基本信息
- 项目名称：
- 公交车锂离子电池维护仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前锂离子电池已动力电池的主流。人们在不断提高电池本身性能的同时，也在不断地研究和发展电池的维护技术。随着纯锂动力公交车和电动大巴等绿色环保汽车的不断推出，其电池的维护已成为他们日常运行不可缺少的工作之一。 该产品采用模块化的设计思想，在传统电池管理系统的基础上，可以形象的把它比喻成“医生”，诊治管理系统诊断出来的问题。在它的基础上成立像现在汽车维修服务站一样普及的电池维护站。
- 详细介绍：
- 一、产品概况 2009年11月，国务院常务会议决定：到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40％至45％，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。随着国家能源发展战略的调整，电动汽车的应用必将成为未来新能源汽车的主要发展方向。 目前锂离子电池已逐渐替代铅酸蓄电池、镍镉蓄电池成为动力电池的主流。由于锂电池内部的化学反应复杂，人们在不断提高电池本身性能的同时，也在不断的研究和发展电池的使用和维护技术来充分发挥电池的性能和提高电池效率以及使用寿命。 由于单体锂离子电池之间在容量、内阻、衰减特性、自放电等性能方面的差异，电池在使用过一段时间后就会出现各单体锂离子电池端电压存在差异的情况，然后再对锂离子电池组串联充电时，电池组中端电压最小的那只单体锂离子电池将最先充满电，而此时，其他电池还没有充满电，当电池管理系统检测出有一个单体锂离子电池电量充到额定值时就停止对电池组的充电。在使用过程中，没充满电的电池有可能又会出现超负荷放电，久而久之将会造成恶性循环，各单体锂离子电池间的电压差会越来越大，这样不仅对电池有损害，还将严重影响到电池组的整体性能。我们的电池维护仪设计思想就是从这点出发，电池使用过一段时间后，对其维护保养一次，结果就是使存在电压差的各单体锂离子电池重新恢复到端电压基本相等的状态。综上所述我们的保养就相当于对电池组进行了一次电池初始化。 随着电池电子技术的不断发展和应用以及纯锂动力公交车和电动大巴等纯电力绿色环保汽车的不断推出，电池的维护已经成为他们日常运行不可缺少的工作之一。 二、研发前期准备工作 1、创作思路来源 任何商品都有一定的保质期或质保时间，像我们身边的U盘一般质保5年，手机质保1年，笔记本质保2年……同样锂电池也有质保时间。最重要的是，锂电池的用量大，像一辆公交车上面要有200多块锂电池，价格高，不能像U盘一样坏掉了就简单的给用户按规定的说明更换新的。生产厂家要想尽一切办法让自己的产品（锂电池）提高合格率（质保内不出现问题）。山东临沂是最新推出纯锂动力公交的城市之一，其供应商山东中文沂星电动汽车有限公司是国家工信部汽车产品公告内企业，主要研发和生产高档豪华电动大客车及各类专用电动车。他们电动公交车的电池正是由河南环宇新能源公司供应的，我们的项目也由此而来，属于校企联合项目，产品设计的目的就是来提高环宇公司锂电池的应用性能指标。 2、既然有了公交车锂电池维护这一想法，那么接下来是实现 第一、 通过搜索资料了解锂电池以及锂电池在公交上的应用现状。 第二、在简单了解锂电池结构的基础上，查看现有的一般电池的维护方法，参考国内外的锂电池维护研究现状。 第三、设计维护仪维护的方案 通过国内外关于锂电池维护的调研发现，他们都没有从根本上解决电池，尤其是串联锂离子电池组性能下降的问题。问题的关键就落在了让所有的单体锂离子电池在充电的时候电压尽可能的一致。 3、怎么样使各单体锂离子电池的初始充电电压一致或基本上一致 现有的技术有两种方法：第一种方法是耗能型，实现起来容易，缺点是发热严重，且造成能源浪费；第二种方法是能量转移型，绿色环保响应国家节能减排号召，但是实现起来极度困难，现有的技术转移电流只能达到1A左右，这样一来对电池维护一次大约要用几十个小时，经济效益不明显。显而易见我们设计的产品要兼顾这两种思想的优点，避开他们的缺点。 通过放电使其电压达到基本一致，误差在0.1V左右。所以放电后各单体锂离子电池的电压并不会严格上相等，针对这个问题，通过联想连通器，我们想到了均衡思想，让放电后的所有单体锂离子电池内部电量均衡，误差达到0.01V。 4、电路的整体设计，由导师指导完成 模块的搭建、原理图的绘制、布线、pcb板的制作、外壳封装形式等。 三、整体设计思路 其中涉及几个技术难题： 1、模块电压的采集 因为维护仪要通过导线连接电池，电池的额定电压3.2V，放电电流要达到10A，纵使0.1Ω的导线电阻也会带来1V的误差，这是绝对不允许的。针对这个问题的解决办法：用双导线代替单导线，其中一根专门用来放电，另一根专门用来采集端电压，流过其导线的电阻很小，电压降很小可忽略不计。 2、控制放电和均衡的转换标准设定 电池以10A左右的大电流放电，电池的端电压会迅速下降，我们设定的值是2.7-2.8V，电池端电压下降到这个值附近就停止放电而进行均衡。显而易见，均衡时的电流很小，相当于开路，这时采集的端电压又会迅速升高超过设定值转换为放电状态，一旦放电，端电压又会迅速减小而转换为均衡状态，从而形成一个恶性死循环状态。解决办法如下：当电池电压下降到设定值附近时开始进行脉冲式放电，每隔两秒放电一秒，从而“真正的”把电池放电到“理想”状态。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的： 对使用一段时间后的锂电池组进行保养，对各单体锂离子电池进行一次初始化，使他们的端电压相等。从而达到提高电池整体性能和延长使用寿命的目标。 基本思路： 在电池使用过一段时间后，由于自放电性能、制造工艺等各方面的原因，会导致相同标配的单体锂离子电池间存在电量差别，这也正是问题的所在。 先用信号采集模块电路对各单体锂离子电池的电压进行扫描，信息采集；然后分析比较各单体电池的电压与设定值的差值；通过控制电路，首先让各单体锂离子电池分别放电到设定值附近；最后再让所有单体电池链接，就像一个连通器一样，让所有锂离子电池的电量大均衡，做到尽可能的使每个单体锂离子的电量差距最小。这样就做到了为下次充电时初始化了一个相同的初始电量值，从而达到了维护的目的。
科学性、先进性
- 1、采用模块化的设计思想。 2、针对的是新型能源产业，具有广阔的市场前景。 3、响应国家节能减排号召，倡导绿色生活思想。 4、带动大众高效实用及维护锂离子电池的意识。 5、作品的创作思想来源于生活运用于生活，具有很强的经济实用性。 6、电池均衡电流达到0.1A左右，达到国内一流水平。 7、电池大放电达0.2C放电。 8、对动力锂离子电池的维护，在国内为首发。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年6月4日在郑州大学，参加由校团委举办的第九届“挑战杯”赢响中原活动。
作品所处阶段
- 样机试验阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 操作步骤： ①连接220V电源 ②用专门导线连接电池和对应路数接口 ③观察接通灯，看是否接通 ④确定接通后按下电源按钮观察扫描电路 ⑤确定无误后启动开始按钮进行自动维护 技术特点和优势： 1、放电电流10A左右 2、均衡电流0.1A左右 3、对电池组分路、不开分维护 4、对公交车电池维护一次大概需要八小时 5、工作电压220V 使用范围： 额定电压3.2V的动力磷酸铁锂电池。 推广前景的技术说明及市场分析： 现阶段纯动力锂离子电动汽车逐渐走向市场，电池的维护也势在必行。改产品价格适中，能够被大多数消费者接受，并且同类产品在国内外的研究甚少，具有非常好的推广价值和市场前景。经济效益预测： 随着纯锂动力公交车和电动大巴等绿色纯电力汽车的不断推出，会成立像现在汽车维修服务站一样普及的电池维护站。
同类课题研究水平概述
- 锂离子等新型动力电池发展中三个主要技术关键是：关键材料、关键技术和成组应用技术研究和设备研制。电池的关键技术、关键材料和产品研究都得到了快速发展。大功率动力电池推广应用的条件已经基本成熟。然而，动力电池成组技术，成组充、放电和维护管理等成组应用技术和设备研究没有受到应有的关注；使其严重滞后于动力电池的发展。随着电池技术的快速发展，动力电池维护已经突显为制约锂离子等新型动力电池和电动汽车产业发展的重要问题。 当前国内外对动力锂离子电池的维护主要从以下几个方面： （1）从材料入手 在中式规模下制备的磷酸亚铁锂复合材料技术已达到国际先进水平，这种材料不仅能够满足电动汽车大功率放电的要求，而且在1000次循环条件下仍循环性能优良，能保持初始容量的90℅以上。 （2）从电池结构入手 采用传统高压锅的设计原理，在电池上安装安全阀装置，避免了电池因过冲过放导致的电池爆炸等安全因素。 （3）保护电路设计 锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流 /短路保护和过度放电保护等，就是要确保过度充电及放电状态时的安全，防止电池副反应引发电池劣化以及危险事件的发生。 （4）日常生活维护着手 （5）锂离子电池充电管理系统的设计 电池管理系统是对电池的性能和状态了解最为全面的设备，所以将电池管理系统和充电机之间建立联系，就能使充电机实时地了解电池的信息，从而更有效地解决电池的充电时产生一些的问题， 当电池管理系统提供的最大允许充电电流比充电机设计的电流容量高时，充电机按照设计的最大输出电流充电；当电池的电压、温度超限时，电池管理系统能实时检测到并及时通知充电机改变电流输出；当充电电流大于最大允许充电电流时，充电机开始跟随最大允许充电电流，这样就有效地防止了电池过充电，达到延长电池寿命的目的。充电过程中一旦出现故障，电池管理系统可以将最大允许充电电流设为0，迫使充电机停机，避免发生事故，保障充电的安全，从而达到维护的目的。
