動力電池的教案第1頁/共77頁目錄鋰離子電池為何可并聯(lián)應(yīng)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)計第2頁/共77頁鋰離子電池為何可并聯(lián)應(yīng)用？第3頁/共77頁鋰離子電池的充電特點(diǎn)電壓嚴(yán)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(yīng)第4頁/共77頁鋰電池為何能并聯(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大第5頁/共77頁并聯(lián)電池的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)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(jìn)行單只電池維護(hù)與更換，降低維護(hù)成本。第6頁/共77頁并聯(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。第7頁/共77頁電池串并聯(lián)組合的可靠性第8頁/共77頁影響單體電池可靠性的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(fù)極組(r4)、電解液(r5)等電池的可靠性=r1×r2×r3×r4×r5

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(yīng)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。第9頁/共77頁不同組合方式的數(shù)學(xué)模型可靠性方面串聯(lián)數(shù)學(xué)模型：并聯(lián)數(shù)學(xué)模型：串并聯(lián)數(shù)學(xué)模型：并串聯(lián)數(shù)學(xué)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。第10頁/共77頁并串聯(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)流處理第11頁/共77頁單體電池具有獨(dú)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100Ah2：100Ah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0.99。單體電池可靠性不獨(dú)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）100＝0.366方案2的可靠性

R2＝（0.99）100＝0.366結(jié)論：1串聯(lián)電池數(shù)量越多，電池組可靠性越低

2100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(dá)到0.9993單體電池可靠性不獨(dú)立，則大電池、小電池并串聯(lián)組合可靠性相同。第12頁/共77頁單體電池具有獨(dú)立可靠性的比較單體電池可靠性獨(dú)立（并聯(lián)電池有1只故障，并不影響其他電池的應(yīng)用）：方案1的可靠性

若有2只電池或2只以上的電池?fù)p壞，則并聯(lián)組失效（按容量80%終止假設(shè)）R1＝（0.99910+C1090.9999*0.001）100＝0.991方案2的可靠性

R2＝（0.99）100＝0.366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(dú)立，采用小電池并聯(lián)可大幅度提高電池組可靠性第13頁/共77頁大容量電池與小容量電池并聯(lián)特征第14頁/共77頁大容量電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)組合方便指標(biāo)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(yīng)用體積優(yōu)勢缺點(diǎn)工藝復(fù)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）第15頁/共77頁小容量電池的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)大容量電池需并聯(lián)應(yīng)用串并聯(lián)組合設(shè)計復(fù)雜，組合成本高串并聯(lián)組合體積大，影響部分應(yīng)用第16頁/共77頁小容量電池串并聯(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(hù)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第17頁/共77頁熱量分布均勻性第18頁/共77頁小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較第19頁/共77頁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(biāo)。電動汽車電池的使用特點(diǎn)：高速移動、劇烈震動、高溫工作、快速充放電，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(yán)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。第20頁/共77頁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(xué)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，均存在安全性問題第21頁/共77頁安全性本質(zhì)：電池中的能量以20Ah鋰離子電池為例:20Ah（3.6V）

72Wh259.2KJ1克TNT4.20KJ20Ah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(dāng)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。第22頁/共77頁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/mL1克汽油

42KJ1克TNT4.183KJ1Ah電池的電解液能量

178.9KJ1Ah電池的電解液能量

42.6克TNT20Ah電池的電解液能量

832克TNT注意：該能量不具備直接爆炸條件第23頁/共77頁安全性結(jié)論1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差2、保護(hù)措施

外置保護(hù)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(hù)不能解決電池內(nèi)部問題

電池設(shè)計質(zhì)量控制

PACK設(shè)計第24頁/共77頁安全性比較小容量電池容易實現(xiàn)多充保護(hù)措施(單體電池保護(hù)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(hù)措施少內(nèi)部問題釋放能量大，連鎖反應(yīng)引起周圍電池故障，安全失控第25頁/共77頁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)變壞第26頁/共77頁不同結(jié)構(gòu)的電池特性第27頁/共77頁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較圓柱形方形軟包裝安全性安全閥雙重保護(hù)，PTC泄氣閥外殼保護(hù)耐壓性高中差功率性能好較好一般組合體積大小小組合成本高低低形狀標(biāo)準(zhǔn)殼體金屬或塑料殼體，改變較難可以制作成各種大小電池散熱性能良好一般差工藝性成熟，易于自動化生產(chǎn)一般一般組合特點(diǎn)體積大，散熱表面大組合體積小，組合工藝簡單組合工藝較簡單，機(jī)械強(qiáng)度低應(yīng)用領(lǐng)域廣泛（動力類及消費(fèi)類）動力電池動力電池第28頁/共77頁電池結(jié)構(gòu)

軟包裝

方形

圓柱第29頁/共77頁電池結(jié)構(gòu)第30頁/共77頁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。第31頁/共77頁電池組合形式第32頁/共77頁圓柱電池的并串聯(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(dǎo)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：連接件的銹蝕改裝Prius車電源系統(tǒng)（圓柱鋰離子電池）第33頁/共77頁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(fù)電極及固定件。2、螺栓、螺柱結(jié)構(gòu)設(shè)計第34頁/共77頁圓柱電池組合形式福特車電源系統(tǒng)（Ni-MH)第35頁/共77頁圓柱電池組合形式焊接方式的圓柱串并聯(lián)組合系統(tǒng)第36頁/共77頁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(dǎo)流面積大多方向組合連接防震彈片式串并聯(lián)組合第37頁/共77頁方形電池組合形式Prius車電源系統(tǒng)第38頁/共77頁方形電池組合形式混合電動客車用車電源系統(tǒng)（Ni-MH)第39頁/共77頁軟包裝電池組合形式第40頁/共77頁串并聯(lián)組合設(shè)計注意點(diǎn)如何降低電池組合的內(nèi)阻串聯(lián)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第41頁/共77頁國內(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(yīng)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(jìn)第42頁/共77頁均衡的目的和意義第43頁/共77頁現(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(hù)是否有作用有專門的充放電保護(hù)，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(yīng)用中實時均衡可在一定程度上提高一致性，延長維護(hù)周期第44頁/共77頁均衡的目的均衡的目的是補(bǔ)充由于電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(yīng)用中環(huán)境不一致引起的自放電差別第45頁/共77頁均衡電流的大小彌補(bǔ)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5~8h，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400~500mA即可。第46頁/共77頁均衡的研究與發(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(jìn)去放電均衡的高效果實現(xiàn)第47頁/共77頁電池組的壽命與單體電池壽命為何差異巨大第48頁/共77頁宏觀環(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Arrhenius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。第49頁/共77頁電池包內(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(dá)30%

控制電池包溫差的主要原因之一第50頁/共77頁微觀環(huán)境的影響電池模塊內(nèi)溫度的差異應(yīng)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)計電流分布的差異PACK設(shè)計的重要性第51頁/共77頁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第52頁/共77頁使用狀況的復(fù)雜型行駛工況的差異安裝位置的差異行駛習(xí)慣的差異充電條件的差異

針對實際應(yīng)用條件設(shè)計的重要性第53頁/共77頁純電動汽車用動力電源系統(tǒng)的設(shè)計第54頁/共77頁動力電源系統(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

第55頁/共77頁要解決的問題在允許的尺寸、重量范圍內(nèi)進(jìn)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)境污染問題第56頁/共77頁設(shè)計流程第57頁/共77頁確定的參數(shù)與解決的問題（1）電氣特性：標(biāo)稱電壓及運(yùn)行電壓范圍標(biāo)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第58頁/共77頁確定的參數(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(jī)械性能、防護(hù)性能等要求（5）BMS要求BMS具備的管理與保護(hù)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、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(jī)通訊第59頁/共77頁需要了解的整車信息

對整車的了解越詳細(xì)，設(shè)計的電源系統(tǒng)越完善。不僅僅是電機(jī)、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(yùn)行工況等均需進(jìn)行詳細(xì)了解。1）整車參數(shù)2）整車電機(jī)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)第60頁/共77頁電源系統(tǒng)設(shè)計步驟1）確定整車設(shè)計要求2）確定電機(jī)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(yīng)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)化第61頁/共77頁車輛參數(shù)第62頁/共77頁（1）確定車輛的功率需求汽車功率平衡關(guān)系應(yīng)滿足：

最高車速對應(yīng)的車輛功率需求Pv1為：

最大爬坡度αm對應(yīng)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?？梢缘玫杰囕v的最高車速、最大爬坡度和全力加速時車輛對應(yīng)的功率需求。分別為98.7KW，91.8KW、65KW。

第63頁/共77頁（2）確定系統(tǒng)電壓范圍根據(jù)整車所選擇的電機(jī)，確定電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓及電壓應(yīng)用范圍。國標(biāo)中推薦的電動汽車電機(jī)的電源電壓等級為：120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V等。標(biāo)準(zhǔn)要求電機(jī)及控制器在電源電壓為120％~75%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(jī)額定電壓的80%。整車采用384V的電機(jī)為例。電源系統(tǒng)的正常工作電壓應(yīng)在300~460V的范圍內(nèi)。選用LiFePO4體系的鋰離子電池，120只串聯(lián)的系統(tǒng)。第64頁/共77頁（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(jī)功率為110KW，假設(shè)電機(jī)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/（0.9×0.95）+8=137KW。最大輸出電流

系統(tǒng)標(biāo)稱電壓384V。大功率輸出下以低于標(biāo)稱電壓10%計算。Idmax=Pmax/V=137000/（384×0.9）=396A

持續(xù)時間

以整車要求為準(zhǔn)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)計冗余是必要的第65頁/共77頁（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(jī)的最大功率。110KW電機(jī)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(jī)械制動和電機(jī)制動能量回收的比例。電機(jī)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。第66頁/共77頁（5）電源系統(tǒng)SOC應(yīng)用范圍確定為更好的保護(hù)電源系統(tǒng)，一般應(yīng)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95~100%，放電應(yīng)剩余5~10%的容量，可以更好的保護(hù)系統(tǒng)中的弱勢電池。建議應(yīng)用范圍在10~90%SOC。第67頁/共77頁（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(jī)標(biāo)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）=325AhSOC應(yīng)用范圍為10~90%。則實際電源系統(tǒng)的容量應(yīng)能達(dá)到

325/0.8=407Ah第68頁/共77頁（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(biāo)稱電壓384V。則：電源系統(tǒng)容量=200*630/384=328Ah即電池組實際應(yīng)能提供328Ah的容量。電源系統(tǒng)的容量應(yīng)為328/0.8=410Ah（0.8為車