车用动力电池系统设计与性能分析2.0

1、车用动力电池系统设计与性能分析北汽福田汽车股份有限公司2015年12月目录Foton Motor Group | 2 动力电池系统需求分析第一部分动力电池系统设计要点第二部分动力电池系统性能分析第三部分世界能源危机及环境污染节能、环保已经成为汽车工业快速增长的制约瓶颈第一部分 动力电池系统需求分析风风 能能太阳能太阳能生物质生物质能能智能电网智能电网动力电池系统动力电池系统储能电站储能电站储能电池储能电池能源危机能源危机新能源开发新能源开发可再生能源开发可再生能源开发环境污染环境污染降低能源消耗降低能源消耗减少减少CO2排放排放纯电动汽车纯电动汽车混合动力混合动力燃料电池车燃料电池车解决途径温

2、室气体温室气体第一部分 动力电池系统需求分析u 对于汽车行业来说，以新能源为特征的“低碳发展”已日益迫切。u 节能、低排放甚至零排放的电动汽车被视为解决未来能源与环境问题的手段之一。u 为了汽车工业和技术的可持续发展，开发和推广“绿色”新能源汽车工程已在全世界范围内展开。共识：新能源汽车是未来汽车产业发展的必然趋势新能源汽车是未来汽车产业发展的必然趋势第一部分 动力电池系统需求分析6新能源汽车三大核心技术新能源汽车三大核心技术动力电池及管理系统技术是制约新能源汽动力电池及管理系统技术是制约新能源汽车发展的一项关键技术。车发展的一项关键技术。第一部分 动力电池系统需求分析动力电池及其管理动力电池

3、及其管理电机及控制电机及控制整车控制整车控制基于基于CANCAN总线的网络通讯和控制总线的网络通讯和控制热管理热管理整车的试验及匹配标定整车的试验及匹配标定动力系统集成动力系统集成动力电池技术是目前制约电动汽车发展的核心技术，期待未来高能电源技术能解决此问题。7第一部分 动力电池系统需求分析新能源汽车亟待解决的关键技术新能源汽车亟待解决的关键技术电动汽车电动汽车能量存储要求能量存储要求车辆结构汽车总质量、底盘、空气动力学因素，行驶中的阻力等车辆性能汽车性能目标（加速、最大速度、级别）混合结构并联结构，串联结构或者混联结构工作策略纯电动行驶里程，纯电动行驶能力，纯电动或混合动力行驶周期某些行驶周

4、期的峰值功率要求、电量保持模式运行的功率峰值要求电动汽车能量存储要求8第一部分 动力电池系统需求分析安全性安全性 电动汽车对动力电池的安全性要求极高，因此安全性是车用动力电池的基础电动汽车对动力电池的安全性要求极高，因此安全性是车用动力电池的基础 由于电动汽车运行环境是复杂多变的，因此保证动力电池的安全性又是很困难的。由于电动汽车运行环境是复杂多变的，因此保证动力电池的安全性又是很困难的。系统系统效率效率日历寿命日历寿命循环寿命循环寿命材料成本材料成本维护成本维护成本充放电效率充放电效率寿命寿命性能性能成本成本倍率特性倍率特性功率特性功率特性动力电池动力电池安全性安全性车用动力电池的关键因素9

5、第一部分 动力电池系统需求分析10动力电池系统是电动汽车的关键零部件，其对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。提供电能回收能量充电管理高压电管理集成安装热管理状态监控通讯与控制电池系统功能电池系统功能第一部分 动力电池系统需求分析序号整车需求电池系统需求参数要求参数要求1整车工作环境温度(C)工作温度范围(C)2储存温度(C)储存温度范围(C)3综合工况续驶里程(km)额定能量(kwh)4空间尺寸(mm)能量密度(wh/L)5整备质量kg比能量（wh/kg）6布置位置防护等级7整车质保（年/公里)日历/循环寿命（年/次）8设计寿命（年/公里)日历/循环寿命（年/次）9整车成本（万元，补贴后

6、）电池成本（万元）10电机额定输入电压(V)额定电压(V)11输入电压范围(V)工作电压范围(V)12持续驱动功率(kW)放电倍率(C)13峰值驱动功率(kW，30s)峰值放电倍率(C)15峰值发电功率(kW,10s)峰值充电倍率(C)16充电标准充电时间(h)标准充电功率（kW）17快速充电时间 (80%SOC，h)充电倍率(C)根据整车提出指标，结合电机参数和充电要求，定义电池系统需求。11第一部分 动力电池系统需求分析目录Foton Motor Group | 12 动力电池系统需求分析第一部分动力电池系统设计要点第二部分动力电池系统性能分析第三部分新能源汽车新能源客车新能源多功能车纯电

7、动专用车HEVPHEVEVEV迷迪2T/3T8T16T出租车垃圾车洒水车城市客车截止目前，福田汽车累计有6000多辆新能源汽车投入示范运营。累计有3000多辆福田新能源客车在北京、广州、杭州、济南、大连、中山、台湾、美国、英国等近20个城市和地区示范运行。累计完成500辆纯电动迷迪出租车的投放，是北京市首个参与示范运营的新能源出租车生产企业。截至2013年底，累计有2148台纯电动环卫车投入北京市示范运营，在新能源环卫车市场占有率达50%以上，处于绝对领先地位。Foton Motor Group | 13 吸尘车第二部分 动力电池系统设计要点15 基于已开发的多款纯电动客车中出现的各种故障，详

8、细分析故障原因及并提出解决方案，形成了一系列经验和教训，将这些Knowhow应用于电池系统设计中去，会避免或杜绝之前发生的故障，形成技术积累。故障原因夏天电池过温保护电池系统冷源取自空调，空调不开SOC检测不准确电流传感器精度低模组缺陷壳体密封设计不良BMS丛控芯片烧坏静电击穿散热风扇损坏风扇非汽车级新能源客车故障分类总结目前故障主要集中在PACK设计及BMS软硬件方面第二部分 动力电池系统设计要点16车用动力电池系统是一个集化学、物理、机械、电气和控制等多门学科和知识于一体的复杂体系， 因此动力电池系统设计的基本原则：保证电能和化学能在系统正常运行状态下，以可控的方式释放与吸收，以及在某些非

9、正常状态下（典型的失效情况），以可控的方式停止释放与吸收。根据整车性能要求，结合仿真模拟结果，提出系统设计要求。根据系统设计输入，定义电芯资源及模块参数要求。合理的高压与低压设计，保证电气安全。系统设计系统设计模块设计模块设计电气设计电气设计保证电池系统功能与性能，合理设计控制策略。保证电池系统内部温度均匀，提高电池系统性能及寿命。合理的结构设计，保证人员及车辆安全。BMS设计设计热管理设计热管理设计安全设计安全设计车用动力电池系统设计要点第二部分 动力电池系统设计要点根据整车仿真分析结果，结合电芯资源与性能，分析系统需求：充分了解车辆系统及各种运行工况。把动力电池系统与整车其他系统有机地联系

10、起来。充分考虑与整车各系统之间的相互影响，减少系统层级存在的安全隐患。1系统级安全设计。17系统设计仿真分析功率需求第二部分 动力电池系统设计要点动力电池模块设计中容易出现如下问题：181 动力电池模块的结构热设计不足（原因之一是前期的CAE/CFD分析不够），对电池的寿命、性能、安全有很大的影响。2 布线不合理，电池包的不同位置模块的电位差较大，增加模块间差异。3 电池模块的结构强度不足，密封性能较差，固定不牢固，在整车的振动条件下容易松动，存在很大的安全隐患（连接件的松动会造成车辆起火）。模块设计第二部分 动力电池系统设计要点根据系统设计结果，进行电池包系统的电气原理设计。要充分考虑电气安

11、全性，包括接触器、预充电、高压互锁回路，手动维修开关、电流传感器等的设计。电气设计第二部分 动力电池系统设计要点BMS安全防护功能设计：过充、过放、过流、温升等电池滥用保护； 绝缘监测、高压互锁、碰撞开关等人身伤害保护；满足ASIL C的功能安全设计； BMS 能量管理功能设计：采用多种算法综合计算SOC、SOE值，准确估算纯电动汽车的行驶里程；针对能量型电池系统，需要充电管理策略，并提供防止电能失去保护。BMS功率控制功能设计： 根据需求设置合理工作SOC范围，发挥电池最大功率能力； 针对功率型电池系统，侧重提供基于SOC、故障等级、温度、电芯电压等的功率限值保护。 BMS 寿命管理功能设计

12、：精确计算SOC和SOH，在合理的SOC范围内使用电池能量，防止电池的过充过放，延长电池寿命； 采用均衡技术，提高电池组一致性，避免出现短板效应，延长电池寿命； 合理的热管理策略，保证电池最佳工作温度，延长电池使用寿命；BMS设计第二部分 动力电池系统设计要点21序序号号负责系统负责系统名称名称1电池包水冷板2加热器3整车热管理系统chiller4压缩机5散热器6电磁阀7水泵8补液壶9管路及接头热管理设计为保证电池系统的电性能和寿命，车用动力电池系统一般具有热管理系统：目前的热管理方式主要有自然冷却、风冷和液冷。风冷和液冷系统的优势在于主动制冷和主动制热功能。风冷方案设计主要考虑电池系统结构的

13、设计，风道、风扇的位置及功率的选择。1液冷方案设计主要考虑冷却管道布置，进出水口流量、温度和压降，以及整车水泵和压缩机的控制策略等。第二部分 动力电池系统设计要点22安全设计安全设计贯穿于电池系统整个设计过程中，不仅要考虑高压安全，还要考虑电池系统滥用情况下的安全性：高压安全方面，要设计高压互锁回路(HVIL)，如果手动开关从电池系统中拔出，要保证电池系统的输出端没有潜在的危险电压。电池管理系统需要实时监测高压母线和车身的绝缘电阻状态，如超出设定范围要切断主接触器，保证人身安全。在整车受到碰撞、挤压等极端情况下，要能够及时断开接触器。1电池包要具有一定的强度，以防止变形后短路引起燃烧、爆炸等。

14、第二部分 动力电池系统设计要点u 电池包设计电池包分为三层进行布置。其中水冷板位于底层，电池模块位于中层，继电器盒、BMS主板以及MSD位于第三层。电池包内部设计有水冷系统，保证电池系统在-30-60C范围内正常工作。u 模块设计电池包包含24个电池模块。模块分四行排布，每行6个模块。模块通过长螺栓固定在下箱体上。模块之间通过软铜排串联连接。典型设计方案介绍水冷板模块电池包u 水冷板设计电池包的水冷板与电池模块隔离布置，保证水冷系统漏液故障时不会影响电池包的电气安全。电池包的水冷板为并联结构，保证有较小的水阻和温度均衡性。水冷板下侧粘贴隔热垫，降低水冷系统与外界的热交换。第二部分 动力电池系统

15、设计要点目录Foton Motor Group | 24 动力电池系统需求分析第一部分动力电池系统设计要点第二部分动力电池系统性能分析第三部分25第三部分 动力电池系统性能分析功能验证DV验证PV验证动力电池系统性能分析动力电池系统设计完成后需要经过功能验证，设计验证，产品验证。1模块、BMS和电气件均需要经过测试验证，系统集成后需要进行性能测试和安全测试。序号试验项目判定标准类型1室温放电容量放电容量应不低于额定容量，并且不超过额定容量的110%，同时所有测试对象初始容量极差不大于初始容量平均值的7%。电性能2室温倍率放电容量高能量蓄电池模块放电容量应不低于初始容量的90%，高功率蓄电池模块

16、放电容量不低于初始容量的80%3室温倍率充电性能放电容量应补低于初始容量的80%4低温放电容量放电容量应不低于初始容量的70%5高温放电容量放电容量应不低于初始容量的90%6耐振动性能不允许出现放电电流锐边、电压异常、蓄电池壳变形、电解液溢出等异常现象，并保持连接可靠、结构完好安全性7过放电蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液8短路蓄电池模块不爆炸、不起火9跌落蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液10加热蓄电池模块不爆炸、不起火11挤压蓄电池模块不爆炸、不起火12针刺蓄电池模块不爆炸、不起火13海水浸泡蓄电池模块不爆炸、不起火14温度循环蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液15低气压蓄电池模块不爆炸、不起

17、火、不漏液26模块测试项目第三部分 动力电池系统性能分析27序号试验项目判定标准类型1电池状态监测 将电池管理系统采集的数据与检测设备检测的对应数据进行比较策略安全性2SOC估算精度 将电池管理系统采集的数据与检测设备检测的对应数据进行比较3故障诊断 通过模拟系统，建立满足所列故障项目的触发条件4绝缘电阻 在BMS的电压采样电路和其壳体之间施加500V DC的电压进行绝缘电阻测量高压安全性5绝缘耐压性能 施加50HZ的正弦波形交流电压，施加最高工作电压，历时1min。6过电压运行 将供电电压调至16V或32V，持续运行1h，并与检测设备比较7欠电压运行 将供电电压调至9V或18V，持续运行1h

18、，记录BMS采集数据，并与检测设备比较8耐电源极性反接 将输入供电电源反接，持续1min，恢复正常供电，判断其是否正常工作。9高温运行 将BMS在65度高温中运行1h，记录BMS采集数据，并与检测设备比较环境安全性10低温运行 将BMS在-25度低温中运行1h，记录BMS采集数据，并与检测设备比较11耐高温性能 将将BMS在85度高温保持4h，恢复到室温后，运行BMS，并与检测设备比较12耐低温性能 将将BMS在-40度低温保持4h，恢复到室温后，运行BMS，并与检测设备比较13耐温度变化性能-4085度之间，循环5次，恢复到室温后，运行BMS，并与检测设备比较14耐盐雾性能 持续16h，试验

19、后，运行BMS，记录BMS采集数据，并与检测设备比较15耐湿热性能 高温55度，2个循环（48h）16耐振动性能 三个方向上，每一方向持续8h，10Hz-500Hz，运行BMS，并与检测设备比较可靠性17电磁辐射抗扰性 实验过程记录BMS采集数据，并与检测设备比较BMS测试项目第三部分 动力电池系统性能分析28序号测试项目判定标准1尺寸与外观符合设计要求2功能/参数1)FSC A3低温启动1)FSC A4功率温度循环1)FSC A5热冲击1)FSC A6湿热循环(结合温度/湿度循环测试)1)FSC A7湿热常数(湿热, 稳态测试)1)FSC A8Free Fall1) Minor visibl

20、e external damage to the component is permitted as long as it does not affect the performance, the attachment interface to the vehicle, or the surfaces visible to the customer. The component shall pass the 5-Point Functional/Parametric Check at the end of the test. Functional Status Classification s

21、hall be C.9HTD (高温老化)1)FSC A10振动 ( 热循环)1)FSC A11机械冲击- Pothole1)FSC A12机械冲击 - Collision1)FSC C13低压测试1)FSC A, C, D14防尘测试1)FSC C电气件测试项目Functional Status Classification (FSC) 1) FSC A : All function of the component perform as designed during and after the test 2) FSC B : All function of the component p

22、erform as designed during test. However, one of more them may go beyond the specified tolerance. All functions return automatically to within normal limits after the test. Memory functions shall remain FSC A 3) FSC C : One or more functions of the component do not perform as designed during the test

23、 but return automatically to normal operation after the test 4) FSC D: One or more functions of the component do not perform as designed during the test and do not return to normal operation after the test until the component is reset by any “operator/use” action 5) FSC E: One or more functions of t

24、he component do not perform as designed during and after the test and cannot be returned to proper operation without repairing or replacing the component第三部分 动力电池系统性能分析29电池系统性能测试项目序号试验项目试验方法判定标准类型1能量和容量验证电池包在规定的工作温度范围内的，不同倍率下的充放电情况。并对电池包或电池系统的额定容量或标称容量进行标定；按照ISO12405-1标准: 分别测试55、RT、40、0、-18放电容量。每个温度

25、条件下测试放电倍率：1C、5C。能量和容量满足设计指标规格要求电性能2功率和内阻测试电池包和电池系统动态工况下的功率特性和内阻特性（DOE：动态功率&动态阻抗和极化阻抗与SOC的关系：用于评估寿命测试中的阻抗衰退）。参考ISO12405测试方法：SOC范围：70%、60%、50%、40%、30%、20%。功率和内阻满足设计指标规格要求3能量效率测试不同温度下充放电脉冲下蓄电池系统的充放电效率。分别测试高温、低温、常温（RT, 40, 0）下的，不同SOC（65%, 50%, 35%）的能量效率。能量效率在75%至90%之间4无负载容量损失40；放电倍率：1C倍率放电至50% SOC(或者是供应

26、商与客户达到一致的SOC状态)；搁置时间： 168 h (7 days)满足设计指标规格要求5低温启动功率蓄电池系统在低温（-18C和-30C）和电池允许的最低SOC状态下的Voff持续放电5秒，重复2次的功率输出能力（试验方法基本一致，只是DOE3个2s功率基准脉冲放电）功率输出不小于5KWBMS在此温度下应正常工作热性能6高温启动功率测试蓄电池系统在高温（50）和电池允许的最低SOC状态下的功率输出能力。在20% SOC，50时，以5KW恒功率进行脉冲放电，放电时间2s，连续进行3次功率输出不小于5KWBMS在此温度下应正常工作7低温持续充电功率电池在一定的功率下持续放电，所能放出的容量。

27、模拟汽车恒速行驶的情况，表征电池在汽车所应用的不同使用功率时的持续充电能力。设定温度下，一般选择三个功率测试点(每个点至少2 次)满足设计指标规格要求8低温持续放电功率电池在一定的功率下持续放电，所能放出的容量。模拟汽车恒速行驶的情况，表征电池在汽车所应用的不同使用功率时的持续放电能力。设定温度下，一般选择三个功率测试点(每个点至少2 次)满足设计指标规格要求9高温持续充电功率电池在一定的功率下持续放电，所能放出的容量。模拟汽车恒速行驶的情况，表征电池在汽车所应用的不同使用功率时的持续充电能力。设定温度下，一般选择三个功率测试点(每个点至少2 次)满足设计指标规格要求10高温持续放电功率电池在一定的功率下持续放电，所能放出的容量。模拟汽车恒速行驶的情况，表征电池在汽车所应用的不同使用功率时的持续放电能力。设定温度下，一般选择三个功率测试点(每个点至少2 次)满足设计指标规格要求23循环寿命温度范围