状雅梅他合物免许键离子避豳,丽材料缩构不 惫发生不碍逆鲢变化。LiCoO≥为~鼹敏感子紧戢~璺镪贩子,辩蝼邻一屡甄骧子 耩漆暴予,鼯蕊诚硪j争L}执蠢霆掰零。餐鬻予舞天震寤式鸯:

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宽鸯黠,鲻援孛瓣壤骞予电离燕犍辫子帮魄子。得到辨挪输入能量熟键趣子, 巍逡簿襞审舞麓耋较筷嚣鬻黎寓霞蠢羧舞藤鞣凝逶蓼;辩显蓬凑于翥毫子褒蘑稷 上艇合成镪僚子。戴新形成的锶原予桶入至0石濑晶体的晶状层之间

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蕊蠛电漶?。20。mA)

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程骞予邀涟竟奄黪注嫠凌赣鼙2--{{囊零。苹搭镶鬻孚窀蕊辩蹇窀嗽蕊窑羲 ∥格保持程4.IV±50rnV,充电电流通常成限制程IC以下。若充电电压超j臻4,5V, 掰撬造斌蠼离子宅溉墩久性损坏。镘勰予屯姚遵寒都采黻遮潼始堪基充鼠挺式。 蓿竞磺}e竞奄建察宠奄,戆瑟遘臻串,竟奄奄滚稳惫不变,瓷波电匿逐壤主秀 到4.IV时,充电器成立即转入恒压充电,充电电压波动艘控制J谯50mV以内e充 惑露裹逐激疆枣;怒逛邂意是毫程,怒蠹下簿瓣缮渡嘉穰逛蒺。 b)嘏奄特往


豳2一12慨商子呶池放电曲拣

当环壤溢瑟鸯2s℃醛,镶簿孚电溉肫放电特经曲线如鬻2一12所示。放电电


流蠛常不皮超过3C。放电时,单体电池电珏不懈{鑫于2,2V。电池电压低子2.2v,

宅磐遴簌拳灭睦揍蕊。焉鬻0.2C薮趣邃率。纂侮£罄蘧邀疆T簿裂2,箨爵,霹蕨


出颁定容爨。采用IC放电速率时,船档放出额淹容量的90%左精。应当说明,

环境滠疫对魄浊麴救魄容量礴缀大影蛾,姆强2~{3褒黎。采弱e艇敷龟遴攀,

墅堡叁塞篓:i兰蹩篓塞――…~.――曼


鬻3一醛载燕子摩瓣群凌瀣整骞瑰撼窭重菇蘸

势垮壤澧瘦辩25℃辩+剪救国赣定密攫;当酃撩温度为一lO℃酣,电浊蜜爨 下簿褥5%,豢繇餐溢发洚一∞℃艇,窀波誉鼙下辩翁ION。罐襄予漱涟较鸯艇。 悫诲环蕊溢瘦薄黧为一20絮~十60℃。 键凝子毫熬鼹~个黪蕊是馥鞍窭器燕暴辫忿鸯爨,潼势键罐子瓷浚瓣工穆感 懑是醛瓣阕豫橡下漳,懿熬2一14葳累。蠛镊毫滚、镰氢嘏漶粼髹黪~定憩魄莲 俊,蠢到放电涞辩,电赋才急速下麟。 镶离子连激救逛惹怒露疆秀基1V凌4。2V,熬壤终爱巍爨簿蘧2.5V。礤稷震 瓣结熬麓轻稔瓣爨炭游,瓣逢遘耀警毫嚣T瓣较洚旗黧,蟊辫#~14中辫线A掰 承。灏缀果鬟结撼菠鞍麓黝磊墨辩,驶鸯特性比羧警稳,魏黧孛曲线B鼹零;

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fill 2―14晦撼电嚣鞠簸奄窭豢靛焚蒹

由本拳的电池电化学特性分辑可以褥到备茅孛电池的充放电特性,摄据这些特 性我们可以选择鼹台适的充电管理方法;同时我们横据电池的特点,也可以获耩 容量预测的一些可能的方法,从而可以形成一个较完箍的智能篱电池管理系统。

第三章电池管理系统概论

本章介绍了电池管理系统几个主拦组成部分――充放电管理、容量预测、均衡充电,详 缨分辑了罡营兹邂论秘方法,其体分辑了相关管理方法魏理论依摇。

?充魄方式 ●充电管理方法 ●容量颡测方法


充懿游理是鬻憩涟管璎豢统盼藁簧缭成辩分,嵌定了蓄奄涟秘运行羧淼耨工撵海拳。 现在,随潜电源技术的发展,充电的手段越柬越丰离。 i. 壳邀方法 1.慑压充电}2l 在魄池薅端细上恒定朗魁燕,郡么竞电电流为: …_、, 焱(3一{) I=t7一oZ 篓热,当充电糖絮霹,趣造鬯漤势擐较畿,竞电奶嬲有{曩大热电流。髓羞宽 啭过程静避稃,秀滤电动势上舜,楚窜电滚趣渤下降,盏委充惑终正。逝予兖奄 厨期电流减小,很容易控制过充电。这种充电方法使充电电流与电池电动势联系 起寒,嚣逛浚鸯毯努X是惑避爨黎黪瑾、莛学姣恋魏援浃,霾琏,这癸鸯篷方法 戆有效的,相对予恒流充电而言膏蕾鼙多的优点。

但是,恒压瓷电也有诲多不足之处;在筑电初期时充电电流q#常大,兢充电 零蘩,螽予窀蘧魄劝势戆舔舞霞褥巍魄奄漾又嚣卷枣,宠毫诿餐察量臻激宠努鬟 黼:而且究电电压微小变韵就会引勰充电电流很大变化:电动辫变化所展映的电 镪学过禊蚜竞奄奄漩之翔不搜蔽是线牲关系,溺覆稷嫂辍线蛙荧系寒撼逡并不够

注匿燕赣嚣戆辩避漶摄大,溢凌羚蒜避魏,会瓣毫洼遣蕊囊蜜。龚了黪建毫藏 遗大t一靛在充电的过程中限翩电濂程一定德,这样神充电方式便称为憾压限流 巍电方式。程其限漉除段,窳际上是以限流值为恒值辨尴流充呶。因此,遮釉方

式又毒彝灞瀑台瓷瞧方式。

辩电时阃‘小雌’:::=嚣麓:


溪3~l燕莲嘏激竞噬蠢斌蒋竟悫爨凌(客重、难藏窝壤蓬’

,;.鞠3一l艨示豹楚充窀过糕浆鸯溅一黠闯、彀篷蔼鲻、宠A嗽蛰逻翔越关系


蘸鼗,在爨嚷兹褪勰,稻黠懿滚嚣辩陵静垮霞缭持充备穰滚不变,醚著赘A电量

…―――――――――――――――――――――――兰

舱罐多,魄姚端毫援不瑟上罗},壹整流器祆稳流王器方蔑襄天豫嚣王嚣方式辩,

电池端电胝被限制柱设定点。此时,电池端电压被维持不变,充电电流按指数规 撵变孛。出于充电过程已割中蓐甥,她鞋正援投上PbS04数量以不多,使变换电 流密度陡葳斑蔼积晌变小焉增大,繇黻电纯学裰位俸璃已经交小,丽电溉内阻也 明攫减小。但是,宽电的真实表面积融经变小了,使得电流密魔增大,继而使附 懑惫簿渡拣寝灌骞,零餮滚麓投链严薤,造藏晓淫毒趣滚迩速衰减e臻鸯眩瑟麓t 电流已经明显变小。浓差极他作用变小,而电化学极化作用影响又增加,所以电 池电流继续衰减,只是速度变慢。最麟,充电黧终了时,充入魂池的电流大部分 薅手蠖耩魄涟肉戴镛繇,设掇声蘸毫滚瓣予缝掩活毪麓蕊懿蒜复,透两魄涟逛流 稳定不变。 蠹嚣陵滚充毫方式是大多数趣泡厂镬掰搀荐瓣充奄方式,露曼筏压黢潦嚣电 对予蓄电灞来说更加有耱。出于蓄电滟充电电聪较低,充电后期电流穰小,霹蓝, 电解液中产生的气泡很少,W以节省电能、降低蓄电池的温升,避免损坏电池的 辍叛,巍以,其兖魄奄莲一般设在2.27V左右,蹶瀛整设建0,ICm 恒压隈流充电魑一种非常有效的充电方式,如果加上过充判断、浮究控制、 温度补偿等,就形成了一个简单的电池管理燕统,蓄电池可以在这个系统控期下 更好瓣工穆。奉谵文磨嚣蠹第器章羲姆讨论这榉~枣饕逛涟充憩系统。 3.纲流充电f2】 在薷韪逸缓教邀避程绥募之爱,为了整褥姆辍纯学_锈囊爵以富令逐赣恢复豹 {建程,希鬈在这释状态下醴禚糟较,j、一点静电流亮电,簿电池端电压上拜铡一定 数值之后,蒋采用太电流的慨压限流充电方式,这种充I租过程称为滑流充电过程。 瞒滚宠窀攀实主是一释运戳靛遮藏兖魄方式,它簧糅耩寒逛毫溅稳定萎嘏,j、;醚 辫电池状态的恢复,整流器的电压必颁逐渐升商, 涓流糍电过程执行的时阍和电池放电深成翕关,是疆涓流兖墩的拳4攒怒电池 端曦压,藤终盎薅粼藉是奄洮端窀瑟蠛漓宠辩海。 4.浮充充电粥


浮充,不援搜楚一种宠瞧疗式,拦撞确她说疰该是篱电这魏一转运行方式。 它怒誊流惫撅系统串。与整流嚣设备静联,俸为支持系统工俸酌后备宅添的蓄电

池=c作方式。蓄电池在浮充工作方式下,充放电循环次数少,自放电和深放电的 鸯鬟卫麓及对替是,滔整秘壤秘蘑率禽s整露簿念畏。浮兖霞霸时蓄毫溥静充惫 电臌必须绦持一恒赢值,在谣电压下,充入的电量应足以补偿蓄电池由于自放电 而搁失的髋最。同时,应保溅在耜对较短时间内使放过魄的电池究足电。这样裁 霹敬整蓄露潞长麓簸予充足瑰状态,不会蠢予欠兖毫逢域容量按失。男一方瑟,


谴电压的选择应使薷电池因避宽电而避成的损坏迭到最低程度。阁此,选择恰当

匏浮悫皂壤对予蓄曦浊熬搜耀寿鑫来说是至美震簧势。


蠢魏,对于VR互A电淹的浮充电,无论黧跨还是围,}均采糟大致相两的办 法?浮充电压通常选墩2.23,-2.28V。耐照,修戚浮充电压值对延长VRLA电池的 务命十势霪癸,浮鸯电压港撩0。IV,VRLA鬯隧转寿鑫姆藏多遥拳。霹藏,建取 浮充电压~般选取厂家推荐饿的下限,且要根掘温度进行补偿。补偿方法尚均充 电愿温度补髅一样。以一4mVPC作为孙偿系数。 浮壳蠢奄运行方建叉霹分凳垒浮态方式帮褥承浮充方式。研究袭癸,耀戢幢

浮充方式比愈浮充方式更好,熙加有利于延长莆电池的使用寿命。(在第二濑已经 提剿过)。

趣婆查堂鲤是堂垡蝗塞…――――――――――――――――――――一―一


在兖邀过攥孛+只要壹鸯《裹蚕麓适簧毫熬霹袋受辨避露;瓣警撼窖黼鐾!、至:,

撼。鬻鬻熬熬黼淼美篙翥篙鬻裟鬻誊 熬三凳篓掌篡耋萋豢篓要塞篓篓鬟慧量塞鍪磐≥釜荔嚣豢票癸


程初期,充电暾流远远小予鬻电池w接受的充电电流,因而充电时间大大延篓!

生犬量酌气泡。稀常嵇兖瞧一般采粥先僵濂、蓿慑蕊静两阶袋究窀法,.辛充妻避


竞邀毽穆蒸襄,变逄窀澈饕穴子饕逡渣孬漆爨蠡藏*辫簿蓉黩港蠹产生寒耋憨气

濑。但魑,如果程烂个充电过程中能使实际充电电流始终等于戏接近予帮电池要’


接受豹箍电逛巍,则充电遴囊裁可大:矢热攮,蔼旦擞气霉也W控捌在缀{氐趣范嗣

瑰。遮藏愚浃逮箍龟酶基本理论穰孺。然嚣t在兖魄谴疆审,瑟电渔巾产生酶壤 化电压套隐碍其冰身的充电,并且使出气率和温升强蒋升高,因此,极化电压趟 影蕊竞避建凄药鬟簧蘧素。鑫燕霹懿,要怒窑理莰滤燕邀,鍪漂设蘧漆髂强筵瓷 蕊对蓄魄池充电的蒋喻。觚暇仡奄舔的形成梳理可戳摊稚,被他电蕊的u太小是紧


隧充电魄流的变化硒改变的。当侉止充电时,电阻极化消失,浓差极化聱n电化学

凝键赛逐溜减嚣{嚣露暴恣藩毫涟攥袋一条捩毫逶道适其爰懿藏毫,甄浓差毂稳 和电化学极化将j珏速消失,同时雷电池内温度也因放电而降低。因此,在蓄电池


兖毫过撰枣,适辩她蜇箨宠奄,势盈运当撼翔A薮瑰躲冲,就胃迅建磷露羧造渡 狳各种鞭纯毫歪,簌两提离竟蠹逮壤。霉魏;大家魄鞍试簿鹣穗透寒瀑方法蔗踩

冲充电、脉冲放电去极化方法。 爨游瓷窀毒嚣释癸型,~释是啜赣歪爨穗,嚣爱3尊,还鸯~狩是颜A了蛊惑


蛰嚣逡怨转竞豫嚣法,突献篓{避野了蜜骢撼鹱。黧4肇26AH熟键装整电池避意


壤试骚。赛鹱蕊臻撩懿袭3~{一{
li3 87 69 62 48

l瓷瞧对鬻 }《爵静》

;楚魄瓣趣 I(癸锊)

电凌 撼藤 斌艇黪±压移 鬻艇爱 抟竣绺 谤糍熬骚电鸯

黼嫩雠莓遴骚 落菠籍 营蚨蛰 融瓣鬻 ,辍捻 黪懑爱穗魁交 寒,瀚 彀皴邀 速转蠹皮炎纛 黪瞧懿 襁凄,

定予聚 西瓣蜜 黎罗F怒辇楚

脒{申充电方法毪据褥等效电流馕掇下,对掇商兖奄遴率荧散不大,毽建逮瓣冤甑方法


在宽电过稔巾给电溉救魄,削弱了电溉在充电斑程中极纯现象,毓稀允许鞭夫的脉冲 瞧蒎。

在瞧漶兖魄黥磷鲤母,摄多大试毙丈魄滚态毫瓣电漶懿寿念念磐寒援臻,箕突这 季巾说法是片露豹。大龟游兖鼹本鬓不袅影确电滤静卷命,孺憨太逢I藏态瞧gl起酾掘痰 升离真正影晴电浊赘命。闵姥在霄一定冷帮攒藏静情凝下,在溶法克许躲毫螽菹戮斑,


果惩大奄滚巍电,碧波膏舞鼓。袋翊辣种充毫,给了蓍魏漉簿低滚滚熬孵阉,执嚣耱

够庶辫太毫滚竞魄,大式辍辩了究龟麴遽嶷。

辫于对容鼹预测的滞求,前人已经摊出过多种铎量预测穷法,主婪有:

基于罄囊势越骞量貘勰£麓ma目瓣Based端瓤蠡辆勰。羲转&黜)


基予电池内嫩灼容量预测(Estimation 稳避

Internal Re嚣igcance)

同时旗子电池内阻与电动势的样蹩预测(Estimation


!甥:雠器越Resistance antl Electromotive Force)期

基予亳滚瓣簿积努瓣容量鞭灏fEstimation Based触Curr。nt


Integj'ation)【,】

下蓦蒋鬟髂麓每~褥褰蓥然溅专法鹱黔耩

在爨2牵已缀提到,避掇梗上的电势形成进程的化学反应斌辩以表秣为:

Pb0十壬|S04一+3H++2eHPbS04+2娃20


嚣辍骥数受投投主熬邀掇疲痘谢擞写残:
lab+HSO 4’÷÷PbSO 4+H+十2e

当蕊洮娃予蔽磐凌态黠,主羲掰篷藜惹熬左舞在遴撵豫攀茨遴,冀壤漶宅蚤

要娟。砌《蛰连《暑挚≥


其中‰巍葫i雅趣魂势,~簸舞2,04V。溆点甄A蕊越见;瓞喾敷斑黪避孬, 拦勰兔禽激疆步,锡D禽辫矮热,瓣憩毫逸逮藤滚薛深度会减夺。窀潍魄谤势焚
小,电池剩余容墩也会变少。

骚凳曦淹奄动羚与毫溶寮耋熬鬟蓉,主要攘蘑娄黢,莓蕊穗鉴l螽霆3一毒嚣瑟


瓣关系鞠媾,西磷,我霄j碍桶式3--4来颈谢电池容鬣。

援3叫镪黢誉避浊电压姆雾量关暴嶷

翼枣,。,毋受系数,《塞逡涟生产厂蘩蘸窦嚣逡霉串嶷歉羧舞怂终螽褥。 用上戎(3―4)可时魄池容簿进行预测,扶其关系雷不滩看出,在电池放电


接近髂止(认为c=0)附,容量预测的谡越较大。返主要撼由于在电池放电终止

薅,壤涟毫旃蛰鋈然下簿。获窀稳诧学裰凌主善,建鑫子蘸黢毯黜抟矮装嚣逸


极覆蔬了过多的硫酸锻PbSO。才q【起了电池电动势的猛然下降。

瑟抖,这秘嚣量颈测方法受魄池救忘率影婀驳大,翱一,秽两个簇数在甭趟 静蔽§鞋率下交纯较大。拣主要蘧国于在不辩静藏窀窭下奄瓣窀凄势变稼霰大。颡 此,襁放电率褒化较大的场合特别姥脉冲放电时这种方法并不适合,这是由于电 穰黠遥迄孵滚黪分枣极不一致零披了遣囊势褒薤对瓣海变豫缀大。


8、基于魄涟内隘静容量预测

I脯E在1992年四月投票通道了一项标准化蕈察,建议阉定型免维护铅酸电


戆瓣攀蔑簿试方法交蓦褰瓣浮兖滚燕蘸斌菠鸯导魏躐慧魏溅试。叉蒜挺警多懿窭 验和撤锫数据照幂电导时商低可以提供葳映电池故障,使雕糙度的有效信息。

谗霈燹辩1擒显示,搬涎巍鼹姆电遗剩条容量&"鸯关,盟与壤浊剩余容量姗


避藤艇阮簿关蕊,可蘑藏3―5柬淡示:
b SOD.5――-p群

其中,避n口为豳定粼数,可阻燎小二黎法等数学学段,从实验数搬城实际遴

在鬻电池的生产和成粥中,魄浦单体肉黻的测潋褥蓟广豫的应用。电池单体


魂疆能够爱应魄姚熬安辫数(容囊),糍够帮韵系统扶丈量窜涟耄浊孛拽鎏最羲鼬 毫港零髂,藏撼肯效瓣避杼系蓑鼙嚣经静攘簿鞋爱鬻毫遣缀容蘩戆燕灞。透过斑 阻测量?我们不需要进行放电实验就可以得到蓄电池的各种状态,从附可以实脱

蘑3一s辔撼连篷卑邃箍薄杂奖蒹

海殖装撂萄蕊帮勃系统定链系统率藏差斡电混。通过大量静内隧数据秘囊j。素磊

…苎裳酌舞墨测爨是豺黠浸遛她竣诗魏。发薅测试孚菠剥越誊宅熬趱等蕈搭

可敬褥溜~条系统谖为轰常静态辍与电懑德环寿螽魏蕊线,鼓藤售计出窀逮单体

的寿命。蓄电池蚺体内阻岛电池寿命的大致关系见圜3~5。 骧篱邀逮技术粒溅量技零赘黢鼹,兔维护话酸簧壤追魏擞臻,毫洮蠹隰测攫


技术麻嗣到了免维护铅酸蓠电池的检测上。圈3--6为菜种兔维护镭酸饕电池静漆 阻和电池容量的荚系,我们可以从阁中看出,电池容蠹与电_i也内阻的线性度要比 龟压与恕涟吝羹斡缝茬嶷簧好懿多,嚣霓弼慧隧蠹黻来预裁镦涟容量簧毙鬟电潍 电压来预测要准确。
霹3~6 VRbA嚣量与内臌关系

西察鞴上,犬多数懿镪酸蓄毫漶静电池察蟹藉鼓潞雨疆装蒸落缝鸯潜与上瓣

相似的曲线。由上图可以看出,当电池内照上升到150%时,管电池的容量已经


繇子鞠%,单次缀饔已经撼豪。我熟疑摹个瞧涟蕈髂来键试验,麸茬获得害耱瑰 压与电滟内阻的关系。如嘲3--7。

瑶3~7鸯魏巍搬器电熬电惩关幕

塑兰查燮堡圭堂堡蝗苎一~―一――一 由嚣黼嬲篇嚣’羔嚣瓣晶


篓曼阻迅1速f蠡釜萎翟慧主塞装茎慧氛而裟。譬翌等慧麓蠢器 电专i!淼豫抗瓤量可以反殃电池容量或剩余容熬的状况。那么,怎么实现鬻 既然电池阻抗溯量可以反殃电池容量或剩余召擞nq’扶砒。那么’;盛慑头珊橱
毫压为.75V,粼该辩嗽池弱嫠壤壤壹鼍融驻落1?475V一飘l璐弼弘张好墨蜡”8 ×t0―4Q左矗磁200Ah电池构内电阻则越为12XlelQ左右- 有笑蓄电漶内亳毯测囊镌暴体舅法,霄蓑文献耧书弼主舔蠢分辨,衰3-5蒽 蓄电池额定容量大的晶种,电池内电阻较小。如3000Ah电池的内电阻为1.8
通过暂态测撬法可 以簿便熬测鬟瞧池

莉鼹跌龟莲交鼗速褒 l


暂惫测量法 中区铸欧姆电阻电压 降鲍方法 一般

欧姆奄隘。在放电电 流较小,电艇变化不


度降低。1 耪度很高,搿且可以 褥掰双电震窀容量, 具有理论价傻。但实 亵 骣使瘸*《昱褥演臻, 丽鼠不适含在线溅 量。在低电阻,高电 容的电泣溅餐孛氇 不适用。

利用峨池内部酵效屯 藩,努离盎双啦罄亳 容和欧姆电阻。

朔对骛态测整,精度 嚣霜壤逸蟊鄂等散露 路 较高


在线测量。但在线测 量葵漳豫于抗因素。 适合测量小容量铅
利用欧姆内阻霉Ⅱ标准 藏游秀渡洼 毫疆滚遵翅霉窀流露 艇降的比较。 较离

酸鬻电池,但在测量 大容耋宅遗过程孛 需嚣很大的方波电 流。

由上面这些方法可以肴出来,朋内阻预测容量有不可回避的缺点,就是由于

大吝爨蓄窀洼黎肉疆攫小,需要髑穰离靖发瓣溺量设备,鬟褰了蠢隘测鬣爱备麓


成本,从而提离了容量预测的成本。对于低成本系镜来说是不可以采用的。 c、间对基予电池内臌与电动势的容量灏铡 文牵挺窭,缝合毫港癌疆帮趣劝势,露辩裁蘑两港对电涟容量避静攒瓣,英 预测公式如下:

一.一一――――――翌


SOC:安时数, g,毋,r/:符窥系数

c;a”‰+n慧+恕眠眠)mmf


羹中,G堍漶籁余瓣鬣,琢奄遵密稳势,曩薛迫遗淘鼹,聂环境溢度
Const;为常懿, 显然,在上式中,第一项反映电池电动静,第二颁反映电池内阻,第三项是

逄涟是阻摇怼容攫的交纯率,第嚣颈燕震予黪正环壤温覆魏彩璃,蔡五颂建嚣爨n 忽略上斌中的第四项,而辩三项则可以由式(3.7)得剐。因此一系数“,p,口,


Const珂娃虫实验数撂逶避最小均方差等方法得至4。妞栗使用了日组安验数据, 雯#有魏节所示斡簿式(3-7):

矿,翌,R;1 矿:R:R:1

其巾,恁兔箨n组率黥电港内耀值‰,豫’凳电溅鸯隧辩予容量静傣导数。胃

见,通道n阶矩阵运算就可以确定系数d,一,rl,Const的值。显然,这种同时 萋予魂邀电动势张毽港内辍耱骞蠹颧瓣,懿铰了较囊斡建确发。餐是,遂耪篷弹 运算非常复杂,不利于在单片机中察现。运行过程中随着电池状况的变化,需委


不断修难系数目,参,目,Const的值以保证较高的糍确度;另~方冠也增加了避 算重。 D、基于电流时间积分的容量预测 文章f3秘攒遴了这静基予电流对淄彀分黝容量颈测鼹基本思想。龟泌充数宅察

慧ej≮兖放电魄流五静关系如式(3--8);

由该式知道?只要随时监控采样电池充簸电电流,然后程时域上谶行积分。 就可咀樽出该时间段At上电池容辍的变化凝c。。如泉知道趣池充放电前驹初始

窖萋岛的话,粼褒纯螽懿晦随容蛩馥惫:

这静方法相对皖较篱肇,容易寮蜣,蔼蛀霹茨采糟系统本鸯所其膏的电流采

样电路,无须外加特殊设备e值得注意的是,这种容擞预测方法在电流变化不规 慰黯,蒜溪戮藉魔将会受露}彩蘸。斑睡在嚣蟾淀鏖影赡戆棱正魏瑟毫酒簿瞧骞学


习方面霄所欠缺。 E、基于电流放电率的容量预测f2j

文献f2】孛容爨颡瓣技术是基于电澈藏窀攀浆,鑫瞧滚藏窀率每藏奄辩溺鳕关


系曲线(如图3―8所示)W以看出:只要得到电流放电率,就可以得到可放电时 阁,进掰褥出屯池的剩象辔最。

毫流放电率与可放毫辩麓静关系馥线爵戳献其体蠹号电沲瓣生产厂窳那里褥


剿,各种型号电池的关系曲线均会不同。当然,也可以在实际逡行数据中总结出 来?鏊霸,衰3--5绘窭美蕊G》lB公霹ABSOLYTE掰’系舞毫涟孛器晁辞不鼹型 弩电池婚放电时率与可放出电流关舔的数据。离3―8缩出了ABSOLYTE lIP系豌f

lOOA醚号酶不鞘敞奄终止窀匿下麴懂流放漱蘸线(不薅菔电时率)。出这些数攘 戏曲线我们就可以得出图3~9。以豳3―9为倒,由表3--5得,IOOAl3鲤号电池? 羹e;i《2e姥,蕊I=29A,鲻Ta=24h,这样就餐瑟了热线主豹一个杰≤2皱,29站, 曲线就W得出可敬电财间为24小时。

其中Cio为10小时放电率时的容蛩,I为放电电流。细莱涮樽敞电电流为29A,敞

一―――――――――――――翌


60 q0 120150 180 210 240

0.4Co 0,2c。

放电时阃t(分钟) 蓬3―8窀禳藏魄事与聍辩靛避戳燕燕魏缝 艘3―6^BsolwE IIP系列电i甑中的放电时事与可放出电流关簌的数据

放电时帛(小时)(250c)

至终J瞧龟垂l,75V/cell


29 54 62 75 107 128 158 212 312

至终蹙毫压1.80Vlcell

这种容量预测方案是纂于对电池组充放电电流的’灏4量,更雾地依赖于电池率 身放电曲线,从营电池的电流放电率出发去预测容量姻方寰,鞭测趣蜜爨丈小会 辕着放电率、潼度、蔽电终建毫匿魏不靖焉不离。这寄瓤子一般静窀流时闯积分

的容量预测,基予电流时间的容量碳测方法宙脱离了黼电池本身可放电辫量会随 饕放电攀瓣不霹及滠度麴不嚣发生变纯匏这~特牲。禽我,基予宅流教魄率热容


麓预测方法更加含理、更船科学。

】00A型号l一60分钟放电曲绒髂℃

100A型号l”]0d、对敬电曲缎2s℃


坩m钟轻Ⅺ∞ 雌∞ 他口

瑶3-9不褥救电终垂堆惩下瓣毽流蔽亳舞凌(萃薅靛魄对事)

~一…――――――――翌

由予单体电池电动势谢瞑,腻4啦池电动势通常为2V到2.2V(随器个电池生


产_厂家不滔)。蹴蔽魏,大耨势蓄淑漶系麓爨霞露静愚毫蘧壤。这些毫淑薤峦单俸 电池串联或并联而成。例如,48V戏120V的电池系统中要包描纳24个蜮60个麟
在究放电过程中,流:i霪每一攀体鸯淹的充放电电流裙两,蔫各个魄滟由于纯 学组分的差异,运行温度的不同,加上电池运行历史的不同,嵌们的特性也不同, 扶孬gf超电洼兖逛邀压不爵。懿暴适毫远蘩绫在这释媾嚣下运行嚣不翻竣逶当豹 管理,电池的使用寿命啦及系统的W靠性都会受到影响。以下实验可以证实这一 点,在疑验中采用的铅酸电池为台湾塞特公司专业生产的全密封免维护铅酸蓄电

漶。摹体容量2§小霹率4安霹。型号舞镊4瞻。额定奄压铡。额定容蓬4矗硅。兰


节6M4LC串联充放电实验;(放电电流800mA).

袭3―7窜璇毫箍羧充邀窦骚

从联羧表中尉叛看出“邀浊~”这只毫漶在鼓电勰期容量魏秘箕热薄只有夔 麓,在经过一次德流放毫之后,它最先达孤褥止电压,藏时萁镳两只还没有放电终


止,立刻转入充电状态,由于“电池一”内电阻增大,充电电流不能提高,必颁

对窀遗缝串锤菜些亳波努舅《避露祷宽奄。逮释运行方斌鸯擎褥电漶整懿餐爝效率黎 电池组的充电效率大大降低,也增加了充电不足和过放电的可能性,只有通过容 量(或电难)均蕊充电才能鳃决这个阔题。

表3―8串联电池缴放电实验

关于均衡充电的方法髓前主要有以下几种:

在每个单体电池上附加一个均衡电路,它可以起到分流的作用。在这 种模式下,当莱个电淹臀先这到滚充对,其均衡装置能阻止其过充并 将多余的能量转化成热能,同时,又能继续对没有充好电的电池继续 进行充电。

在充电前对每个单体逐~通过同~负载放电至同一电平来谶行均衡, 然后掰进行串连衡流充电,以此保证各个单体之间较为准确的均衡状 态。

采用一组变压器来实现均衡充电。利用变压器各个绕组相赢之间的漏 感进行电压均擒,均衡充电过程不是贯穿于充电过程的始终,丙是发 瑶充宅不垮后方启动均褥充电装簿。如霾3~10所蠢.这种均衡方法可 以很好的实现电压均衡,但是变压器结构复杂,制作要求很高,制作

成本咎离,同时不容易扩展容量,因姥,送秘均鬻方法著不是{}搴理

采用电容进行电压均衡。如图3―11所示

蕊3一糟糕露避鬻藏匿纂窭蕊啦蒜垮鞭

凋3~ll穰耀稳衡壤霉突糯患蹑均衡 鹫3一ti静噻鼹缮构可戳苓借秘赣赘究毫漩鬟蕊实糯均衡充毫,它的基零思想


藏是誊曩勰换,在攀刀鞭辫歼蓑垒瓤接在上嚣辩霄:

‰2蹿2 毪3司3 在壤乃焱舞抒荚垒部接在下嚣对燕: %{。V2 %2叫3

切换过程中%蠹电聪碱睡%耱耗,漆瞽电漕谨释放交卷氍嫒麓薰,疑黎达舞 栩邻两单体电池释髓一致的目的。逮种方寨擞然不用辅助充电器,在~定程度上简 稼7囊壤瓣设嚣,餐莛这静方寨杂于g;遴毒豢捷餐惠臻黪翅豁凝率受剿鞭裁;糕黩


举刀双掷开关的实现比较黧杂,醴上电路如粱增添剽现有电豫黢控系统串,电淹电 燕、电流的测垂}仍然霾要嚣她豹测爨电路,麓统的复杂牲也大太增加。 5辩爝努滚搂涤进行奄悉臻穗,

龋3--12浆耀分菰棋块进行魄联均衡

娜呲一搬 羚敞黼撕 划烧黼闱

黧一 麓怒獬 桃搬黼 一一一一

鲥3~13分僦模块均槲电路舶仿谳结果

鹾上游擅电路躐者方案黼是以电聪均衡作为标准的。以上均衡电路的游本恩踏

塑竖苎兰堡生堂垡堕壅――一―――――――――翌


最程每一苹俸电池上附加一绽的设备。使每一电港在最禽适斡兖彀条停下工作。将
低电压电池的充电电流变大燃,高电腻电池的充电电流糍小些。溢过单体电池电聪 均蕊器酶璃节,藏逮到了霞五醣毫渣特毪变弦靛婆熬。这样蘸避免了菜黧肇体毫港 斌充电,叉避免了菜螋电池充电不足。无论这臻均衡措施采用何种方式:寅时、分

对或者根掇糯要定时,其最基本的手段都是电鹾均衡,都将电压均衡作为寄量均衡


瓣麓静标漆电压均衡了真的塞昧着霹辨避免了奄涟缀巾器个耄浦石鹭誉带来静一 系列问题吗?实际缀验表明,采用电愿均衡作为容量均徽的标准并不完全可行,电 爱并不能凳全爱浃嗽涟容量的犬,j、;鄹么,避行电压垮舞骞臻磷? 我们知道,虽然采用电舔均衡作为容鲞均衡的手段并不完全可行t僵怒放电袋 浮巍电时,电池工作端电压箍异却能艇映电池窑基本身的差异状态。不可否认,电 垂鸫鬻链够在一是程度主缩,j、蜜量麓不均鬻,疑惑是藏窀蹬段韵奄匿筠褥管理、嚣 电池管理对提高电池缀放电能力、延长电池的使用寿命报有好处。在蓄电池使用过

程中,影蛹v砒A蟪邀寿命蛹主要原爨有:遗兖电、欠巍电、深度放电。


避充电会使褥套淹正禳辗薅落,避露导致正缀叛交形,活瞧奶震疆藩,造成歪

极板容量不足:且过充电会使得电池温升过高,温升过商会进一步加快极擞腐蚀遮

壤,避充墩过程孛彀漶蠹压增大,导皴密气、掇承、负极蔽键纯{芡充电对v毯A


电淹寿命丽亩诧过充电更秘不耐。欠充电是引起电稔失淑的重要艨匿。欠充电会遮 成负极板钝化,使得电解液浓度降低,铅含量增大,易垮致铅枝短路;深度放电也 褥释会遥藏菠援板鹰镀容量减少。 在正常设置均浮充电压的情况下。主要是由于单体电池问的个体差异,使得串

联电池组申的单体电魄在充放电过程中表现出端电压弱举均衡,避箍使锝絮些单体


毫游斡蓬竟毫、过放奄,男辨一些摹髂窀洼赫欠充电。蕊藏,虽然进行电惩均衡著

不能作为容髓均衡的标准,但是在充放电过程中引入电聪均衡管理,可以避免因单


体邀池兹个体差异焉造成单体毫逸静过竞逮、避救邀、欠楚毫警润越,麸嚣达裂了 延长蓄电池缀使用寿命的最终舀的。 以上的分析为蓄电池均衡宛放电管趣提供了新的思路。从电池零身来说,影响

箕容藿均鬻释毫歪均鹰薛嚣素本来藤不莰霞是充龟莲疆。运霉与蓊毫备霹i妆悫静蓄


电池组大部分时间也不是处于充电状态。引起电池容量及电压不均衡的原因存在于

充电、放电、浮充等每一个环节中。觳肚,将均衡充电爨髌为均赞充放电管理更为 合理t这鞲蟹理寿灏不莰霞簧承在充京终臻毒麓窀港有穗慝静电蕊,它还溪求在浮 充过程中通过电压均衡尽可能的减小释量差异,放电过猩中串联电池能够麒本同时


这到艘电终止逛压。双逶信备臻宅源系绫为援,艘窀终止是鞋螽小容量毫浊这鬻终 止魄压为壤?这常常靛整个电涟组僚黥因为一节电池性髓变坏而褒坏,丽强这种交

坏的趋势会随着充放电循环次数的增加商增加。如果可以使所有电池基本阔对达到


蔽魄终壹奄殛,玉疑会大夫舞商毫港缀赡霞蔫寿愈,藏长麓管囊酌定度来说,邀莲 很有好处的。

本章主要舟绍了电浊管理系统主要懿三个方疆内容:充电管理、容量羰测疆及均 衡管理,分析了他们的主要设计原则,为后面的设计提供了基础。

塑坚查鲎塑主堂垡然苎――一――――――――――――――竖

三阶段智能充电器的设计

本章主要分析了一种藻本的恒压限流充电器的设计原理,给出了一个12V/50A三阶段 智能充电爨的设计过程,并且给出了试验结果。 主要内密

三冷段智能充电器的蒸本乐理 功率电路选撵的依据 控制电路选撵的依据 主功率毫臻设诗实剿 智能充电器全数字化尝试

●PICl6C73介绍以及相关设计

堂竖查堂堡主堂垡照塞――――――照

在第二章中,我们提剿了恒蠖隈流充电模式,这种模式稃加上温艘补偿、过充电保护


暖爱辩餐预测就可戡或魏~静祷楚萃静蓄海池餐憩餐理系统。

恒臌限流模式充电拥肖很多优点。在充电开始阶段,恒雁限流模式避免了恒压模式中


连漉越过毫遗觉壤菝受攀豹弱疆,薅在充瑰震裳,挺匿限流挟式与攮蕊模式搁翱,避免了 充电电流过大§}起过燕瓣阔蘧。间时,由予懂压限流模式本身的特点,我霄】可以糟蘑我们 所掌握的开关电源的控制技术,方便的实现恒压限流充电,从而减小了硬件成本。由于恒 压陵浚模式熬这垫显饕俊点,太多鼗充鞋器帮采臻这释充奄方式。 慨腰充电模式分两个阶段,第一阶段媳恒流阶段,即系统给定电流值,给魄池以恒定

电流充电,当电池的电压达到系统绘定的转化值,就转为第二阶段~一恒压阶段。恒压转


纯值会彩璃寇入电耋瓣多少,盈下落4一i

蓬毒_l馁玉袋蘸兖窀毽嚣藕不霹时酵谤撬 峦墅4--I霹毂,当攥援转化馕(Vrcf)设萋豁较低对,巍入耨皂爨不是(瑗串翳影懿

分就是少充入的容量>,没有充分翮耀电浊静容量,长期工律,会引趱电池容巅丢失,遮 就要求把恒压转化值设离。但是憾难值较高,容易程充电末期引起过究电,这同样会导致

为了解决这个矛盾-系统gf避丁第三个阶段――浮充阶段,这样就可以把恒压转化值 设置的比普通憾压限流模式高,这样可以保涯充入足够的电量,在充电漆期转入浮充酚段,


霹鞍懿靛电压浮兖充窀,麸恧傈话琴会过巍电。 这样的设计恩想适用于铅酸莆电池、镍魉电池、镍镉电池和锂电池。由它们的充电特

性毡线霹以看出t它窘j要姥止过充电,关键巍子充墩农裳熬掇锱。三辨段竞毫方法壤迂了


充电束期不过充,褥时又艇达到满宠的爵静,是一释成本较低的迸用蓄晦池充电解决方案。 i. 功率电譬籍选择

麦穗爨主嚣籍靛选择簧撮莛窀路磅率兹太枣、簸蹬莲蚕、输A蔻爨麸及蓬甭


袋隔离谶行选择?丧4一l列出了几种主要隔离式的拓扑以及他们的优缺点,可以

禳耀充魄嚣性能鬻黎蔽鑫禽逶静选择。罂4~2~7菇豳了尼个藩本掭矜灏繇疆藤。


l开关管数量 {控制复杂度

圈4--2反激电路拓扑

攫4―4撵境毫臻壤辜蕹眷

圈4一s半桥电路麟本拓扑

澍4―6盎轿电路麓率拓扑

壤据番糖逮路穰棼不慝静特煮,以及充鑫蓊统不簿魏婪袁;我销胃酸选择台


适的电路拓扑作为三阶段智能充电器的主功率阐路拓扑。

作为~个蓄电溉智麓充电系统,仪仪选择7功率电路是远远不够的,麟为蓄

电池管理系统还要嬲成温度补偿、过充电保护等功能,间时为了完成三状态智能 究邀系绕,莰莰谈靠遣滚控麟芯嚣释搂攘控镯磊统,系缝会穰美祭量可靠链大大 降低,于悬可以采用根据需辫开发的嫩成电路芯片或者单片机系虢。由予集成电 路开发豹戏本比较嬲,~般袋用单片枫系统。


攀片橇静选铎要赧掇系统鲑鬻要。在三蹬莰智糍兖窀器枣,峦予不需要竞成透信

和大量的数据存储功能,不需要扩张存储器。同时系统还需要每个A/D转换器,根据


这些要袋,我蜇j蟪舞了MICROCHIP公司熬PIC系弼虢攀舞椒。 P辩系掰革片祝具霄禳多鲜鞠的特点:fj2} ①哈佛总线结构 在磁c系辫攀蠢鞔串聚孺酶遂斡跨璐惑线缭稳,靛是在蕊片建鄯擦数据蕊筏纛播 令总线分离,并鼠采用不同的宽度,如图4~7上所臻。这样做的好处媳,便于实现指 令提取的“流水棒业”,也就是在执簿一条揩令的网担母对下一条指令进蟹取指令操作; 霞子霎现全部撂令静萃字带佬、萋餍麓毒乏,献两有科予捷赢CPU撬苻撩番静速度。在 ~般单片机中,描令总线萃口数据总线是公用的(即时分复用),如图4--7下所永。

翻4―7上}PIC单片机内部结构


下t聱逮攀势冁建嚣藜稳

。糖筵攒夸浆<黜Se)技米

竺!銎登:。翌姜二二次设计党成以尉的程序修改、升级。也能够带来很辫的便利,有利于 …一


藿亳漶譬理系统随着毫泡投拳熬躞爨蚕辩浚避。 婚代稿嚣缩率离

…~登系曩棼冀瓤静捺,争系统嚣骞3s袭≥簿令,露薯:蓄窀漶茉缓设诗浓溢,瓣够薅藤

苎竺篓登挚警妻氅嚣耄!嘹鼗霉遮li)24蠢,运襻霹醛不瑟癸帮扩充露鹾器窖爨,囊囊


统复杂艨大大降低,捷商了蓄电滟管理系统的可靠橼。
嬲4-8到盛了几釉肇片规代码紧凑艘姥较缝躐。

…,,!竺。璧!篁器空间-MCS一51单片机火约只能绺放600撰指令,璐对于PIC系列

誉4―8典垄单肝辘代码鬻磷性豫较

一―――――――――――――兰

PIC系列单片机内集成了上电复位电路、I/(2引脚上拉电路、看门狮定时器等,有


攫多型母还疼部集藏了死个AiD转换器,霹塔最大程痉豹减少或者受蹋终接嚣{譬,班 便实现“纯单片”应甩。这样不仅方便于开发。丙且诲可以节留用户的电路板设计藕锸 造成本。 国最静丰富 PIC系列单片机已形成3个屡次、50莎个型号。片内功能从简单劐复杂,封装形 澎式从8脚到68脚。 蒸予强上辩c系列攀片瓿静霞熹,霹瓣考虑瓤薹黪段督缝兖毫器戆其体瑟求,我 竹1可以选择具有磐个A/D转换功能以及多个I/O口的PICl6C73单片机。作为兰阶段智

艇充电器静串心援粼单冀瓿, 谶 慈体方案 将单片机系统和开关电源控制系统相继舍,可以完成一联工作性能良好的兰阶段 蓉毵宠瞧器嚣控麟系统。嚣关窀漂控裁系统德证功率奄踌魏正常工律,提镶亮蠢掰篱要


的能量;单片机繇统进行数据采样、数据分析以及参考给定,宽成智能究电器的简单的 容量测髓、温度於髅、阶段控刳以及参考络是等功能。完整的蓉统挺魁见图4~9。

髑4―9薹输段辅能充电器按制结构雕

图4--9中t单片机悬兰阶段智能充电器的核心控惭部件,它根据瓤流反馈、电压


殿馈以及湿度采样,作出激魔於偿以蓐的电鹾绘定和奄藏绘定,决定了智缝充皂嚣的工 决定了开关电源的工作,芯片根据蚺片机的电压电流豁定以及电源的电聪电流反馈,为 主功率窀踌提供PWM开关僖号 。㈨.

髂状态,蕊跨壤辩豁帮控粼待号戳及痨帮懿舜常信号,释&鼢酶动露;密滚整粼芯片

塑坚查兰翅圭鲎望煎塞――…一…~―――――――――――照


在上一节中,我们分析了三阶段龆能充电器的基本原理茅口总体方寨,这一节将就具体
毫骜魏注诗帮露謦簿壤笃磁簿劳凝。

我们将针对~个具体的兰阶段智能充电器究电器避行设计,簧完成添度补偿的功能,


充电器的其搭臻枯毙; 簸^毫匿 限流值Ic 220V:,c圭嚣辩;
50A(16VDc);
14.2Vtn:,; t3.8Vpc; IOMIN Io<SA
浮充电压缓Vi 垣压转浮充

主功辫电路茸饕电遣麴管理美聚举失,褪憝弹为锶携楚龟器螅主要缀戏瓤努, 主弱率奄漆蘸胃嚣淫瑷囊攒耩薅予态窀器蘸设谤帮蓬囊蓑重要黪。謇稔文蒋藏三


阶段智能宽电器的主功率电路为例。详细说明生功率电路的设计过程。

<雾竞毫嚣袋夫琏搴鹣#―^x,薅定逛路蠡羚 三阶段智能充电器的最大输出功辫发生程愎流阶段姥柬的l}寸幞,这时候输出 壤滚著充患器熬袋丈篱窭惑滤,簸惑壤基爱;德曩蓬臻凑,藤对考惑蘩蕊爨,这搽


拣可以算出最大输如功率;

孙u孙【矗)e端V躔1.x×lc


=15V×50A =750w

嘏据表4-t,百激遮择串辚啦罐拓舔藏者推挽拓扑。蠢予半桥豫瞎控锖6湍肇,盈 变压嚣设计比摧揽电路简尊,因此选用半耩电路。媳体电路入圈4―10

篷{一婚半轿嗽瞎充电器巍辨路电路黼

煎堡奎堂鳗点鲎焦逾塞.

~+….,――――――盟

瓣在菰嚣簧薅定奄薅孛每一个嚣嚣戆磐鼗, (塾确定工作频率fs 帮关亳滚静工露骚攀黪选撵甏考虑捌奄滚静游辍、彀攀、霸率、簿美器蒋攀谱多 方戚的要求。本充电辫的输出功零为750w,且作为~个觉电器,鞭撒体积eb较小, 瑟戳王佟羲攀不蓬袁秣;露嚣工终蒙率舞会g{莛鼹转黎秀美援甏,譬臻美熬。霹鼗王 俸颁率不能藏隈高。橼穗这些骚求,80KHz是个食适的遮释。两时程80KHz下,开


关器件选用MOSFET比较合溅。 戳鼹,(s-----SOKHz

囝确定输入滤波电容Cin


饔薅是瓣入滤渡毫枣。盛矮穗窿霉个王赣震辩,窀容必矮存跫瓣缝羹。蠢电器抟 输出功率为750w,假设充电器的效率为88%,那么充电器的输入功率为

Pin=Pmitma.'jC]鼍一?5淤s菇一S轻w


囱输A功率吲以得测每个周潮电番必濑得储盼熊麓:

蕊皆f先筑久交流蝮圜舞频攀,郄50Hz,强戴{


簿个拳攥躺辖A滤波遒窑囊捷爨戆裁爨蒡

华=Ci肿【(、『砜怖))2。。(√玩㈣~Vhn。(mh)xI.∞z


瓣踺辖夫滤渡奄寒容螫舞:

因鼹踟∞―i蕊17.0丽4- 20815x 0-4F=281,52x176

tin=――{op――――――一?”―――,=∥―――――――~~――~ 髫2‰獬》2一92‰㈣一1.2‰㈣>3

176(42 一i。2F

妙式<4―9) 一…、’~

幽乎半挢魂路是两个电容串避,因此每个电容舱容量为563L,F,考崽劐电褰能整存 耱嚣裹t逮器鬻令1000Uf/250V熟毫器菇骚捧舞嚣l鞭E2、

(彩确定输入电压变化范围


输A交流墩毯莲显蕊220× 《|~20鳍)~228X({÷20%)。辩176Vac。264Vac 则输入直流电压
璐nmfn=176×{,2=圣i L2Vdc

莲秘一{雾≥ 式(4~lt)

Hnmax一264×1.4--369 6Vde

为了提高窝耀器衬用攀,减小汗关管的电流,降低输出撼黼=极瞥的反向代岸亚, 鼓两减小擐耗靴降低戒拳,舞频燮压器嚣戳遗变挖辩尽霹毙犬。菇7雀任意输入宅莲 靖麓舔输出菠藜臻蘸毫蕊,变嚣器薛变跪盛按照最舔赫A电聪来选掭

塑竖查誊璧鐾圭!丝貔苎一。―――一――――竺 ‰潜。堡掣


逡铎副迓麓最大占空眈矾黜㈣萋瓣科计舞斑剽遮魂趱簸小僚Vi.t曲,两:
矿sec(min)=―15+百0.6歹+~0.2=17.55V

骥整数《,透藏戳逮邀瓣壤夫缓瓷

矿嘞哟=Wn(董max)z半*26.4V

麓戡戮逡二缀簿麓藏承赞靛簸大孤簿为52+8V。 <凳麓避藤遮逛滚

擐逮默平连燃蚴一。老2罴∞拳懿奠


襻疼劐10%的电流纹渡,黼此原地触电滤峰德为:

零箍燃m毒斑嫩溅x¥+l§嘲=碡。03xi。I*4。莲蔗

鬻用离颓燮疆器秘浚诗方演督两辩,筇一种是宛求斑磁心宙鞠爿w与磁曲离散裁丽


魏Ae熬豢鞭,壤攫这个黎辍蠢裘裁交鼹舞滋黢稼鹳;舞2静罴斑埭凄冕薅参鼗,爨 表拣爨磁心煽警,舞避彝设计t鼗暂j絮趣第一秘方法设计芝蹬段键穗充电耩懿主变蘸

朝5觚囔十1)x√2 、鳕%

箕孛:妫窝西蕊鼹系数,褒暇攫嚣琏毫游蔼之骜龌露穰孛凝蕊嶷耩蠢惩簿蕾袄


锻。它离簿线截镬l积、瓯数、层数、绝缘漆乏鼯薄等决定。一般典型假 敬§禹

岛淡形系数,奏效壤每孚翡撼乏愆燕滚渡瓣兔4,44,方淡蕤季为4

BⅣ工作磁通密度 蜀电流密度姥铡系数 X寮敷邀瓣蘑诺?&决定

为了在80KHz下砸常工作,选用铁氯体磁心。口*取0.1T,研敷4(方波)。

爿州e=咚撩)南竺(砀囊―塑堡‰)南=6.7 4Kj

、0.4× 4.0x80xt0 ’x0。x323’ 1

/根据AwAe鸯躲拯资料逸撵磁心趔号


材料)。它的参数如下。

,.警攘蠢勰#德t再麓上i5裂瓣撂羹,选露醅l静e繇45528--EC*R藤密(EE55,R

AwAe=9,9Icm4;Ae=3.淞≮,赫《豁㈣2;}§《3。{激i

蓬{一lliI耋罐#童;c装麓髯鬻始攀霞{§羲攒舞


和工作频率、工作磁迸的关系

心捅瓤为40mW/em’,因此铁心搠耗为:

……“ ^+黧器4--ft,多!!孽璧垂{篷在90KHz、工拣遴逶密霾楚氆{零避,率德俸祝铁

墨=40x轮=40x43。{一1.724W

计算腰边绕组的距数 式f《一2l≥

砖=K揪=Vinmaxf2=369.6/2。184。8V 舱。銎婪竺


184.8xt04 4xgOKl0’x0,lx3;5 臀16,S

一――…一―――――――――――曼


考虑到趋肤效应,采用13股AW(327的铜蟪并联作为原边绕组,则
Axp。{。02txtO≈x13=0.0132cm2

堕。1687t13:129.8


}

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