动力电池pack (22)

新能源汽车新能源汽车锂离子电池组的设计与应用锂离子电池组的设计与应用目录v锂离子电池为何可并联应用？锂离子电池为何可并联应用？v电池串并联组合的可靠性电池串并联组合的可靠性v大容量电池与小容量电池并联特征大容量电池与小容量电池并联特征v小电池并联与大电池的安全性比较小电池并联与大电池的安全性比较v不同结构的电池特性不同结构的电池特性v电池组合形式电池组合形式v均衡的目的和意义均衡的目的和意义v电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大？电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大？v纯电动汽车用动力电源系统的设计纯电动汽车用动力电源系统的设计锂离子电池为何可并联应用？锂离子电池为何可并联应用？锂离子电池的充电特点v电压严格限制，受温度等变动影响不大；超出电压容易受损。v充电电压单调变化（镍氢电池充电后期会出现电压下降现象）v充电效率高，充电过程中基本无副反应锂电池为何能并联？v充电为最高电压限制，并联电池电压一致v充电、放电电压单方向变化v电压限制参数受温度等外界因素影响不大并联电池的优点v小电池并联比直接采用大电池安全性更好v小电池并联比直接采用大电池的电流通过能力强v使用过程中并联电池之间电流可以根据各电池的能力自行分配，提高系统的综合性能v小电池并联形成的大电池，在相对电流分布、温度分布方面更均匀，从而使系统寿命和可靠性更高。v生产加工方便：可以仅生产几种规格的小容量电池，根据需求并联成不同的容量v设计合理，可以进行单只电池维护与更换，降低维护成本。并联电池需注意的问题v电池并联设计必须保证通过每只电池的电流大小理论上一致。即保证并联电池的内阻基本一致v并联电池的自放电基本一致。v并联电池容量不能差别太大。电池串并联组合的可靠性电池串并联组合的可靠性影响单体电池可靠性的主要因素v单体电池的可靠性与各部件的可靠性有关：外壳（r1)、隔膜(r2)、正极组(r3)、负极组(r4)、电解液(r5)等电池的可靠性=r1r2r3r4r5 v外壳、电解液等部件的可靠性在电池分选、配组时控制，可以控制为1v可靠性大部分是由电极的不可靠性（如毛刺等）引起。电极和隔膜的可靠性仅与其应用面积有关；同样容量下，小电池并联与大电池电极面积是基本相同的 结论：小电池并联与大电池可靠性相同结论：小电池并联与大电池可靠性相同v电池制作工艺上，小电池的可靠性与成品率要高于大电池v小电池并联在温度、寿命方面比大电池更有优势。不同组合方式的数学模型v可靠性方面串联数学模型：并联数学模型：串并联数学模型：并串联数学模型：Rs(t)表示系统的可靠度；R=（1，2，3，n)表示第i个单元的可靠度。并串联与串并联比较v可靠性比较 设单个电池的可靠度相同，Ri=0.99，100只电池串联，4只电池并联：并串联可靠度：0.999999 串并联可靠度：0.8385v电池管理成本锂电池需要管理到每只单体先串联后并联需要增加管理系统成本先串联后并联的电路无环流处理单体电池具有独立可靠性的比较v组合要求：100只电池串联两种电池形式v1：10只10Ah电池并联成100Ahv2：100Ah单体电池v假设条件：电池可靠性仅与电极面积大小有关。10Ah电池可靠性为0.999,则100Ah电池可靠性约为0.99。v单体电池可靠性不独立（并联电池有1只故障，则并联组合失效）：方案1的可靠性 R1（0.99910）1000.366方案2的可靠性 R2（0.99）1000.366结论：1 串联电池数量越多，电池组可靠性越低 2 100只电池串联电池组保证0.9的可靠性，单体电池可靠性需达到0.999 3 单体电池可靠性不独立，则大电池、小电池并串联组合可靠性相同。单体电池具有独立可靠性的比较v单体电池可靠性独立（并联电池有1只故障，并不影响其他电池的应用）：方案1的可靠性 若有2只电池或2只以上的电池损坏，则并联组失效（按容量80%终止假设）R1（0.99910+C1090.9999*0.001）1000.991方案2的可靠性 R2（0.99）1000.366结论：结论：1 合理的电池设计和合理的电池设计和PACK设计可提高电池组的可靠性设计可提高电池组的可靠性 2 单体电池可靠性独立，采用小电池并联可大幅度提高电池组可单体电池可靠性独立，采用小电池并联可大幅度提高电池组可靠性靠性 大容量电池与小容量电池并联特征大容量电池与小容量电池并联特征大容量电池的特点v优点组合方便指标占优势（体积比能量、质量比能量等）组合方便，仅需考虑串联组合应用体积优势v缺点工艺复杂，合格率低内部电流密度、温度的分布均匀性部分结构电池（如软包装等，引流能力受限）小容量电池的特点v优点电池表面积/体积大，散热性能好 圆柱：比表面积/体积=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半径；方形电池时，比表面积、体积=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、c分别指电池的长、宽、高）安全系数高v缺点大容量电池需并联应用串并联组合设计复杂，组合成本高串并联组合体积大，影响部分应用小容量电池串并联与大容量电池的安全性v突发性安全事故过充电、过放电、外部短路等可以通过外电路保护穿刺、挤压、冲击等外部环境造成的安全问题单体电池内部短路或电池组内部分短路的自身安全性问题v最常见的是电池内部为短路、短路等引起的安全性问题热量分布均匀性小电池并联与大电池的安全性比较小电池并联与大电池的安全性比较电动汽车对电池安全性的要求v安全性是电动汽车第一指标。v电动汽车电池的使用特点：高速移动、剧烈震动、高温工作、快速充放电，潜在着撞击、刺伤、短路、跌落、浸水、火烧、甚至枪击的可能性。v因此，电动汽车对动力电池的安全性要求极高，对百万分之一百万分之一的非安全概率的非安全概率都会造成极其严重的后果，它意味着大陆年产100万辆新能源汽车每年都要发生多起安全事故。v对锂动力电池科研、生产、使用过程：召回制度、安全隐患对锂电池企业是致命性的打击。v安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题安全是锂动力电池永久的话题。世界上没有绝对安全的电池v电池是能量的载体，本质上就存在不安全因素。v不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺参数，使用环境，使用程度，都对安全性有较大的影响。v所有的安全性均与温度有关：控制温度的重要性。v所有电池包括一次电池、各类二次电池，均存在安全性问题安全性本质：电池中的能量以20Ah锂离子电池为例:v20Ah（3.6V）72Wh 259.2KJv1 克TNT 4.20KJv20Ah锂离子电池的能量 61.7克TNT能量20Ah20Ah锂离子电池仅锂离子电池仅存储的电能存储的电能相当于相当于61.761.7克克TNTTNT炸药的能量。炸药的能量。以上计算还未计以上计算还未计电解液电解液燃烧所含能量，及燃烧所含能量，及正极活性物质正极活性物质分解的能量。分解的能量。电解液的能量v锂离子电池的电解液用量 6mL/AHv汽油的密度 0.71克/mLv1 克汽油 42KJv1 克TNT 4.183KJv1 Ah电池的电解液能量 178.9KJv1 Ah电池的电解液能量 42.6克 TNTv20 Ah电池的电解液能量 832克 TNT注意：该能量不具备直接爆炸条件注意：该能量不具备直接爆炸条件安全性结论1、电池容量越高，贮存能量越多，安全性越差2、保护措施 外置保护电路 内装置PTC（但会增加电池内阻）电解液添加阻燃剂（会影响电池性能）3、热管理的重要性4、外部保护不能解决电池内部问题 电池设计 质量控制 PACK设计安全性比较v小容量电池容易实现多充保护措施(单体电池保护设计）电池容量低，出现问题能量释放少，对周围电池影响小v大容量电池保护措施少内部问题释放能量大，连锁反应引起周围电池故障，安全失控v随着动力电池使用次数的增多，电池的内阻增大，容量逐渐降低，电池性能逐渐变坏。v循环后的安全性对热扰动性敏感性更大。v电池的安全性是相对的，一定循环次数之前的电池安全测试是合格的，而经过一定循环次数后电池将呈现出不安全因素。安全性随使用循环变坏不同结构的电池特性不同结构的电池特性结构特点比较圆柱形柱形方形方形软包装包装安全性安全阀双重保护，PTC泄气阀外壳保护耐压性高中差功率性能好较好一般组合体积大小小组合成本高低低形状标准壳体金属或塑料壳体，改变较难可以制作成各种大小电池散热性能良好一般差工艺性成熟，易于自动化生产一般一般组合特点体积大，散热表面大组合体积小，组合工艺简单组合工艺较简单，机械强度低应用领域广泛（动力类及消费类）动力电池动力电池电池结构 软包装软包装 方形方形 圆柱圆柱电池结构代表性厂家v圆柱形产品：A123、Valance、力神、CENS、微宏等v方形电池：星恒、雷天、洛阳天空、力神、ATL、国轩等v软包装：中信国安、万向、双登、丰江等 相对来讲，纯电动汽车用软包装和方形电池居多，混合电动车用圆柱和方形（金属壳体）居多。电池组合形式电池组合形式圆柱电池的并串联组合形式v最常用的方法：并排焊接问题1：焊接的不可靠性问题2：导电连接体局部电流密度过大问题3：一个方向组合，叠层组合难度大问题4：连接件的锈蚀改装Prius车电源系统（圆柱锂离子电池）圆柱形电池的串并联组合形式1、采用一种蜂窝状的结构，电池之间通过蜂窝状结构实现并联，上、下盖板设计有正负电极及固定件。2、螺栓、螺柱结构设计 圆柱电池组合形式福特车电源系统（Ni-MH)圆柱电池组合形式焊接方式的圆柱串并联组合系统圆柱形电池的串并联组合形式v柔性防振动串并联组合设计v密封散热结构设计连接可靠，连接可靠，导流面积大导流面积大多方向组合多方向组合连接连接防震弹片式串并联组合方形电池组合形式Prius车电源系统方形电池组合形式混合电动客车用车电源系统（Ni-MH)软包装电池组合形式串并联组合设计注意点v如何降低电池组合的内阻v串联容量的一致性v并联内阻的均匀性v单体电池电流的均匀性国内与国外电池及系统设计的差别 1 注重电池与组合、系统整体设计注重电池与组合、系统整体设计 2 注重应用过程中的均一性设计（温度、电流）注重应用过程中的均一性设计（温度、电流）Prius电池结构的改进均衡的目的和意义均衡的目的和意义现有的均衡技术v不能解决电池实际容量的差别电池组容量由最低电池容量确定，不可能因为均衡而使电池组容量超过最低单体容量v均衡对保护是否有作用有专门的充放电保护，不能起到作用v实时均衡或放电均衡是否对电池组容量有作用放电期间大部分时间电压差别很小，只在最后有作用；均衡电流有限，作用不明显v混合动力应用中实时均衡可在一定程度上提高一致性，延长维护周期均衡的目的 均衡的目的是补充由于电池自放电等不一致引起的电池容量的差别，电池实际容量仍基本保持一致。电池自身自放电引起的差别应用中环境不一致引起的自放电差别 均衡电流的大小v 弥补电池自放电引起的差别 假设电池自放电每月最大差别10%，电池组容量500Ah。充电时间58h，均衡时间4h，每次充电后均衡完全，则：均衡电流=（50/（30*4）=417mA 每次均衡充电满足4h，均衡电流400500mA即可。均衡的研究与发展v目前通常仅依靠电压或电压差别来考虑均衡v如何将电池内阻等参数结合进去v放电均衡的高效果实现电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大宏观环境的差异v实际适用环境温度与试验温度的差异 温度对寿命影响符合Arrhenius公式 20与21 的寿命系数：f=exp（E/R（1/294-1/293）=exp-50000/8.314（1/294-1/293）=1.0723）升高1，失效速度增加约7%。温度每升高10其退化速度就增加1倍 电池组热管理的主要原因之一电池组热管理的主要原因之一。电池包内环境温度的差异v通常控制电池包内温差不超过5v5的差别电池之间衰减速度差别就达30%控制电池包温差的主要原因之一控制电池包温差的主要原因之一微观环境的影响v电池模块内温度的差异应用中不能检测到每只电池的温度模块内不同部位电池的温度差异模块散热表面与单体电池散热表面的差异v单体电池内部温度的差异电池各部位所处环境温度的不一致v电池组设计电流分布的差异PACK设计的重要性设计的重要性电池自身一致性的影响v电池组单体电池容量一致性的差异v组合电池容量的控制v电池内阻/极化内阻的控制 组合初期电池一致性的重要性组合初期电池一致性的重要性使用状况的复杂型v行驶工况的差异v安装位置的差异v行驶习惯的差异v充电条件的差异 针对实际应用条件设计的重要性针对实际应用条件设计的重要性纯电动汽车用动力电源系统的设计纯电动汽车用动力电源系统的设计 动力电源系统设计目的 根据整车的设计要求，为其提供具有最佳使用性能的动力电源系统。v安全性要求v电性能要求v电池选型与系统配置 要解决的问题v在允许的尺寸、重量范围内进行结构和工艺设计，使其满足整车系统的用电要求v寻找简单可行的工艺v降低成本v在条件许可的情况下，提高产品的技术性能v克服和解决环境污染问题设计流程确定的参数与解决的问题（1）电气特性：标称电压及运行电压范围标称容量及可用容量范围电源系统常规放电电流电源系统充电要求（2）功率特性电源系统最大输出功率及持续时间电源系统最大反馈功率及持续时间（3）环境特性电源系统使用温度范围充电温度范围贮存温度范围确定的参数与解决的问题（4）物理特性电源系统的结构组成与尺寸电源系统质量 其他机械性能、防护性能等要求（5）BMS要求BMS具备的管理与保护功能 电池的SOC、SOH判断通讯方式及收发器件设计要求 控制要求及通讯协议（6）整车接口要求物理接口：包括电池安装、固定方式、冷却介质的空间走向、相关管路电气接口：包括整车线束定义及技术规范、连接件的型号及管脚定义通讯接口：包括与整车的通讯、BMS内部通讯、与充电机通讯需要了解的整车信息 对整车的了解越详细，设计的电源系统越完善。不仅仅是电机、整车控制策略等会影响到电源系统的设计，整车的质量、尺寸、空间、运行工况等均需进行详细了解。v1）整车参数v2）整车电机参数v3）整车要求的续驶里程v4）反馈功率v5）电源系统安装空间尺寸，安装固定要求v6）电源系统质量要求v7）充电方式及接口v8）车辆行驶工况v9）使用环境温度范围v10）充电环境温度范围v11）辅助系统功率要求v12）辅助电源特征参数电源系统设计步骤v1）确定整车设计要求v2）确定电机要求v3）确定电源系统的功率需求v4）确定电源系统的电压范围v5）确定电源系统所需电池类型v6）确定电源系统的SOC应用范围v7）确定电源系统的有效容量范围和实际容量v8）确定电源系统组合结构形式v9）确定电源系统BMS要求v10）确定电源系统的接口v11）确定其他的散热方式、气体来源、充电方式等v12）仿真模拟验证v13）设计优化车辆参数（1）确定车辆的功率需求v汽车功率平衡关系应满足：v最高车速对应的车辆功率需求Pv1为：v最大爬坡度m对应的车辆需求功率Pv2为，v原地起步加速到指定加速时间T如下式，全力加速时需求功率Pv3。可以得到车辆的最高车速、最大爬坡度和全力加速时车辆对应的功率需求。分别为98.7KW，91.8KW、65KW。（2）确定系统电压范围 v根据整车所选择的电机，确定电源系统的标称电压及电压应用范围。v国标中推荐的电动汽车电机的电源电压等级为：120 V、144 V、168 V、192 V、216 V、240 V、264 V、288 V、312 V、336 V、360 V、384 V、408 V等。v标准要求电机及控制器在电源电压为12075%额定电压值下安全承受最大电流。保证直流总线电压不低于电机额定电压的80%。v整车采用384V的电机为例。电源系统的正常工作电压应在300460V的范围内。选用LiFePO4体系的锂离子电池，120只串联的系统。（3）电源系统最大输出功率/电流v电源系统功率需求 电机功率为110KW，假设电机转换效率及控制器效率分别为0.9及0.95，电子附件、空调等功率8KW，则电源系统需求的最低功率为110/（0.90.95）+8=137KW。v最大输出电流 系统标称电压384V。大功率输出下以低于标称电压10%计算。Idmax=Pmax/V=137000/（3840.9）=396A v持续时间 以整车要求为准 注意SOC要求（30%SOC下的最大功率需求）v设计冗余 保证30%的设计冗余是必要的（4）最大回馈电流的确定 v回馈功率与车辆控制策略有关v回馈功率小于电机的最大功率。110KW电机最大发电功率约70KW，则回馈承受的电流约为：Icmax=70000/432=162Av回馈时间：据车辆工况要求定（如10s)vSOC范围：根据电池特性确定，如在70%SOC。v车辆的制动回馈策略：机械制动和电机制动能量回收的比例。电机回馈功率通常较小，实际功率小于最大发电功率。按50%的最大功率回收，则反馈功率为55KW，电流约为100A。（5）电源系统SOC应用范围确定 v为更好的保护电源系统，一般应用中不提倡将电源系统完全充满电，放电时不提倡完全放电彻底，否则容易损坏电池。一般建议充电到95100%，放电应剩余510%的容量，可以更好的保护系统中的弱势电池。v建议应用范围在1090%SOC。（6）电源系统容量的确定(a)v根据平均行驶速度与里程计算 平均行驶速度为40Km/h，平均输出功率为25KW。电机标称电压为384V，行驶里程要求不低于200Km。则电源系统的容量为：25000*200/（40*384）=325Ah SOC应用范围为1090%。则实际电源系统的容量应能达到 325/0.8=407Ah（6）电源系统容量的确定(b)v根据每公里能耗计算 车辆每公里能耗约为0.63KWh，续驶里程要求200Km，系统标称电压384V。则：电源系统容量=200*630/384=328Ah 即电池组实际应能提供328Ah的容量。电源系统的容量应为328/0.8=410Ah（0.8为车辆应用SOC范围）。（6）电源系统容量的确定(c)v根按照车辆参数计算 车辆平均行驶速度为40km/h，续驶里程200km。则要求连续行驶时间：t=5h 车辆行驶功率需求为：Pv1=25KW 则需要的能量为：W=25*5=125KWh C=125*1000/（384*0.8）=407Ahv冗余设计 在进行容量的设计确定时，需要考虑冗余，一般设计冗余在30%（可根据实际情况确定）。该设计可以采用500Ah的电源系统。(7)电池组散热设计 v根据车辆正常使用工况，计算车辆在正常行驶过程中产生的热量及可能引起的温升情况；根据充电要求计算充电过程中的产热情况。v根据计算情况确定所采取的散热方式等。（8）电池组散热设计v根据充放电曲线简单计算v根据直流内阻简单计算 （9）系统BMS功能的设计v按照选用的电池类型要求、整车控制要求、通讯协议要求等设计BMS的功能。v根据选用的电池特性确定均衡电流的大小 系统采用500Ah的磷酸铁锂电池，电池自放电大约为每月5%（假设电池之间每月容量差别在5%），每天充电均衡时间在2h左右，则均衡电流应达到500*5%/（30*2）=0.417A，才能达到消除自放电引起的容量差别。（10）系统结构设计 采用多个电池包的设计方案，并且根据车辆的空间位置，以及在车辆上的排布，确定每个电池包的尺寸和大小。为加工及维修方便，在条件允许下，电池包应为统一规格。每只电池包的重量不能太大，否则影响搬运、安装。（11）充电系统要求 纯电动车一般在地面充电，此时根据所选用的电池类型、电源系统的散热特点、所要求的充电时间等，确定系统充电机的制度与参数、通讯要求。系统设计参数