动力锂离子电池组的设计与应用.ppt

1、新能源汽车锂离子电池组的设计与应用,目录,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 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,锂离子电池为何可并联应用？,锂离子电池的充电特点,电压严格限制，受温度等变动影响不大；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,锂电池为何能并联？,充电为最高电压限制，并联电池电压一致 充电、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

2、大,并联电池的优点,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，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,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 并联电池的自放电基本一致。 并联电池容量不能差别太大。,电池串并联组合的可靠性,影响单体电池可靠性的

3、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(r2)、正极组(r3)、负极组(r4)、电解液(r5)等 电池的可靠性=r1r2r3r4r5 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。,不同组合方式的数学模型,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

4、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,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处理,单体电池具有独立可靠性的比较,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100Ah 2：100Ah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

5、.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）： 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,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

6、*0.001）1000.991 方案2的可靠性 R2（0.99）1000.366 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，采用小电池并联可大幅度提高电池组可靠性,大容量电池与小容量电池并联特征,大容量电池的特点,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 部分结构电池（如软包装等，引流能力受限）,小容量电池的特点,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，h指高度，r指半径； 方形电池时，比表

7、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,小容量电池串并联与大容量电池的安全性,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,热量分布均匀性,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,安全性是电动汽车第一指标。 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，

8、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。,世界上没有绝对安全的电池,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

9、,安全性本质：电池中的能量,以20Ah锂离子电池为例: 20Ah （3.6V） 72Wh 259.2KJ 1 克TNT 4.20KJ 20Ah锂离子电池的能量 61.7克TNT能量,20Ah锂离子电池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。,电解液的能量,锂离子电池的电解液用量 6mL/AH 汽油的密度 0.71克/mL 1 克汽油 42KJ 1 克TNT 4.183KJ 1 Ah电池的电解液能量 178.9KJ 1 Ah电池的电解液能量 42.6克 TNT 20 Ah电池的电解液能量 832克 TNT,注意：该能量不具备直接

10、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,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 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,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

11、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,结构特点比较,电池结构,软包装,方形,圆柱,电池结构,代表性厂家,圆柱形产品：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。,电池组合形式,圆柱电池的并串联组合形式,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，叠层组合难度大 问题4：

12、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,柔性防振动串并联组合设计 密封散热结构设计,连接可靠，导流面积大,多方向组合连接,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,如何降低电池组合的内阻 串联

13、容量的一致性 并联内阻的均匀性 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 2 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,现有的均衡技术,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,均衡的目的,均衡的目的是补充由于电

14、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,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,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进去 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,宏观环境的差异,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A

15、rrhenius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,微观环境的影响,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 电池组设计电流分

16、布的差异 PACK设计的重要性,电池自身一致性的影响,电池组单体电池容量一致性的差异 组合电池容量的控制 电池内阻/极化内阻的控制 组合初期电池一致性的重要性,使用状况的复杂型,行驶工况的差异 安装位置的差异 行驶习惯的差异 充电条件的差异 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,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。 安全性要求 电性能要求 电池选型与系统配置,要解决的问题,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 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

17、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

18、、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。 1）整车参数 2）整车电机参数 3）整车要求的续驶里程 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,电源系统设计步骤,1）确定整车设计要

19、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）仿真模拟验证 13）设计优化,车辆参数,（1） 确定车辆的功率需求,汽车功率平衡关系应满足： 最高车速对应的车辆功率需求Pv1为 ： 最大爬坡度m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

20、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,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： 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。 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%。 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，1

21、20只串联的系统。,（3）电源系统最大输出功率/电流,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。 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 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,（4）最大回馈电流的确定,回馈功率与车辆控制策略有关 回馈功率小于电机的最大功率。110KW电机

22、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。,（5）电源系统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。 建议应用范围在1090%SOC。,（6）电源系统容量的确定 (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）=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),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