動力鋰離子電池組的設(shè)計與應用.ppt

1、新能源汽車鋰離子電池組的設(shè)計與應用,目錄,鋰離子電池為何可并聯(lián)應用？ 電池串并聯(lián)組合的可靠性 大容量電池與小容量電池并聯(lián)特征 小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較 不同結(jié)構(gòu)的電池特性 電池組合形式 均衡的目的和意義 電池組的壽命與單體電池壽命為何差異巨大？ 純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計,鋰離子電池為何可并聯(lián)應用？,鋰離子電池的充電特點,電壓嚴格限制，受溫度等變動影響不大；超出電壓容易受損。 充電電壓單調(diào)變化（鎳氫電池充電后期會出現(xiàn)電壓下降現(xiàn)象） 充電效率高，充電過程中基本無副反應,鋰電池為何能并聯(lián)？,充電為最高電壓限制，并聯(lián)電池電壓一致 充電、放電電壓單方向變化 電壓限制參數(shù)受溫度等外界因素影響不

2、大,并聯(lián)電池的優(yōu)點,小電池并聯(lián)比直接采用大電池安全性更好 小電池并聯(lián)比直接采用大電池的電流通過能力強 使用過程中并聯(lián)電池之間電流可以根據(jù)各電池的能力自行分配，提高系統(tǒng)的綜合性能 小電池并聯(lián)形成的大電池，在相對電流分布、溫度分布方面更均勻，從而使系統(tǒng)壽命和可靠性更高。 生產(chǎn)加工方便：可以僅生產(chǎn)幾種規(guī)格的小容量電池，根據(jù)需求并聯(lián)成不同的容量 設(shè)計合理，可以進行單只電池維護與更換，降低維護成本。,并聯(lián)電池需注意的問題,電池并聯(lián)設(shè)計必須保證通過每只電池的電流大小理論上一致。即保證并聯(lián)電池的內(nèi)阻基本一致 并聯(lián)電池的自放電基本一致。 并聯(lián)電池容量不能差別太大。,電池串并聯(lián)組合的可靠性,影響單體電池可靠性的

3、主要因素,單體電池的可靠性與各部件的可靠性有關(guān)： 外殼（r1)、隔膜(r2)、正極組(r3)、負極組(r4)、電解液(r5)等 電池的可靠性=r1r2r3r4r5 外殼、電解液等部件的可靠性在電池分選、配組時控制，可以控制為1 可靠性大部分是由電極的不可靠性（如毛刺等）引起。 電極和隔膜的可靠性僅與其應用面積有關(guān)； 同樣容量下，小電池并聯(lián)與大電池電極面積是基本相同的 結(jié)論：小電池并聯(lián)與大電池可靠性相同 電池制作工藝上，小電池的可靠性與成品率要高于大電池 小電池并聯(lián)在溫度、壽命方面比大電池更有優(yōu)勢。,不同組合方式的數(shù)學模型,可靠性方面 串聯(lián)數(shù)學模型： 并聯(lián)數(shù)學模型： 串并聯(lián)數(shù)學模型： 并串聯(lián)數(shù)學

4、模型： Rs(t)表示系統(tǒng)的可靠度； R=（1，2，3，n)表示第i個單元的可靠度。,并串聯(lián)與串并聯(lián)比較,可靠性比較 設(shè)單個電池的可靠度相同，Ri=0.99，100只電池串聯(lián)，4只電池并聯(lián)： 并串聯(lián)可靠度：0.999999 串并聯(lián)可靠度：0.8385 電池管理成本 鋰電池需要管理到每只單體 先串聯(lián)后并聯(lián)需要增加管理系統(tǒng)成本 先串聯(lián)后并聯(lián)的電路無環(huán)流處理,單體電池具有獨立可靠性的比較,組合要求： 100只電池串聯(lián) 兩種電池形式 1：10只10Ah電池并聯(lián)成100Ah 2：100Ah單體電池 假設(shè)條件： 電池可靠性僅與電極面積大小有關(guān)。 10Ah電池可靠性為0.999,則100Ah電池可靠性約為0

5、.99。 單體電池可靠性不獨立（并聯(lián)電池有1只故障，則并聯(lián)組合失效）： 方案1的可靠性 R1（0.99910）1000.366 方案2的可靠性 R2（0.99）1000.366 結(jié)論：1 串聯(lián)電池數(shù)量越多，電池組可靠性越低 2 100只電池串聯(lián)電池組保證0.9的可靠性，單體電池可靠性需達到0.999 3 單體電池可靠性不獨立，則大電池、小電池并串聯(lián)組合可靠性相同。,單體電池具有獨立可靠性的比較,單體電池可靠性獨立（并聯(lián)電池有1只故障，并不影響其他電池的應用）： 方案1的可靠性 若有2只電池或2只以上的電池損壞，則并聯(lián)組失效（按容量80%終止假設(shè)） R1（0.99910+ C1090.9999

6、*0.001）1000.991 方案2的可靠性 R2（0.99）1000.366 結(jié)論：1 合理的電池設(shè)計和PACK設(shè)計可提高電池組的可靠性 2 單體電池可靠性獨立，采用小電池并聯(lián)可大幅度提高電池組可靠性,大容量電池與小容量電池并聯(lián)特征,大容量電池的特點,優(yōu)點 組合方便 指標占優(yōu)勢（體積比能量、質(zhì)量比能量等） 組合方便，僅需考慮串聯(lián)組合 應用體積優(yōu)勢 缺點 工藝復雜，合格率低 內(nèi)部電流密度、溫度的分布均勻性 部分結(jié)構(gòu)電池（如軟包裝等，引流能力受限）,小容量電池的特點,優(yōu)點 電池表面積/體積大，散熱性能好 圓柱：比表面積/體積=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半徑； 方形電池時，比表

7、面積、體積=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、c分別指電池的長、寬、高） 安全系數(shù)高 缺點 大容量電池需并聯(lián)應用 串并聯(lián)組合設(shè)計復雜，組合成本高 串并聯(lián)組合體積大，影響部分應用,小容量電池串并聯(lián)與大容量電池的安全性,突發(fā)性安全事故 過充電、過放電、外部短路等可以通過外電路保護 穿刺、擠壓、沖擊等外部環(huán)境造成的安全問題 單體電池內(nèi)部短路或電池組內(nèi)部分短路的自身安全性問題 最常見的是電池內(nèi)部為短路、短路等引起的安全性問題,熱量分布均勻性,小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較,電動汽車對電池安全性的要求,安全性是電動汽車第一指標。 電動汽車電池的使用特點： 高速移動、劇烈震動、高溫工作、快速充放電，

8、潛在著撞擊、刺傷、短路、跌落、浸水、火燒、甚至槍擊的可能性。 因此，電動汽車對動力電池的安全性要求極高，對百萬分之一的非安全概率都會造成極其嚴重的后果，它意味著大陸年產(chǎn)100萬輛新能源汽車每年都要發(fā)生多起安全事故。 對鋰動力電池科研、生產(chǎn)、使用過程：召回制度、安全隱患對鋰電池企業(yè)是致命性的打擊。 安全、安全、再安全是鋰動力電池永久的話題。,世界上沒有絕對安全的電池,電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不安全因素。 不同的電化學體系，不同的容量，使用工藝參數(shù)，使用環(huán)境，使用程度，都對安全性有較大的影響。 所有的安全性均與溫度有關(guān)：控制溫度的重要性。 所有電池包括一次電池、各類二次電池，均存在安全性問題

9、,安全性本質(zhì)：電池中的能量,以20Ah鋰離子電池為例: 20Ah （3.6V） 72Wh 259.2KJ 1 克TNT 4.20KJ 20Ah鋰離子電池的能量 61.7克TNT能量,20Ah鋰離子電池僅存儲的電能相當于61.7克TNT炸藥的能量。 以上計算還未計電解液燃燒所含能量，及正極活性物質(zhì)分解的能量。,電解液的能量,鋰離子電池的電解液用量 6mL/AH 汽油的密度 0.71克/mL 1 克汽油 42KJ 1 克TNT 4.183KJ 1 Ah電池的電解液能量 178.9KJ 1 Ah電池的電解液能量 42.6克 TNT 20 Ah電池的電解液能量 832克 TNT,注意：該能量不具備直接

10、爆炸條件,安 全 性 結(jié) 論,1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差 2、保護措施 外置保護電路 內(nèi)裝置PTC（但會增加電池內(nèi)阻） 電解液添加阻燃劑（會影響電池性能） 3、熱管理的重要性 4、外部保護不能解決電池內(nèi)部問題 電池設(shè)計 質(zhì)量控制 PACK設(shè)計,安全性比較,小容量電池 容易實現(xiàn)多充保護措施(單體電池保護設(shè)計） 電池容量低，出現(xiàn)問題能量釋放少，對周圍電池影響小 大容量電池 保護措施少 內(nèi)部問題釋放能量大，連鎖反應引起周圍電池故障，安全失控,隨著動力電池使用次數(shù)的增多，電池的內(nèi)阻增大，容量逐漸降低，電池性能逐漸變壞。 循環(huán)后的安全性對熱擾動性敏感性更大。 電池的安全性是相對的， 一定

11、循環(huán)次數(shù)之前的電池安全測試是合格的，而經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后電池將呈現(xiàn)出不安全因素。,安全性隨使用循環(huán)變壞,不同結(jié)構(gòu)的電池特性,結(jié)構(gòu)特點比較,電池結(jié)構(gòu),軟包裝,方形,圓柱,電池結(jié)構(gòu),代表性廠家,圓柱形產(chǎn)品：A123、Valance、力神、CENS、微宏等 方形電池：星恒、雷天、洛陽天空、力神、ATL、國軒等 軟包裝：中信國安、萬向、雙登、豐江等 相對來講，純電動汽車用軟包裝和方形電池居多，混合電動車用圓柱和方形（金屬殼體）居多。,電池組合形式,圓柱電池的并串聯(lián)組合形式,最常用的方法：并排焊接 問題1：焊接的不可靠性 問題2：導電連接體局部電流密度過大 問題3：一個方向組合，疊層組合難度大 問題4：

12、連接件的銹蝕,改裝Prius車電源系統(tǒng)（圓柱鋰離子電池）,圓柱形電池的串并聯(lián)組合形式,1、采用一種蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，電池之間通過蜂窩狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)并聯(lián)，上、下蓋板設(shè)計有正負電極及固定件。 2、螺栓、螺柱結(jié)構(gòu)設(shè)計,圓柱電池組合形式,福特車電源系統(tǒng)（Ni-MH),圓柱電池組合形式,焊接方式的圓柱串并聯(lián)組合系統(tǒng),圓柱形電池的串并聯(lián)組合形式,柔性防振動串并聯(lián)組合設(shè)計 密封散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計,連接可靠，導流面積大,多方向組合連接,防震彈片式串并聯(lián)組合,方形電池組合形式,Prius車電源系統(tǒng),方形電池組合形式,混合電動客車用車電源系統(tǒng)（Ni-MH),軟包裝電池組合形式,串并聯(lián)組合設(shè)計注意點,如何降低電池組合的內(nèi)阻 串聯(lián)

13、容量的一致性 并聯(lián)內(nèi)阻的均勻性 單體電池電流的均勻性,國內(nèi)與國外電池及系統(tǒng)設(shè)計的差別,1 注重電池與組合、系統(tǒng)整體設(shè)計 2 注重應用過程中的均一性設(shè)計（溫度、電流）,Prius電池結(jié)構(gòu)的改進,均衡的目的和意義,現(xiàn)有的均衡技術(shù),不能解決電池實際容量的差別 電池組容量由最低電池容量確定，不可能因為均衡而使電池組容量超過最低單體容量 均衡對保護是否有作用 有專門的充放電保護，不能起到作用 實時均衡或放電均衡是否對電池組容量有作用 放電期間大部分時間電壓差別很小，只在最后有作用； 均衡電流有限，作用不明顯 混合動力應用中實時均衡可在一定程度上提高一致性，延長維護周期,均衡的目的,均衡的目的是補充由于電

14、池自放電等不一致引起的電池容量的差別，電池實際容量仍基本保持一致。 電池自身自放電引起的差別 應用中環(huán)境不一致引起的自放電差別,均衡電流的大小,彌補電池自放電引起的差別 假設(shè)電池自放電每月最大差別10%，電池組容量500Ah。充電時間58h，均衡時間4h，每次充電后均衡完全，則： 均衡電流=（50/（30*4）=417mA 每次均衡充電滿足4h，均衡電流400500mA即可。,均衡的研究與發(fā)展,目前通常僅依靠電壓或電壓差別來考慮均衡 如何將電池內(nèi)阻等參數(shù)結(jié)合進去 放電均衡的高效果實現(xiàn),電池組的壽命與單體電池壽命為何差異巨大,宏觀環(huán)境的差異,實際適用環(huán)境溫度與試驗溫度的差異 溫度對壽命影響符合A

15、rrhenius公式 20與21 的壽命系數(shù)： f=exp（E/R（1/294-1/293）= exp-50000/8.314（1/294-1/293）=1.0723 ） 升高1，失效速度增加約7%。溫度每升高10其退化速度就增加1倍 電池組熱管理的主要原因之一。,電池包內(nèi)環(huán)境溫度的差異,通?？刂齐姵匕鼉?nèi)溫差不超過5 5的差別電池之間衰減速度差別就達30% 控制電池包溫差的主要原因之一,微觀環(huán)境的影響,電池模塊內(nèi)溫度的差異 應用中不能檢測到每只電池的溫度 模塊內(nèi)不同部位電池的溫度差異 模塊散熱表面與單體電池散熱表面的差異 單體電池內(nèi)部溫度的差異 電池各部位所處環(huán)境溫度的不一致 電池組設(shè)計電流分

16、布的差異 PACK設(shè)計的重要性,電池自身一致性的影響,電池組單體電池容量一致性的差異 組合電池容量的控制 電池內(nèi)阻/極化內(nèi)阻的控制 組合初期電池一致性的重要性,使用狀況的復雜型,行駛工況的差異 安裝位置的差異 行駛習慣的差異 充電條件的差異 針對實際應用條件設(shè)計的重要性,純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計,動力電源系統(tǒng)設(shè)計目的,根據(jù)整車的設(shè)計要求，為其提供具有最佳使用性能的動力電源系統(tǒng)。 安全性要求 電性能要求 電池選型與系統(tǒng)配置,要解決的問題,在允許的尺寸、重量范圍內(nèi)進行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，使其滿足整車系統(tǒng)的用電要求 尋找簡單可行的工藝 降低成本 在條件許可的情況下，提高產(chǎn)品的技術(shù)性能 克服和解決環(huán)

17、境污染問題,設(shè)計流程,確定的參數(shù)與解決的問題,（1）電氣特性： 標稱電壓及運行電壓范圍 標稱容量及可用容量范圍 電源系統(tǒng)常規(guī)放電電流 電源系統(tǒng)充電要求 （2）功率特性 電源系統(tǒng)最大輸出功率及持續(xù)時間 電源系統(tǒng)最大反饋功率及持續(xù)時間 （3）環(huán)境特性 電源系統(tǒng)使用溫度范圍 充電溫度范圍 貯存溫度范圍,確定的參數(shù)與解決的問題,（4）物理特性 電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與尺寸 電源系統(tǒng)質(zhì)量 其他機械性能、防護性能等要求 （5）BMS要求 BMS具備的管理與保護功能 電池的SOC、SOH判斷 通訊方式及收發(fā)器件設(shè)計要求 控制要求及通訊協(xié)議 （6）整車接口要求 物理接口：包括電池安裝、固定方式、冷卻介質(zhì)的空間走向

18、、相關(guān)管路 電氣接口：包括整車線束定義及技術(shù)規(guī)范、連接件的型號及管腳定義 通訊接口：包括與整車的通訊、BMS內(nèi)部通訊、與充電機通訊,需要了解的整車信息,對整車的了解越詳細，設(shè)計的電源系統(tǒng)越完善。不僅僅是電機、整車控制策略等會影響到電源系統(tǒng)的設(shè)計，整車的質(zhì)量、尺寸、空間、運行工況等均需進行詳細了解。 1）整車參數(shù) 2）整車電機參數(shù) 3）整車要求的續(xù)駛里程 4）反饋功率 5）電源系統(tǒng)安裝空間尺寸，安裝固定要求 6）電源系統(tǒng)質(zhì)量要求 7）充電方式及接口 8）車輛行駛工況 9）使用環(huán)境溫度范圍 10）充電環(huán)境溫度范圍 11）輔助系統(tǒng)功率要求 12）輔助電源特征參數(shù),電源系統(tǒng)設(shè)計步驟,1）確定整車設(shè)計要

19、求 2）確定電機要求 3）確定電源系統(tǒng)的功率需求 4）確定電源系統(tǒng)的電壓范圍 5）確定電源系統(tǒng)所需電池類型 6）確定電源系統(tǒng)的SOC應用范圍 7）確定電源系統(tǒng)的有效容量范圍和實際容量 8）確定電源系統(tǒng)組合結(jié)構(gòu)形式 9）確定電源系統(tǒng)BMS要求 10）確定電源系統(tǒng)的接口 11）確定其他的散熱方式、氣體來源、充電方式等 12）仿真模擬驗證 13）設(shè)計優(yōu)化,車輛參數(shù),（1） 確定車輛的功率需求,汽車功率平衡關(guān)系應滿足： 最高車速對應的車輛功率需求Pv1為 ： 最大爬坡度m對應的車輛需求功率Pv2為， 原地起步加速到指定加速時間T如下式，全力加速時需求功率Pv3。 可以得到車輛的最高車速、最大爬坡度和全

20、力加速時車輛對應的功率需求。分別為98.7KW，91.8KW、65KW。,（2）確定系統(tǒng)電壓范圍,根據(jù)整車所選擇的電機，確定電源系統(tǒng)的標稱電壓及電壓應用范圍。 國標中推薦的電動汽車電機的電源電壓等級為： 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。 標準要求電機及控制器在電源電壓為12075%額定電壓值下安全承受最大電流。保證直流總線電壓不低于電機額定電壓的80%。 整車采用384V的電機為例。電源系統(tǒng)的正常工作電壓應在300460V的范圍內(nèi)。選用LiFePO4體系的鋰離子電池，1

21、20只串聯(lián)的系統(tǒng)。,（3）電源系統(tǒng)最大輸出功率/電流,電源系統(tǒng)功率需求 電機功率為110KW，假設(shè)電機轉(zhuǎn)換效率及控制器效率分別為0.9及0.95，電子附件、空調(diào)等功率8KW，則電源系統(tǒng)需求的最低功率為110/（0.90.95）+8=137KW。 最大輸出電流 系統(tǒng)標稱電壓384V。大功率輸出下以低于標稱電壓10%計算。 Idmax=Pmax/V=137000/（3840.9）=396A 持續(xù)時間 以整車要求為準 注意SOC要求（30%SOC下的最大功率需求） 設(shè)計冗余 保證30%的設(shè)計冗余是必要的,（4）最大回饋電流的確定,回饋功率與車輛控制策略有關(guān) 回饋功率小于電機的最大功率。110KW電機

22、最大發(fā)電功率約70KW，則回饋承受的電流約為： Icmax=70000/432=162A 回饋時間：據(jù)車輛工況要求定（如10s) SOC范圍：根據(jù)電池特性確定，如在70%SOC。 車輛的制動回饋策略：機械制動和電機制動能量回收的比例。電機回饋功率通常較小，實際功率小于最大發(fā)電功率。按50%的最大功率回收，則反饋功率為55KW，電流約為100A。,（5）電源系統(tǒng)SOC應用范圍確定,為更好的保護電源系統(tǒng)，一般應用中不提倡將電源系統(tǒng)完全充滿電，放電時不提倡完全放電徹底，否則容易損壞電池。一般建議充電到95100%，放電應剩余510%的容量，可以更好的保護系統(tǒng)中的弱勢電池。 建議應用范圍在1090%SOC。,（6）電源系統(tǒng)容量的確定 (a),根據(jù)平均行駛速度與里程計算 平均行駛速度為40Km/h，平均輸出功率為25KW。電機標稱電壓為384V，行駛里程要求不低于200Km。則電源系統(tǒng)的容量為： 25000*200/（40*384）=325Ah SOC應用范圍為1090%。 則實際電源系統(tǒng)的容量應能達到 325/0.8=407Ah,（6）電源系統(tǒng)容量的確定(b),根據(jù)每公里能耗計算 車輛每公里能耗約為0.63KWh，續(xù)駛里程要求200Km，系統(tǒng)標稱電壓384V。則： 電源系統(tǒng)容量=200*630/384