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基本信息
- 項目名稱：
- 公交車鋰離子電池維護(hù)儀
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 目前鋰離子電池已動力電池的主流。人們在不斷提高電池本身性能的同時，也在不斷地研究和發(fā)展電池的維護(hù)技術(shù)。隨著純鋰動力公交車和電動大巴等綠色環(huán)保汽車的不斷推出，其電池的維護(hù)已成為他們?nèi)粘＿\(yùn)行不可缺少的工作之一。 該產(chǎn)品采用模塊化的設(shè)計思想，在傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以形象的把它比喻成“醫(yī)生”，診治管理系統(tǒng)診斷出來的問題。在它的基礎(chǔ)上成立像現(xiàn)在汽車維修服務(wù)站一樣普及的電池維護(hù)站。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、產(chǎn)品概況 2009年11月，國務(wù)院常務(wù)會議決定：到2020年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40％至45％，作為約束性指標(biāo)納入國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中長期規(guī)劃。隨著國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的調(diào)整，電動汽車的應(yīng)用必將成為未來新能源汽車的主要發(fā)展方向。 目前鋰離子電池已逐漸替代鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池成為動力電池的主流。由于鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，人們在不斷提高電池本身性能的同時，也在不斷的研究和發(fā)展電池的使用和維護(hù)技術(shù)來充分發(fā)揮電池的性能和提高電池效率以及使用壽命。 由于單體鋰離子電池之間在容量、內(nèi)阻、衰減特性、自放電等性能方面的差異，電池在使用過一段時間后就會出現(xiàn)各單體鋰離子電池端電壓存在差異的情況，然后再對鋰離子電池組串聯(lián)充電時，電池組中端電壓最小的那只單體鋰離子電池將最先充滿電，而此時，其他電池還沒有充滿電，當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測出有一個單體鋰離子電池電量充到額定值時就停止對電池組的充電。在使用過程中，沒充滿電的電池有可能又會出現(xiàn)超負(fù)荷放電，久而久之將會造成惡性循環(huán)，各單體鋰離子電池間的電壓差會越來越大，這樣不僅對電池有損害，還將嚴(yán)重影響到電池組的整體性能。我們的電池維護(hù)儀設(shè)計思想就是從這點出發(fā)，電池使用過一段時間后，對其維護(hù)保養(yǎng)一次，結(jié)果就是使存在電壓差的各單體鋰離子電池重新恢復(fù)到端電壓基本相等的狀態(tài)。綜上所述我們的保養(yǎng)就相當(dāng)于對電池組進(jìn)行了一次電池初始化。 隨著電池電子技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用以及純鋰動力公交車和電動大巴等純電力綠色環(huán)保汽車的不斷推出，電池的維護(hù)已經(jīng)成為他們?nèi)粘＿\(yùn)行不可缺少的工作之一。 二、研發(fā)前期準(zhǔn)備工作 1、創(chuàng)作思路來源 任何商品都有一定的保質(zhì)期或質(zhì)保時間，像我們身邊的U盤一般質(zhì)保5年，手機(jī)質(zhì)保1年，筆記本質(zhì)保2年……同樣鋰電池也有質(zhì)保時間。最重要的是，鋰電池的用量大，像一輛公交車上面要有200多塊鋰電池，價格高，不能像U盤一樣壞掉了就簡單的給用戶按規(guī)定的說明更換新的。生產(chǎn)廠家要想盡一切辦法讓自己的產(chǎn)品（鋰電池）提高合格率（質(zhì)保內(nèi)不出現(xiàn)問題）。山東臨沂是最新推出純鋰動力公交的城市之一，其供應(yīng)商山東中文沂星電動汽車有限公司是國家工信部汽車產(chǎn)品公告內(nèi)企業(yè)，主要研發(fā)和生產(chǎn)高檔豪華電動大客車及各類專用電動車。他們電動公交車的電池正是由河南環(huán)宇新能源公司供應(yīng)的，我們的項目也由此而來，屬于校企聯(lián)合項目，產(chǎn)品設(shè)計的目的就是來提高環(huán)宇公司鋰電池的應(yīng)用性能指標(biāo)。 2、既然有了公交車鋰電池維護(hù)這一想法，那么接下來是實現(xiàn) 第一、 通過搜索資料了解鋰電池以及鋰電池在公交上的應(yīng)用現(xiàn)狀。 第二、在簡單了解鋰電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，查看現(xiàn)有的一般電池的維護(hù)方法，參考國內(nèi)外的鋰電池維護(hù)研究現(xiàn)狀。 第三、設(shè)計維護(hù)儀維護(hù)的方案 通過國內(nèi)外關(guān)于鋰電池維護(hù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，他們都沒有從根本上解決電池，尤其是串聯(lián)鋰離子電池組性能下降的問題。問題的關(guān)鍵就落在了讓所有的單體鋰離子電池在充電的時候電壓盡可能的一致。 3、怎么樣使各單體鋰離子電池的初始充電電壓一致或基本上一致 現(xiàn)有的技術(shù)有兩種方法：第一種方法是耗能型，實現(xiàn)起來容易，缺點是發(fā)熱嚴(yán)重，且造成能源浪費；第二種方法是能量轉(zhuǎn)移型，綠色環(huán)保響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，但是實現(xiàn)起來極度困難，現(xiàn)有的技術(shù)轉(zhuǎn)移電流只能達(dá)到1A左右，這樣一來對電池維護(hù)一次大約要用幾十個小時，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。顯而易見我們設(shè)計的產(chǎn)品要兼顧這兩種思想的優(yōu)點，避開他們的缺點。 通過放電使其電壓達(dá)到基本一致，誤差在0.1V左右。所以放電后各單體鋰離子電池的電壓并不會嚴(yán)格上相等，針對這個問題，通過聯(lián)想連通器，我們想到了均衡思想，讓放電后的所有單體鋰離子電池內(nèi)部電量均衡，誤差達(dá)到0.01V。 4、電路的整體設(shè)計，由導(dǎo)師指導(dǎo)完成 模塊的搭建、原理圖的繪制、布線、pcb板的制作、外殼封裝形式等。 三、整體設(shè)計思路 其中涉及幾個技術(shù)難題： 1、模塊電壓的采集 因為維護(hù)儀要通過導(dǎo)線連接電池，電池的額定電壓3.2V，放電電流要達(dá)到10A，縱使0.1Ω的導(dǎo)線電阻也會帶來1V的誤差，這是絕對不允許的。針對這個問題的解決辦法：用雙導(dǎo)線代替單導(dǎo)線，其中一根專門用來放電，另一根專門用來采集端電壓，流過其導(dǎo)線的電阻很小，電壓降很小可忽略不計。 2、控制放電和均衡的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定 電池以10A左右的大電流放電，電池的端電壓會迅速下降，我們設(shè)定的值是2.7-2.8V，電池端電壓下降到這個值附近就停止放電而進(jìn)行均衡。顯而易見，均衡時的電流很小，相當(dāng)于開路，這時采集的端電壓又會迅速升高超過設(shè)定值轉(zhuǎn)換為放電狀態(tài)，一旦放電，端電壓又會迅速減小而轉(zhuǎn)換為均衡狀態(tài)，從而形成一個惡性死循環(huán)狀態(tài)。解決辦法如下：當(dāng)電池電壓下降到設(shè)定值附近時開始進(jìn)行脈沖式放電，每隔兩秒放電一秒，從而“真正的”把電池放電到“理想”狀態(tài)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的： 對使用一段時間后的鋰電池組進(jìn)行保養(yǎng)，對各單體鋰離子電池進(jìn)行一次初始化，使他們的端電壓相等。從而達(dá)到提高電池整體性能和延長使用壽命的目標(biāo)。 基本思路： 在電池使用過一段時間后，由于自放電性能、制造工藝等各方面的原因，會導(dǎo)致相同標(biāo)配的單體鋰離子電池間存在電量差別，這也正是問題的所在。 先用信號采集模塊電路對各單體鋰離子電池的電壓進(jìn)行掃描，信息采集；然后分析比較各單體電池的電壓與設(shè)定值的差值；通過控制電路，首先讓各單體鋰離子電池分別放電到設(shè)定值附近；最后再讓所有單體電池鏈接，就像一個連通器一樣，讓所有鋰離子電池的電量大均衡，做到盡可能的使每個單體鋰離子的電量差距最小。這樣就做到了為下次充電時初始化了一個相同的初始電量值，從而達(dá)到了維護(hù)的目的。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、采用模塊化的設(shè)計思想。 2、針對的是新型能源產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的市場前景。 3、響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，倡導(dǎo)綠色生活思想。 4、帶動大眾高效實用及維護(hù)鋰離子電池的意識。 5、作品的創(chuàng)作思想來源于生活運(yùn)用于生活，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)實用性。 6、電池均衡電流達(dá)到0.1A左右，達(dá)到國內(nèi)一流水平。 7、電池大放電達(dá)0.2C放電。 8、對動力鋰離子電池的維護(hù)，在國內(nèi)為首發(fā)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年6月4日在鄭州大學(xué)，參加由校團(tuán)委舉辦的第九屆“挑戰(zhàn)杯”贏響中原活動。
作品所處階段
- 樣機(jī)試驗階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 實物演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 操作步驟： ①連接220V電源 ②用專門導(dǎo)線連接電池和對應(yīng)路數(shù)接口 ③觀察接通燈，看是否接通 ④確定接通后按下電源按鈕觀察掃描電路 ⑤確定無誤后啟動開始按鈕進(jìn)行自動維護(hù) 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1、放電電流10A左右 2、均衡電流0.1A左右 3、對電池組分路、不開分維護(hù) 4、對公交車電池維護(hù)一次大概需要八小時 5、工作電壓220V 使用范圍： 額定電壓3.2V的動力磷酸鐵鋰電池。 推廣前景的技術(shù)說明及市場分析： 現(xiàn)階段純動力鋰離子電動汽車逐漸走向市場，電池的維護(hù)也勢在必行。改產(chǎn)品價格適中，能夠被大多數(shù)消費者接受，并且同類產(chǎn)品在國內(nèi)外的研究甚少，具有非常好的推廣價值和市場前景。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 隨著純鋰動力公交車和電動大巴等綠色純電力汽車的不斷推出，會成立像現(xiàn)在汽車維修服務(wù)站一樣普及的電池維護(hù)站。
同類課題研究水平概述
- 鋰離子等新型動力電池發(fā)展中三個主要技術(shù)關(guān)鍵是：關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)和成組應(yīng)用技術(shù)研究和設(shè)備研制。電池的關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵材料和產(chǎn)品研究都得到了快速發(fā)展。大功率動力電池推廣應(yīng)用的條件已經(jīng)基本成熟。然而，動力電池成組技術(shù)，成組充、放電和維護(hù)管理等成組應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備研究沒有受到應(yīng)有的關(guān)注；使其嚴(yán)重滯后于動力電池的發(fā)展。隨著電池技術(shù)的快速發(fā)展，動力電池維護(hù)已經(jīng)突顯為制約鋰離子等新型動力電池和電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。 當(dāng)前國內(nèi)外對動力鋰離子電池的維護(hù)主要從以下幾個方面： （1）從材料入手 在中式規(guī)模下制備的磷酸亞鐵鋰復(fù)合材料技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，這種材料不僅能夠滿足電動汽車大功率放電的要求，而且在1000次循環(huán)條件下仍循環(huán)性能優(yōu)良，能保持初始容量的90℅以上。 （2）從電池結(jié)構(gòu)入手 采用傳統(tǒng)高壓鍋的設(shè)計原理，在電池上安裝安全閥裝置，避免了電池因過沖過放導(dǎo)致的電池爆炸等安全因素。 （3）保護(hù)電路設(shè)計 鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流 /短路保護(hù)和過度放電保護(hù)等，就是要確保過度充電及放電狀態(tài)時的安全，防止電池副反應(yīng)引發(fā)電池劣化以及危險事件的發(fā)生。 （4）日常生活維護(hù)著手 （5）鋰離子電池充電管理系統(tǒng)的設(shè)計 電池管理系統(tǒng)是對電池的性能和狀態(tài)了解最為全面的設(shè)備，所以將電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)之間建立聯(lián)系，就能使充電機(jī)實時地了解電池的信息，從而更有效地解決電池的充電時產(chǎn)生一些的問題， 當(dāng)電池管理系統(tǒng)提供的最大允許充電電流比充電機(jī)設(shè)計的電流容量高時，充電機(jī)按照設(shè)計的最大輸出電流充電；當(dāng)電池的電壓、溫度超限時，電池管理系統(tǒng)能實時檢測到并及時通知充電機(jī)改變電流輸出；當(dāng)充電電流大于最大允許充電電流時，充電機(jī)開始跟隨最大允許充電電流，這樣就有效地防止了電池過充電，達(dá)到延長電池壽命的目的。充電過程中一旦出現(xiàn)故障，電池管理系統(tǒng)可以將最大允許充電電流設(shè)為0，迫使充電機(jī)停機(jī)，避免發(fā)生事故，保障充電的安全，從而達(dá)到維護(hù)的目的。
