车用动力电池系统设计与性能分析2.0.ppt

单击此处编辑母版标题样式,资料来源：,Foton Motor Group,|,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,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,三大问题：,能源危机 环境污染 温室气体,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 能,太阳能,生物质能,智能电网,动力,电池系统,储能电站,储能电池,能源危机,新能源开发,可再生能源开发,环境污染,降低,能源消耗,减少,CO,2,排放,纯电动汽车,混合动力,燃料电池车,解决途径,温室气体,第,一部分 动力电池系统需求分析,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。,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。,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,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,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。,第,一部分 动力电池系统需求分析,动力电池及其管理,电机及控制,整车控制,基于,CAN,总线的网络通讯和控制,热管理,整车的试验及匹配标定,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,电动汽车,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,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。,系统,效率,日历寿命,循环寿命,材料成本,维护成本,充放电效率,寿命,性能,成本,倍率特性,功率特性,动力电池,安全性,车,用动力电池的关键因素,9,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,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）,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,动专用车,HEV,PHEV,EV,EV,迷迪,2T/3T,8T,16T,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,模块设计,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,热管理设计,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,。,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,：,18,1,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：,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；,功率,能量,寿命,安全,BMS,设计,第二部分 动力电池系统设计要点,21,序号,负责系统,名称,1,电池包,水冷板,2,加热器,3,整车热管理系统,chiller,4,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设计，风道、风扇的位置及功率的选择。,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。,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。,第二部分 动力电池系统设计要点,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,-30-60,C,范围内正常工作。,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,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,A,样件,B,样件,C,样件,功能验证,DV,验证,PV,验证,BMS,测试,模块测试,电气件测试,电池系统,(,性能测试,+,安全测试,),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。,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,2,SOC,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,，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,-40,85,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 A,3,低温启动,1)FSC A,4,功率温度循环,1)FSC A,5,热冲击,1)FSC A,6,湿热循环,(,结合温度,/,湿度循环测试,),1)FSC A,7,湿热常数,(,湿热,稳态测试,),1)FSC A,8,Free Fall,1)Minor visible 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 shall be C.,9,HTD,(,高温老化,),1)FSC A,10,振动,(,热循环,),1)FSC A,11,机械冲击,-,Pothole,1)FSC A,12,机械冲击,-Collision,1)FSC C,13,低压测试,1)FSC A,C,D,14,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 perform 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 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 the 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（,-18,C,和,-30,C,）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。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，室温到,40,，,SOC,变化范围,30%,到,80%,，考察其衰减及老化特性；具体参数见标准（考虑到现有条件和费用问题，建议室温下进行）,满足设计规格,寿命,24,低温存储,本测试详细方法及过程需要参考,2006,规定。温度：,-10,，时间：,24,小时；工作模式：,ISO 16750-1,中所定义,1.1,，系统不带电，线束不连接,通过准则：达到,ISO 16750-1,中所定义的,C,级,存储性能,25,高温存储,模拟电池包无电气操作时暴露在高温状态下的耐热性能，失效模式为耐热性不足。本测试详细方法及过程需要参考,ISO 16750-4 2006,规定。温度：,45,，时间：,48,小时；工作模式：,ISO 16750-1,中所定义,1.1,，系统不带电，线束不连接,达到,ISO 16750-1,中所定义的,C,级,26,绝缘电阻检测,验证测量电池包高压正负极之间、总正输出端和总负输出端与外壳间的绝缘性能。施加一个至少为动力系统标称电压,1.5,倍或,500Vdc,电压，两者取较高值,满足设计规格,第三部分 动力电池系统性能分析,30,序号,试验项目,适用范围,判定标准,类型,1,振动试验,蓄电池包或系统,无泄漏、外壳破裂、着火、爆炸,机械安全性,蓄电池包或系统的电子装置,2,机械冲击,蓄电池包或系统,3,跌落,蓄电池包或系统,4,翻转,蓄电池包或系统,5,模拟碰撞,蓄电池包或系统,6,挤压,蓄电池包或系统,7,温度冲击,蓄电池包或系统,无泄漏、外壳破裂、着火、爆炸,环境安全性,8,湿热循环,蓄电池包或系统,9,海水浸泡,蓄电池包或系统,无着火、爆炸,10,外部火烧,蓄电池包或系统,无爆炸,11,盐雾,蓄电池包或系统,无泄漏、外壳破裂、着火、爆炸,12,高海拔,蓄电池包或系统,13,过温保护,蓄电池系统,管理系统起作用，无泄漏、外壳破裂、着火、爆炸,电安全性,14,短路保护,蓄电池系统,15,过充电保护,蓄电池系统,16,过放电保护,蓄电池系统,总计,16,项安全性测试项目,电池系统安全性测试项目,第三部分 动力电池系统性能分析,31,结 论,车用动力电池系统设计过程中，需将整车设计要求转化为电池系统设计要求。,动力电池系统设计重点为系统设计、模块设计、电气设计、,BMS,设计、热管理设计和安全设计。,动力电池系统性能分析时，需要经过模块、,BMS,和电气性能验证，集成后进行性能与安全性测试。,32,32,32,谢 谢！,