车用动力电池系统关键技术与学科前沿

1、电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources1本人学习工作简历期间1985年9月-1990年7月1990年9月-1993年5月1993年6月-1997年1月1997年1月-2000年9月2000年11月-2011年3月单位清华大学工程力学系北京空气动力研究所北京空气动力研究所日本东京大学日产汽车公司燃料电池研究所锂离子电池开发部专业工程力学流体力学空气动力学空气动力学飞行力学空气动力学电化学燃料电池锂离子电池学位、职称学士硕士工程师博士研究员2011年4月-现在清华大学汽车工程系车用电化学动力源百人计划教授电化学动力源研究室日产期间的工作Electrochemi

2、cal Power Sources日产ZEV战略车型FCV航程2July 15（周一）July 16（周二）July 17（周三）July 18（周四）July 19（周五）July 20（周六）July 21（周日）9:00-12:00暑期学校开校说明广田寿男早稻田大学客座教授BoryannLiawProf. HawaiiUniversityDiagnosticandPrognostic ofLithium-IonBattery王俊敏Prof.Ohio StateUniversityAdvancedDieselEngine andAfter-treatmentSystemControl赵福全

3、吉利控股集团有限公司副总裁自主创新的体系建设和绩效管理；汽车产品开发流程广田寿男早稻田大学客座教授Status andProspect ofElectricVehicleTechnology，-Towards aSustainableMobility14:00-17:00BMW李春利日本爱知大学汽车社会的成本和交通战争张剑波清华大学教授Electrochemical PowerSources forVehicle汽车安全与节能国家重点实验室参观汽车工程系电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources黄晨东上汽集团新能源事业部副总经理汽车产品的系统开发流程车用燃料电

4、池系统的设计、管理与控制总结、颁发证书3电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources车用动力电池系统关键技术与学科前沿张剑波清华大学汽车工程系2013年1月7日4电化学动力源研究室内容Electrochemical Power Sources1. 汽车电动化浪潮与五大普及难题2. 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3. 典型车用动力电池系统介绍4. 车用动力电池系统的四大关键技术5. 车用动力电池系统的两大科学问题6. 总结5电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电动化有助于能源多样化电动化带来高效率电化学动力源研究室

5、Electrochemical Power Sources7电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电动化有更大的减排潜力电化学动力源研究室主要电动汽车销售统计:HEVElectrochemical Power Sources丰田混合动力车的累计销售量：1997年到第10年的2007年突破100万台，2009年200万台，2011年300万台，2012年4月400万台9电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources主要电动汽车累计销售量:PHEV、BEV10普及难题之一：里程短电化学动力源研究室Electrochemical P

6、ower Sources11电化学动力源研究室普及难题之二：成本高Electrochemical Power Sources初期成本高1kWh电池：863计划目标 2000元美国能源部PHEV40 kWh： $300 2014运营成本低、维护简单百公里耗电/油：15 kWh, 5L电价：0.5元/1kWh 7.5 元油价：8元/L 40元12电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources普及难题之三：安全性差电池组着火事件频发 大部分是小公司生产的大容量电池，既有纯电动汽车，又有混合动力汽车 大部分的正极用的是磷酸铁锂 都是通过了安全验证13电化学动力源研究室普及

7、难题之四：寿命短Electrochemical Power Sources 成组寿命单体寿命车辆寿命 寿命的成本意义 全生命周期 充电与换电14电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources普及难题之五：充电难1515A15A16h8h30minFastcharging15RegularchargeHomechargeCharging networkCharge at destinationCharge on the roadEV usesChargingmethodsOrdinarychargeTypeChargerChargerChargerChargerSi

8、ngle-phase 100VSingle-phase 200VThree-phase 200VChoose regular or fast chargedepending on how long stay.Power sourceFast chargingHours to charge(Nissan EV)电化学动力源研究室电池技术是普及的瓶颈Electrochemical Power Sources 电池技术决定了xEV的特征 电池不仅是一个储能装置，也是决定最大功率、动力性能的主要因素。 电池是决定EV性能、成本、布局、车内可用空间等特性的核心瓶颈技术。 与数字式电子产品不同，电池的性能

9、衰减直接影响到车辆的性能。内燃机汽车纯电动汽车能量储存产生功率油箱内燃机电池逆变器&马达围绕电池的汽车产业新一轮合纵连横电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电化学动力源研究室内容Electrochemical Power Sources1. 汽车电动化浪潮与五大普及难题2. 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3. 典型车用动力电池系统介绍4. 车用动力电池系统的四大关键技术5. 车用动力电池系统的两大科学问题6. 总结18电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources锂离子电池结构与原理Rocking Chair：依靠

10、单一离子往返与电子的移动便能完成充放电Intercalation：能量密度大；体积变化小，寿命变长有机电解液：高电压化，电池材料选择的范围变宽，电压多样化；安全性电解液不参与反应：比能量提高， 且易于维护19电化学动力源研究室Electrochemical Power SourcesLIB特性及其对BMS的要求一致性20选型、筛选、组配散热、加热、温度均衡等热管理技术状态估计、均衡等能量管理技术安全保证技术多样性能量、功率特性温度特性充放特性过充、过放特性可用能量电化学动力源研究室多样性：量身定制Electrochemical Power Sources 有机电解液 材料选择多样化 多种分类方

11、法 正极、负极 钴系、镍系、锰系、铁系、三元、固溶 LTO 电解液 液体、凝胶、高分子膜、全固态、常温熔融盐 功率型、能量型、兼顾型21电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电池的能量：续驶里程为了比较不同容量电池的充放电特性，将充放电电流用电池设计容量正则化，称为C倍率。Vdc容量（Ah）221C充电可以将完全放电的电池在1小时内全部充满的电流（忽略过电压）2C充电电流可以在半小时内充满对设计容量为100Ah的电池：1C=100A，2C=200A，C/2=50A由于存在过电压，高倍率放电时，常常放不出实际拥有的容量电压（V）Vcc0.5C1C2C电池充放

12、电功率随DOD变化特性电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources2335A 恒流放电电压 / V充电电压 / V电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电池低温充放电特性240510253035403.43.23.03.83.64.04.220温度下放电-10温度下放电0温度下放电-20温度下放电-30温度下放电-40温度下放电15 20放电容量/ Ah051015202530353.43.23.83.64.04.2充电容量/ Ah20充电10充电0充电-10充电-20充电-30充电-40充电电化学动力源研究室老化速度随温度

13、的变化1/TElectrochemical Power SourcesLn(老化速度)低温区：Li析出高温区：有机电解液分解 Arrhenius法则成立区10C60C = 15C法则：温度升高15C，寿命半减。 寿命加速试验温度范围 电池适宜温度：20-35C25电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources温度对安全性的影响内部组成物质之间隐含着一系列在不同温度下相互反应放出可观热量的副反应。诱发因素（Trigger）:环境温度，充放电时局部热点，短路：外部、内部内部短路最终是否演化成为热失控，与电池荷电状态、温度、及短路部位等多种因素相关。锂离子电池热失控过程

14、示意图26电化学动力源研究室电池寿命随充放深度的变化Electrochemical Power SourcesChristian Rosenkranz (Johnson Controls) at EVS 20电化学动力源研究室锂离子电池的过充、过放特性Electrochemical Power Sources没有内在的过充防止机制；过充可能带来安全隐患每只电池的电压都必须监测；与传统商业模式不同，LIB都是和管理系统配套出售过放可能引起负极集电铜箔腐蚀，引起老化28I , U电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电池的安全、适宜区域29T1T6T2 T3T

15、4 T5T低温区域高温区域标准温度区域推荐温度区域电流/电压安全区域电池可用能量（Available Energy）电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources 倍率特性（C-rate） 低温特性（T） 安全特性（SOC）DOD（%）消耗能量300充电功率放电功率100SOP(kW)最低充放电功率 功率要求（DOD） 衰减（t,cycles）电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电池的一致性100个电池, AAA size， 300 mAh， 9g，LiCoO2，重量：8.890.15g（1.69%），70%LIB功率型5-

16、1080-15020%-80%数万次LIB功率能量兼顾型20-4080-15010-90%数千次LIB能量型46电化学动力源研究室电池系统成组技术：今后Electrochemical Power Sources 不同构型电动汽车用动力电池性能指标体系 综合考虑了热特性、能量管理特性的电池容量、形状、尺寸的标准化 基于电池一致性指标体系的单体电池分选 基于电池热管理、能量管理的混联、配组技术电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources关键技术之二：热管理 背景 电池性能、老化的温度敏感性 任务 电池组温度较高时进行散热，防止电池过热引发安全事故； 电池组温度较低时

17、对电池组进行加热，保证电池在低温环境下充电和放电的安全性和使用效率； 使电池组中不同位置电池和电池不同部位的温度差异尽可能小，抑制局部热点或热区的形成，使不同位置电池的热致衰减速率接近一致。 组成传热介质流场环境测温元件与控制电路散热执行器 温控策略 根据电池温度区域进行分级管理 主动（active）、被动（passive）和不冷却（bypass） 电池热管理技术今后的发展48电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources流场环境电化学动力源研究室电池系统热管理技术：今后Electrochemical Power Sources 不同电动汽车构型对应的传热媒介选取

18、及传热路径优化技术 低温下的电池加热技术 产热、传热、散热规律的研究 产热 复杂工况下的产热模型：产热的极间划分及成分细分 副反应的种类、焓变及反应速率数据库 传热 热模型参数（Cp、k、h）的原位测量与验证 散热 表面细微结构、积层体复合系统结构对大型电池表面、多电池间热流密度的影响规律 复合相变材料的相变潜热、相变温度、导热系数随材料组成、结构的变化规律 基于复合相变材料的先进热管理技术 热设计、热失控 电池及电池组的材料体系、结构、尺度、布局对产热、传热、散热等热过程的影响规律 热电耦合中的正反馈与负反馈 热应力下的电池性能演变规律 电池热失控过程中电能、热能、化学能的耦合、触发机理及演

19、化电化学动力源研究室关键技术之三：电能管理电池检测、均衡专用IC组电气绝缘BMS专用微处理器CAN总线Electrochemical Power SourcesASSP电池检测、均衡专用IC电池电池管理系统（BMS）的组成51BMS的工作过程终止V,I,T检测SOC估计SOH推定SOP推定异常、故障诊断初始化残量表示老化表示充放电、制动回收控制提示警报均衡电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources紧急处置温控系统接受外部指令发送信息52电化学动力源研究室二次电池状态估计Electrochemical Power Sources 估计对象：单体电池 vs 电池组

20、 估计时机不同，方法、运算量、精度不同 车检时：用充放电试验更新SOH估计（缓时变） 充电时：均衡、更新初始SOC 停放时：均衡、利用VOC校正安时积分积累误差 行驶时：状态估计器53电化学动力源研究室电池系统电能管理技术：今后Electrochemical Power Sources 考虑了不一致性的低成本、高精度电池状态估计技术 面向不同用户特征（充电频率高低、平均行程长短）及不同工况（动力型、寿命型、航程型）的细分型电能管理策略 借助网络、数据库的估计算法（日产）电化学动力源研究室关键技术之四：安全保障技术Electrochemical Power Sources 电动汽车的安全问题 碰

21、撞安全：分区构造车体，多重机构保护 强电安全 避免直接接触：布局、绝缘 避免间接接触：等电位 电流切断：开关、保险丝 电池热安全 相对于锂电池，LIB在技术上有巨大突破，但安全隐患任然存在 LIB使用有机电解液（凝胶），本质不安全。 民用LIB的商业化：电池与专用充电器，使用方法教育同时展开的。 动力电池的大型化及对能量密度的无休止的追求带来安全隐患。 危害：企业、产业提高安全性的主要手法：机能分担电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources56材料提高安全性的主要手法：多道防线电化学动力源研究室Electrochemical Power SourcesSEI膜

22、的均一、稳定性活性材料热稳定性，过充稳定性电解液的电化学窗口抑制枝晶生长隔膜：Shut-down，陶瓷涂层固体电解质材料设计电流、温度分布一致：极耳布局PTC，放气孔隔湿添加剂：过充保护；SEI膜均一、稳定； 3-5%聚合物，120度时张开 穴位保护 双极设计（biPolar） 降低异物混入 湿度控制 化成，筛选57生产检验使用安全性标准与测试 成组：分选、组配 散热设计 能量管理：SOC范围，充放电速率，使用限制，均衡，充电管理 监测，预诊，自检（智能电池） 数据中心，电池档案 维护，定期健康检查材料电池系统的固有安全、主动安全、被动安全电化学动力源研究室Electrochemical Po

23、wer SourcesSEI膜的均一、稳定性活性材料热稳定性，过充稳定性电解液的电化学窗口抑制枝晶生长设计隔膜：Shut-down，陶瓷涂层凝胶、固体电解质材料 电流、温度分布一致：极耳布局 隔湿 添加剂：过充保护；SEI膜均一、稳定； 3-5%聚合物，120度时张开 穴位保护 双极设计（biPolar） CID，PTC，放气孔 降低异物混入 湿度控制 化成，筛选58生产检验使用安全性标准与测试 成组：分选、组配 散热设计 能量管理：SOC范围，充放电速率，使用限制，均衡，充电管理 监测，预诊，自检（智能电池） 数据中心，电池档案 维护，定期健康检查电化学动力源研究室电池系统安全保障技术：今后

24、Electrochemical Power Sources 有效反映现场热失控机理的电池安全性检验方法及认证标准 基于量产型传感器的实时监测与诊断技术 基于多源概略信息统计分析的故障诊断技术 非解体、无损健康诊断技术电化学动力源研究室内容Electrochemical Power Sources1. 汽车电动化浪潮与五大普及难题2. 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3. 典型车用动力电池系统介绍4. 车用动力电池系统的四大关键技术5. 车用动力电池系统的两大科学问题6. 总结60电化学动力源研究室Electrochemical Power Sources电池系统两大基础科学问题电池与电

25、池组寿命的多应力快速评价与预测方法单体电池一致性的度量指标体系,一致性的演化规律与抑制一致性恶化的策略时变、非均一、多个体混联电池系统的建模理论与状态估计方法电池故障诊断的理论算法体系及应对策略电池及电池组的材料体系、结构、尺度、布局对产热、传热、散热等热过程的影响规律热应力下的电池性能演变规律表面结构、积层体复合系统结构对大型电池表面、多电池间热流密度的影响规律复合相变材料的相变潜热、相变温度、导热系数随材料组成、结构的变化规律电池热失控的过程与机理61电化学动力源研究室内容Electrochemical Power Sources1. 汽车电动化浪潮与五大普及难题2. 锂离子电池的特点及其

26、对电池管理系统的要求3. 典型车用动力电池系统介绍4. 车用动力电池系统的四大关键技术5. 车用动力电池系统的两大科学问题6. 总结62电化学动力源研究室一个好的动力电池系统Electrochemical Power Sources 应该综合满足电动汽车多方面的要求 不同工况下的功率需求、里程需求（电池的设计、状态估计） 可靠性（强度、振动、冲击、水、尘、电磁） 车辆布局（重量、重心、转动惯量、可用空间） 应该为电池提供适宜的工作环境 安全（电压、温度等安全工作区间） 舒适（多因素作用下的老化等值线） 均匀（同步老化，成组寿命接近与单体寿命里程、成本、安全） 应该具备可知性（智能化，可以自检内部状态并与外部通讯）可控性（均衡，