动力电池pack()教学文案

新能源汽车

锂离子电池组的设计(shèjì)与应用第一页，共73页。目录(mùlù)锂离子电池为何可并联应用？电池串并联组合的可靠性大容量电池与小容量电池并联特征小电池并联与大电池的安全性比较不同结构的电池特性(tèxìng)电池组合形式均衡的目的和意义电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大？纯电动汽车用动力电源系统的设计第二页，共73页。锂离子电池为何(wèihé)可并联应用？第三页，共73页。锂离子电池(diànchí)的充电特点电压严格限制，受温度等变动(biàndòng)影响不大；超出电压容易受损。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）充电效率高，充电过程中基本无副反应第四页，共73页。锂电池为何(wèihé)能并联？充电(chōngdiàn)为最高电压限制，并联电池电压一致充电(chōngdiàn)、放电电压单方向变化电压限制参数受温度等外界因素影响不大第五页，共73页。并联(bìnglián)电池的优点小电池并联比直接采用大电池安全性更好小电池并联比直接采用大电池的电流通过能力强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。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设计合理(hélǐ)，可以进行单只电池维护与更换，降低维护成本。第六页，共73页。并联电池(diànchí)需注意的问题电池并联设计(shèjì)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并联电池的自放电基本一致。并联电池容量不能差别太大。第七页，共73页。电池(diànchí)串并联组合的可靠性第八页，共73页。影响单体电池(diànchí)可靠性的主要因素单体电池的可靠性与各部件的可靠性有关：外壳（r1)、隔膜(gémó)(r2)、正极组(r3)、负极组(r4)、电解液(r5)等电池的可靠性=r1×r2×r3×r4×r5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1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(gémó)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电池制作工艺上，小电池的可靠性与成品率要高于大电池小电池并联在温度、寿命方面比大电池更有优势。第九页，共73页。不同(bùtónɡ)组合方式的数学模型可靠性方面(fāngmiàn)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。第十页，共73页。并串联(chuànlián)与串并联比较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：0.8385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(huánliú)处理第十一页，共73页。单体电池具有(jùyǒu)独立可靠性的比较组合要求：100只电池串联两种电池形式1：10只10Ah电池并联成100Ah2：100Ah单体电池假设条件：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。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(shīxiào)）：方案1的可靠性R1＝（0.99910）100＝0.366方案2的可靠性R2＝（0.99）100＝0.366结论：1串联电池数量越多，电池组可靠性越低2100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0.9993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。第十二页，共73页。单体电池具有独立(dúlì)可靠性的比较单体电池可靠性独立（并联(bìnglián)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(bìnglián)组失效（按容量80%终止假设）R1＝（0.99910+C1090.9999*0.001）100＝0.991方案2的可靠性R2＝（0.99）100＝0.366结论：1合理的电池设计和PACK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(bìnglián)可大幅度提高电池组可靠性第十三页，共73页。大容量电池(diànchí)与小容量电池(diànchí)并联特征第十四页，共73页。大容量电池(diànchí)的特点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(jiégòu)电池（如软包装等，引流能力受限）第十五页，共73页。小容量(róngliàng)电池的特点优点电池表面积/体积大，散热性能好圆柱：比表面积/体积=2*(1/h+1/r),其中(qízhōng)，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，影响部分应用第十六页，共73页。小容量(róngliàng)电池串并联与大容量(róngliàng)电池的安全性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(zìshēn)安全性问题最常见的是电池内部为短路、短路等引起的安全性问题第十七页，共73页。热量分布(fēnbù)均匀性第十八页，共73页。小电池(diànchí)并联与大电池(diànchí)的安全性比较第十九页，共73页。电动汽车对电池(diànchí)安全性的要求安全性是电动汽车(qìchē)第一指标。电动汽车(qìchē)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。因此，电动汽车(qìchē)对动力电池的安全性要求极高，对百万分之一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(qìchē)每年都要发生多起安全事故。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。安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题。第二十页，共73页。世界上没有(méiyǒu)绝对安全的电池电池是能量的载体，本质上就存在不安全因素。不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺(gōngyì)参数，使用环境，使用程度，都对安全性有较大的影响。所有的安全性均与温度有关：控制温度的重要性。所有电池包括一次电池、各类二次电池，均存在安全性问题第二十一页，共73页。安全性本质：电池(diànchí)中的能量以20Ah锂离子电池(diànchí)为例:20Ah（3.6V）72Wh259.2KJ1克TNT4.20KJ20Ah锂离子电池(diànchí)的能量61.7克TNT能量20Ah锂离子电池(diànchí)仅存储的电能相当于61.7克TNT炸药的能量。以上计算还未计电解液燃烧所含能量，及正极活性物质分解的能量。第二十二页，共73页。电解液的能量(néngliàng)锂离子电池(diànchí)的电解液用量6mL/AH汽油的密度0.71克/mL1克汽油42KJ1克TNT4.183KJ1Ah电池(diànchí)的电解液能量178.9KJ1Ah电池(diànchí)的电解液能量42.6克TNT20Ah电池(diànchí)的电解液能量832克TNT注意：该能量(néngliàng)不具备直接爆炸条件第二十三页，共73页。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(shèjì)质量控制PACK设计(shèjì)第二十四页，共73页。安全性比较(bǐjiào)小容量电池(diànchí)容易实现多充保护措施(单体电池(diànchí)保护设计）电池(diànchí)容量低，出现问题能量释放少，对周围电池(diànchí)影响小大容量电池(diànchí)保护措施少内部问题释放能量大，连锁反应引起周围电池(diànchí)故障，安全失控第二十五页，共73页。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。循环后的安全性对热扰动性敏感性更大。电池的安全性是相对的，一定循环次数之前(zhīqián)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(shǐyòng)循环变坏第二十六页，共73页。不同结构的电池(diànchí)特性第二十七页，共73页。结构特点(tèdiǎn)比较圆柱形方形软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）动力电池动力电池第二十八页，共73页。电池(diànchí)结构

软包装

方形圆柱(yuánzhù)第二十九页，共73页。电池(diànchí)结构第三十页，共73页。代表性厂家(chǎnɡjiā)圆柱形产品(chǎnpǐn)：A123、Valance、力神、CENS、微宏等方形电池：星恒、雷天、洛阳天空、力神、ATL、国轩等软包装：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。第三十一页，共73页。电池(diànchí)组合形式第三十二页，共73页。圆柱电池的并串联组合(zǔhé)形式最常用的方法：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(nádù)大问题4：连接件的锈蚀改装Prius车电源(diànyuán)系统（圆柱锂离子电池）第三十三页，共73页。圆柱形电池的串并联组合(zǔhé)形式1、采用一种蜂窝状的结构，电池之间通过(tōngguò)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、螺柱结构设计第三十四页，共73页。圆柱(yuánzhù)电池组合形式福特车电源(diànyuán)系统（Ni-MH)第三十五页，共73页。圆柱电池(diànchí)组合形式焊接(hànjiē)方式的圆柱串并联组合系统第三十六页，共73页。圆柱形电池的串并联组合(zǔhé)形式柔性防振动(zhèndòng)串并联组合设计密封散热结构设计连接(liánjiē)可靠，导流面积大多方向组合连接防震弹片式串并联组合第三十七页，共73页。方形电池组合(zǔhé)形式Prius车电源(diànyuán)系统第三十八页，共73页。方形电池组合(zǔhé)形式混合电动客车(kèchē)用车电源系统（Ni-MH)第三十九页，共73页。软包装电池(diànchí)组合形式第四十页，共73页。串并联组合(zǔhé)设计注意点如何降低电池(diànchí)组合的内阻串联容量的一致性并联内阻的均匀性单体电池(diànchí)电流的均匀性第四十一页，共73页。国内与国外电池及系统(xìtǒng)设计的差别1注重电池与组合、系统整体(zhěngtǐ)设计

2注重应用过程中的均一性设计（温度、电流）Prius电池(diànchí)结构的改进第四十二页，共73页。均衡(jūnhéng)的目的和意义第四十三页，共73页。现有的均衡(jūnhéng)技术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(zuìhòu)有作用；均衡电流有限，作用不明显混合动力应用中实时均衡可在一定程度上提高一致性，延长维护周期第四十四页，共73页。均衡(jūnhéng)的目的均衡的目的是补充(bǔchōng)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第四十五页，共73页。均衡电流(diànliú)的大小弥补电池自放电引起的差别(chābié)假设电池自放电每月最大差别(chābié)10%，电池组容量500Ah。充电时间5~8h，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400~500mA即可。第四十六页，共73页。均衡(jūnhéng)的研究与发展目前通常仅依靠电压或电压差别来考虑均衡如何将电池内阻等参数结合(jiéhé)进去放电均衡的高效果实现第四十七页，共73页。电池(diànchí)组的寿命与单体电池(diànchí)寿命为何差异巨大第四十八页，共73页。宏观(hóngguān)环境的差异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(fúhé)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。第四十九页，共73页。电池(diànchí)包内环境温度的差异通常控制电池包内温差不超过5℃5℃的差别(chābié)电池之间衰减速度差别(chābié)就达30%

控制电池包温差的主要原因之一第五十页，共73页。微观(wēiguān)环境的影响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电池组设计(shèjì)电流分布的差异PACK设计(shèjì)的重要性第五十一页，共73页。电池自身(zìshēn)一致性的影响电池(diànchí)组单体电池(diànchí)容量一致性的差异组合电池(diànchí)容量的控制电池(diànchí)内阻/极化内阻的控制

组合初期电池(diànchí)一致性的重要性第五十二页，共73页。使用(shǐyòng)状况的复杂型行驶工况的差异安装位置的差异行驶习惯的差异充电(chōngdiàn)条件的差异针对实际应用条件设计的重要性第五十三页，共73页。纯电动汽车用动力电源系统(xìtǒng)的设计第五十四页，共73页。动力(dònglì)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(zuìjiā)使用性能的动力电源系统。安全性要求电性能要求电池选型与系统配置

第五十五页，共73页。要解决(jiějué)的问题在允许的尺寸、重量范围内进行(jìnxíng)结构和工艺设计，使其满足整车系统的用电要求寻找简单可行的工艺降低成本在条件许可的情况下，提高产品的技术性能克服和解决环境污染问题第五十六页，共73页。设计(shèjì)流程第五十七页，共73页。确定(quèdìng)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(diànliú)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第五十八页，共73页。确定的参数(cānshù)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(jièzhì)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、与充电机通讯第五十九页，共73页。需要了解(liǎojiě)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。1）整车参数2）整车电机参数3）整车要求的续驶里程(lǐchéng)4）反馈功率5）电源系统安装空间尺寸，安装固定要求6）电源系统质量要求7）充电方式及接口8）车辆行驶工况9）使用环境温度范围10）充电环境温度范围11）辅助系统功率要求12）辅助电源特征参数第六十页，共73页。电源系统设计(shèjì)步骤1）确定整车设计要求2）确定电机要求3）确定电源系统的功率需求4）确定电源系统的电压范围5）确定电源系统所需电池类型6）确定电源系统的SOC应用范围7）确定电源系统的有效容量范围和实际容量8）确定电源系统组合结构形式9）确定电源系统BMS要求10）确定电源系统的接口11）确定其他的散热方式、气体来源、充电方式等12）仿真(fǎnɡzhēn)模拟验证13）设计优化第六十一页，共73页。车辆(chēliàng)参数第六十二页，共73页。（1）确定车辆(chēliàng)的功率需求汽车功率平衡关系应满足(mǎnzú)：

最高车速对应的车辆功率需求Pv1为：

最大爬坡度αm对应的车辆需求功率Pv2为，

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。

第六十三页，共73页。（2）确定系统电压(diànyā)范围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。国标中推荐的电动汽车电机的电源电压等级为：120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V等。标准要求电机及控制器在电源电压为120％~75%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%。整车采用384V的电机为例。电源系统的正常工作电压应在300~460V的范围内。选用LiFePO4体系(tǐxì)的锂离子电池，120只串联的系统。第六十四页，共73页。（3）电源系统(xìtǒng)最大输出功率/电流电源系统功率需求电机功率为110KW，假设(jiǎshè)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/（0.9×0.95）+8=137KW。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/（384×0.9）=396A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）设计冗余保证30%的设计冗余是必要的第六十五页，共73页。（4）最大回馈电流(diànliú)的确定回馈功率与车辆控制策略有关(yǒuguān)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=162A回馈时间：据车辆工况要求定（如10s)SOC范围：根据电池特性确定，如在70%SOC。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。第六十六页，共73页。（5）电源(diànyuán)系统SOC应用范围确定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95~100%，放电应剩余5~10%的容量，可以更好的保护系统中的弱势(ruòshì)电池。建议应用范围在10~90%SOC。第六十七页，共73页。（6）电源系统(xìtǒng)容量的确定(a)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）=325AhSOC应用范围(fànwéi)