动力电池的设计与测试.pdf

自顶向下的汽车动力电池系统自顶向下的汽车动力电池系统自顶向下的汽车动力电池系统自顶向下的汽车动力电池系统 优化设计与测试优化设计与测试优化设计与测试优化设计与测试 同济大学汽车学院同济大学汽车学院同济大学汽车学院同济大学汽车学院 上海恒动汽车电池有限公司上海恒动汽车电池有限公司上海恒动汽车电池有限公司上海恒动汽车电池有限公司 魏学哲魏学哲魏学哲魏学哲 2013201320132013年元月年元月年元月年元月 目录目录目录目录 电池设计与测试电池设计与测试电池设计与测试电池设计与测试 汽车动力系统对确定性和优化的需求汽车动力系统对确定性和优化的需求汽车动力系统对确定性和优化的需求汽车动力系统对确定性和优化的需求 小结小结小结小结 a picture of ev chasis 1. introduction of electric vehicle & battery technology1. introduction of electric vehicle & battery technology1. introduction of electric vehicle & battery technology1. introduction of electric vehicle & battery technology energy flow in ev powertrain system a sketch diagram of ev powertrain introduction of electric vehicle & battery technologyintroduction of electric vehicle & battery technologyintroduction of electric vehicle & battery technologyintroduction of electric vehicle & battery technology r e-motor power general hev erev bev phev internal combustio n engine vehicles hev ice power %100= total elec p p r how to define degree of hybrid?： r- hybrid degree pelecpower of e-motor ptotaltotal power of driving typical vehicle models for different degrees of hybrid: classification of the electric vehicle 同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲, subsystemsubsystemsubsystemsubsystem systemsystemsystemsystem componentcomponentcomponentcomponent 系统分级结构系统分级结构 2011/1/18 5 virtualreal 基于模型的基于模型的基于模型的基于模型的v v v v模式开发流程模式开发流程模式开发流程模式开发流程 continuous test against spec. through simulation continuous test against spec. through simulation specification specification function specification function specification partition partition component design component design build component build component integration integration package package hw / sw design hw / sw design 传统内燃机与动力电池对比 都具有很强的都具有很强的 非线性，但电非线性，但电 池系统同时还池系统同时还 具有时变性的具有时变性的 特点特点 都具有很强的都具有很强的 非线性，但电非线性，但电 池系统同时还池系统同时还 具有时变性的具有时变性的 特点特点 汽车动力系统的确定性与驾驶员的信赖感 线性到非线性系统控制过程线性到非线性系统控制过程 mapmapmapmap，模糊控制，滑模控制，神经网络，模糊控制，滑模控制，神经网络 等等 线性到非线性系统控制过程线性到非线性系统控制过程 mapmapmapmap，模糊控制，滑模控制，神经网络，模糊控制，滑模控制，神经网络 等等 线性到非线性线性到非线性时变时变系统控制过程系统控制过程 等效电路模型，数据经验模型等效电路模型，数据经验模型 线性到非线性线性到非线性时变时变系统控制过程系统控制过程 等效电路模型，数据经验模型等效电路模型，数据经验模型 油门踏板油门踏板 线性输入线性输入 油门踏板油门踏板 线性输入线性输入 动力系统动力系统 ecuecuecuecu 动力系统动力系统 ecuecuecuecu 动力电池系统的非线性与时变性 电池容量与内阻在不同温度和电池容量与内阻在不同温度和socsocsocsoc状态下具有较大差异性状态下具有较大差异性电池容量与内阻在不同温度和电池容量与内阻在不同温度和socsocsocsoc状态下具有较大差异性状态下具有较大差异性 动力电池系统的非线性与时变性 电池的容量随温度的变化而变化，其内阻随温度与电池的容量随温度的变化而变化，其内阻随温度与socsocsocsoc的变化而变化的变化而变化 电池容量与内阻在不同放电电流下具有较大差异性电池容量与内阻在不同放电电流下具有较大差异性 电池容量与内阻在不同放电电流下具有较大差异性电池容量与内阻在不同放电电流下具有较大差异性 动力电池系统的非线性与时变性 电池容量和内阻在寿命周期内不断变化电池容量和内阻在寿命周期内不断变化 即电池的容量特性和功率特性具有很强的非线性和时变即电池的容量特性和功率特性具有很强的非线性和时变 性，由此给动力系统设计和控制带来不确定性性，由此给动力系统设计和控制带来不确定性 即电池的容量特性和功率特性具有很强的非线性和时变即电池的容量特性和功率特性具有很强的非线性和时变 性，由此给动力系统设计和控制带来不确定性性，由此给动力系统设计和控制带来不确定性 降低不确定性的途径 足够的冗余设计（主要指功率特性） 温度控制，减少温度范围， 全面的电池信息监测，实现与动力系统的协调控制（在 混合动力系统中尤其有其实际意义） 目录目录目录目录 电池设计与测试电池设计与测试电池设计与测试电池设计与测试 汽车动力系统对确定性的需求汽车动力系统对确定性的需求汽车动力系统对确定性的需求汽车动力系统对确定性的需求 总结总结总结总结 电池测试分类 面向电池评估测试 单体安全性 指标测试 面向电池系统的设计与测试 电池内部建模与测试 单体电池测试 bms测试 电池模块及系统级测试 面向动力系统的设计与测试 静态设计与测试 动力系统级的模型化 面向非线性的测试与建模 面向时变性的测试与建模 电池评估测试 安全性 针刺、挤压、短路、过充、过热、跌落等 能量密度 功率密度 循环寿命 搁置寿命 传统测试认为，电池内阻增加传统测试认为，电池内阻增加 50%50%50%50%，容量衰减为原来的额，容量衰减为原来的额80%80%80%80%即即 为动力电池系统的寿命终结，这个为动力电池系统的寿命终结，这个 说法是缺少科学依据的说法是缺少科学依据的 传统测试认为，电池内阻增加传统测试认为，电池内阻增加 50%50%50%50%，容量衰减为原来的额，容量衰减为原来的额80%80%80%80%即即 为动力电池系统的寿命终结，这个为动力电池系统的寿命终结，这个 说法是缺少科学依据的说法是缺少科学依据的 电池系统的寿命终结点 在ev等重视能量特性的场合中，电池的内阻增 加50%，并不一定意味着电池系统的寿命终结； 在phev、hev等重视功率特性的场合中，电池的 容量衰减为原来的80%也并不意味着电池系统的 寿命终结 需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点 需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点 17171717 多孔电极理论多孔电极理论 butler-vomer电化学方程butler-vomer电化学方程 粒子扩散理论粒子扩散理论 基于这一理论的电池 模型能够预测电池充 放电曲线。 基于这一理论的电池 模型能够预测电池充 放电曲线。 面向电池系统设计的测试-电池内部建模与测试 18181818 建立单电极模型建立单电极模型 单体电池充放电实验 标准工况测试 单体电池充放电实验 标准工况测试 耦合寿命模型耦合寿命模型 单体电池 循环工况测试 单体电池 循环工况测试 电池系统 随机工况测试 电池系统 随机工况测试 联合仿真平台联合仿真平台 在那些难以进行原位测试的研究中，通过求解偏微分方程组，就可以根据 电池表观属性计算得到内部离子浓度、电压电流、热量等动态分布特性 在那些难以进行原位测试的研究中，通过求解偏微分方程组，就可以根据 电池表观属性计算得到内部离子浓度、电压电流、热量等动态分布特性 面向电池系统设计的测试-电池内部建模与测试 面向电池系统设计的测试-单体电池测试 单体电池测试 工作区间 p/e ratio 温度特性 面向电池系统设计的测试-单体电池测试 单体电池测试 一致性分选 循环寿命、搁置寿命、特定工况寿命 电池成组电池成组电池成组电池成组 b b b bb b b b e e e e e e e e c c c c c c c c dddddddd a a a aa a a a 批次工艺配批次工艺配 组组 容量配组容量配组 静置曲线配静置曲线配 组组 内阻一致性内阻一致性 配组配组 充放电曲线拟合充放电曲线拟合 配组配组 就电池而言，电池配组需要就电池而言，电池配组需要就电池而言，电池配组需要就电池而言，电池配组需要 考虑电池的容量、衰减速率、考虑电池的容量、衰减速率、考虑电池的容量、衰减速率、考虑电池的容量、衰减速率、 电池在充放电态所表现的特电池在充放电态所表现的特电池在充放电态所表现的特电池在充放电态所表现的特 性以及电池在静止态所表现性以及电池在静止态所表现性以及电池在静止态所表现性以及电池在静止态所表现 出的特性。出的特性。出的特性。出的特性。 电池系统的寿命终结点应该考虑以下两个方面：电池系统的寿命终结点应该考虑以下两个方面：电池系统的寿命终结点应该考虑以下两个方面：电池系统的寿命终结点应该考虑以下两个方面： 当前电池系统的能量和功率特性是否满足当前应用的最低需要；当前电池系统的能量和功率特性是否满足当前应用的最低需要；当前电池系统的能量和功率特性是否满足当前应用的最低需要；当前电池系统的能量和功率特性是否满足当前应用的最低需要； 当前电池系统是否还具有确定性、可控性，即控制系统误差是否在当前电池系统是否还具有确定性、可控性，即控制系统误差是否在当前电池系统是否还具有确定性、可控性，即控制系统误差是否在当前电池系统是否还具有确定性、可控性，即控制系统误差是否在 当前应用的忍受范围之内当前应用的忍受范围之内当前应用的忍受范围之内当前应用的忍受范围之内 面向电池系统设计的测试-bms测试 bms测试 功能测试 故障诊断测试 电磁兼容测试 面向动力系统设计的测试-模块及整车级别测试 电池模块及系统级别测试 可靠性测试 防水、防尘、震动、冲击、高低温、盐雾等 安全性测试 高压电安全：电击 电池系统安全：起火、爆炸 全寿命周期功率特性测试 全寿命周期能量特性测试 整车级别测试 测功机测试 道路测试 面向动力系统设计与控制的建模 uddsuddsuddsudds工况工况 uddsuddsuddsudds工况工况 电池模型电池模型电池模型电池模型 自顶向下迭代自顶向下迭代 自顶向下迭代自顶向下迭代 面向电池系统的静态设计与测试 电动机参数设计 （功 率） 动力电池参数设计 功 率 和 能 量） 电动机参数设 计 动力电池参数 （功 率 和 能 量 需 求） 发动机参数设 计 for evfor ev for hevfor hev 整车性能仿真和优化 动 力 性、经 济 性） 电池寿命预测模型 动力电池参数确定 （电 压 等） 是否满足电池寿命要求？ 输 出 结 果 计算下一组参数 n 优化处理计算 动力电池动力电池 系统确定系统确定 性是否已性是否已 丢失丢失 动力电池动力电池 系统确定系统确定 性是否已性是否已 丢失丢失 面向动力系统控制的测试 由于动力电池系统具有很强的非线性与时变性，因此在 动力电池系统控制时需要同时用到以下两种策略： 特定状态下对应电池能量与功率特性非线性的表格 全寿命周期下电池状态跟踪 描述电池能量与描述电池能量与 功率特性的表格功率特性的表格 描述电池能量与描述电池能量与 功率特性的表格功率特性的表格 全寿命周期下全寿命周期下 电池状态估计电池状态估计 全寿命周期下全寿命周期下 电池状态估计电池状态估计 电电 压压 电电 压压 电电 压压 电电 压压 温温 度度 温温 度度 电电 流流 电电 流流 时时 间间 时时 间间 socsocsocsoc socsocsocsoc 温温 度度 温温 度度 电电 流流 电电 流流 寿命寿命 寿命寿命p p p plimit limitlimitlimit p p p plimit limitlimitlimit 修正修正 修正修正 待 辨 识 系 统 系 统 模 型 辨 识 算 法 对 象 ( ) z t ( )z t ( ) t ( )z t ( )v t ( )u t 针对模型时变的方法针对模型时变的方法- - - - 参数辨识参数辨识 针对模型时变的方法针对模型时变的方法- - - - 参数辨识参数辨识 面向动力系统控制的测试 描述电池能量与功率特性的表格 u u r3 c3 （1）计算卡尔曼增益 （2）状 态 更 新 （3）方 差 更 新 状态一步预测） (,) kkkkkk g + =+xxl yxuxxl yxuxxl yxuxxl yxu 0 0000 ()() t x e + = xxxxxxxxxxxxxxxx 11 kk t xkxkw + =+ a a a a a a a a 1 () kk tt kxkkxkv =+l l l l cccccccc c c c c () kk xkkx + = il cil cil cil c kalman filter p c bm s 电 池 包 电 子 负 载（arbin/digatron） etherneet c a n 电 流 霍 尔 autobox v i u 0102030405060708090100 3.88 3.89 3.9 3.91 3.92 3.93 3.94 3.95 (s) ( ) 处于寿命阶段处于寿命阶段t t t tn n n n的的 电池性能测试电池性能测试 处于寿命阶段处于寿命阶段