车用动力电池系统关键技术与学科前沿PPT课件.pptx

电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 1 本人学习工作简历 期间1985年9月 1990年7月1990年9月 1993年5月1993年6月 1997年1月1997年1月 2000年9月2000年11月 2011年3月 单位清华大学工程力学系北京空气动力研究所北京空气动力研究所日本东京大学日产汽车公司燃料电池研究所锂离子电池开发部 专业工程力学流体力学空气动力学空气动力学飞行力学空气动力学电化学燃料电池锂离子电池 学位 职称学士硕士工程师博士研究员 2011年4月 现在 清华大学汽车工程系 车用电化学动力源 百人计划教授 3 20 2020 1 电化学动力源研究室 日产期间的工作 ElectrochemicalPowerSources日产ZEV战略车型FCV航程2 3 20 2020 2 July15 周一 July16 周二 July17 周三 July18 周四 July19 周五 July20 周六 July21 周日 9 00 12 00 暑期学校开校说明 广田寿男早稻田大学客座教授 BoryannLiawProf HawaiiUniversityDiagnosticandPrognosticofLithium IonBattery 王俊敏Prof OhioStateUniversityAdvancedDieselEngineandAfter treatmentSystemControl 赵福全吉利控股集团有限公司副总裁自主创新的体系建设和绩效管理 汽车产品开发流程 广田寿男早稻田大学客座教授StatusandProspectofElectricVehicleTechnology TowardsaSustainableMobility 14 00 17 00 BMW 李春利日本爱知大学汽车社会的成本和交通战争张剑波清华大学教授ElectrochemicalPowerSourcesforVehicle汽车安全与节能国家重点实验室参观 汽车工程系电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 黄晨东上汽集团新能源事业部副总经理汽车产品的系统开发流程车用燃料电池系统的设计 管理与控制总结 颁发证书3 3 20 2020 3 电化学动力源研究室 ElectrochemicalPowerSources 车用动力电池系统关键技术 与学科前沿 张剑波 清华大学汽车工程系 jbzhang 2013年1月7日 4 3 20 2020 4 电化学动力源研究室 内容 ElectrochemicalPowerSources1 汽车电动化浪潮与五大普及难题2 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3 典型车用动力电池系统介绍4 车用动力电池系统的四大关键技术5 车用动力电池系统的两大科学问题6 总结5 3 20 2020 5 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电动化有助于能源多样化 3 20 2020 6 电动化带来高效率 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources7 3 20 2020 7 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电动化有更大的减排潜力 3 20 2020 8 电化学动力源研究室 主要电动汽车销售统计 HEV ElectrochemicalPowerSources丰田混合动力车的累计销售量 1997年到第10年的2007年突破100万台 2009年200万台 2011年300万台 2012年4月400万台9 3 20 2020 9 电化学动力源研究室 ElectrochemicalPowerSources 主要电动汽车累计销售量 PHEV BEV 10 3 20 2020 10 普及难题之一 里程短 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources11 3 20 2020 11 电化学动力源研究室 普及难题之二 成本高 ElectrochemicalPowerSources初期成本高1kWh电池 863计划目标2000元美国能源部PHEV40kWh 300 2014运营成本低 维护简单百公里耗电 油 15kWh 5L电价 0 5元 1kWh 7 5元油价 8元 L 40元12 3 20 2020 12 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 普及难题之三 安全性差 电池组着火事件频发 大部分是小公司生产的大容量电池 既有纯电动汽车 又有混合动力汽车 大部分的正极用的是磷酸铁锂 都是通过了安全验证13 3 20 2020 13 电化学动力源研究室 普及难题之四 寿命短 ElectrochemicalPowerSources 成组寿命 单体寿命 车辆寿命 寿命的成本意义 全生命周期 充电与换电14 3 20 2020 14 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 普及难题之五 充电难 15 15A 15A 16h8h 30min Fastcharging15 Regularcharge Home charge Chargingnetwork Chargeatdestination Chargeontheroad EVuses Chargingmethods OrdinarychargeType Charger Charger Charger Charger Single phase100VSingle phase200V Three phase200V Chooseregularorfastchargedependingonhowlongstay Powersource FastchargingHourstocharge NissanEV 3 20 2020 15 电化学动力源研究室 电池技术是普及的瓶颈 ElectrochemicalPowerSources 电池技术决定了xEV的特征 电池不仅是一个储能装置 也是决定最大功率 动力性能的主要因素 电池是决定EV性能 成本 布局 车内可用空间等特性的核心瓶颈技术 与数字式电子产品不同 电池的性能衰减直接影响到车辆的性能 内燃机汽车 纯电动汽车 能量储存产生功率 油箱内燃机 电池逆变器 马达 3 20 2020 16 围绕电池的汽车产业新一轮合纵连横 电化学动力源研究室 ElectrochemicalPowerSources 3 20 2020 17 电化学动力源研究室 内容 ElectrochemicalPowerSources1 汽车电动化浪潮与五大普及难题2 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3 典型车用动力电池系统介绍4 车用动力电池系统的四大关键技术5 车用动力电池系统的两大科学问题6 总结18 3 20 2020 18 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 锂离子电池结构与原理 RockingChair 依靠单一离子往返与电子的移动便能完成充放电Intercalation 能量密度大 体积变化小 寿命变长有机电解液 高电压化 电池材料选择的范围变宽 电压多样化 安全性电解液不参与反应 比能量提高 且易于维护 19 3 20 2020 19 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources LIB特性及其对BMS的要求 一致性20 选型 筛选 组配散热 加热 温度均衡等热管理技术状态估计 均衡等能量管理技术安全保证技术 多样性能量 功率特性温度特性充放特性过充 过放特性可用能量 3 20 2020 20 电化学动力源研究室 多样性 量身定制 ElectrochemicalPowerSources 有机电解液 材料选择多样化 多种分类方法 正极 负极 钴系 镍系 锰系 铁系 三元 固溶 LTO 电解液 液体 凝胶 高分子膜 全固态 常温熔融盐 功率型 能量型 兼顾型21 3 20 2020 21 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电池的能量 续驶里程 为了比较不同容量电池的充放电特性 将充放电电流用电池设计容量正则化 称为C倍率 Vdc容量 Ah 22 1C充电可以将完全放电的电池在1小时内全部充满的电流 忽略过电压 2C充电电流可以在半小时内充满对设计容量为100Ah的电池 1C 100A 2C 200A C 2 50A由于存在过电压 高倍率放电时 常常放不出实际拥有的容量电压 V Vcc0 5C 1C 2C 3 20 2020 22 电池充放电功率随DOD变化特性 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources23 3 20 2020 23 35A恒流放电电压 V 充电电压 V 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电池低温充放电特性 24 0 5 10 25 30 35 40 3 43 23 0 3 83 6 4 0 4 2 20 温度下放电 10 温度下放电 0 温度下放电 20 温度下放电 30 温度下放电 40 温度下放电 1520放电容量 Ah 0 5 10 15 20 25 30 35 3 43 2 3 83 6 4 0 4 2 充电容量 Ah 20 充电10 充电0 充电 10 充电 20 充电 30 充电 40 充电 3 20 2020 24 电化学动力源研究室 老化速度随温度的变化 1 T ElectrochemicalPowerSourcesLn 老化速度 低温区 Li析出 高温区 有机电解液分解Arrhenius法则成立区 10 C 60 C 15 C法则 温度升高15 C 寿命半减 寿命加速试验温度范围 电池适宜温度 20 35 C25 3 20 2020 25 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 温度对安全性的影响 内部组成物质之间隐含着一系列在不同温度下相互反应放出可观热量的副反应 诱发因素 Trigger 环境温度 充放电时局部热点 短路 外部 内部内部短路最终是否演化成为热失控 与电池荷电状态 温度 及短路部位等多种因素相关 锂离子电池热失控过程示意图26 3 20 2020 26 电化学动力源研究室 电池寿命随充放深度的变化 ElectrochemicalPowerSourcesChristianRosenkranz JohnsonControls atEVS20 3 20 2020 27 电化学动力源研究室 锂离子电池的过充 过放特性 ElectrochemicalPowerSources没有内在的过充防止机制 过充可能带来安全隐患每只电池的电压都必须监测 与传统商业模式不同 LIB都是和管理系统配套出售过放可能引起负极集电铜箔腐蚀 引起老化28 3 20 2020 28 I U 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电池的安全 适宜区域 29 T1 T6 T2T3 T4T5 T 低温区域 高温区域 标准温度区域推荐温度区域电流 电压安全区域 3 20 2020 29 电池可用能量 AvailableEnergy 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 倍率特性 C rate 低温特性 T 安全特性 SOC DOD 消耗能量30 0 充电功率 放电功率 100 SOP kW 最低充放电功率 功率要求 DOD 衰减 t cycles 3 20 2020 30 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电池的一致性 100个电池 AAAsize 300mAh 9g LiCoO2 重量 8 89 0 15g 1 69 70 9gOCV 3 880V 18mV 0 45 31 Q C 2 295 5 5 5mAh 1 9 Q C 5 298 6 4 7mAh 1 6 分极阻抗 83 25m Ah 30 OriginsandaccommodationofcellvariationsinLi ionbatterypackmodeling MatthieuDubarry NicolasVuillaumeandBorYannLiaw INTERNATIONALJOURNALOFENERGYRESEARCH Int J EnergyRes 2010 34 216 231 3 20 2020 31 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 普及难题与对策 价格高电池设计与制造 里程短电池材料 寿命短动力电池系统集成 安全性差电动汽车 充电难基础设施商业模式 单独靠材料自身的突破及电池设计的优化 不能解决全部问题 动力电池系统集成是核心技术之一 32 3 20 2020 32 电化学动力源研究室 内容 ElectrochemicalPowerSources1 汽车电动化浪潮与五大普及难题2 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3 典型车用动力电池系统介绍4 车用动力电池系统的四大关键技术5 车用动力电池系统的两大科学问题6 总结33 3 20 2020 33 电化学动力源研究室 ElectrochemicalPowerSources TeslaRoadster 底特律与硅谷的联姻 34 3 20 2020 34 电池单体 模块 电池组电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 单体 结构 18650型容量 约2 2Ah正极 LNO 模块 69节并联组成一组 brick 9组串联组成一层 sheet 11层串联组成电池组 电池组 容量 53kWh电压 375V重量 约450kg单体电池 6831节 充电时间 3 5h 3 20 2020 35 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 安全分级管理系统 保险丝 当电池过热或者电流过大则立刻融断 断开输出 BMB BatteryMonitorBoard 用以监控Sheet内的每个Brick的电压 温度以及整个Sheet的输出电压 BSM BatterySystemMonitor 用以监控整个电池包的工作环境 包括电池包的电流 电压 温度 湿度 烟雾等 VSM VehicleSystemMonitor 用以监控BSM 保险丝 可更换 BMB BSM VSM CellBrick SheetPackVehicle 3 20 2020 36 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources BMB BSM VMS Fuse 3 20 2020 37 电化学动力源研究室 电池热管理系统 Cell层级 ElectrochemicalPowerSources电池间填充电绝缘的导热材料 与散热管道由线接触变为面接触 有利于电池间的温度均一 提高整体热容 3 20 2020 38 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电池热管理系统 Sheet层级 冷却液双向流动 3 20 2020 39 电化学动力源研究室 电池热管理系统 Pack层级 ElectrochemicalPowerSources冷却液进出管道冷却液 50 水 50 乙二醇温度均匀度 2 3 20 2020 40 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 代表性电动汽车的电池组参数 国别美国 车辆型号GMVoltEner1Th nkCity 电池供货商LGChemA123Enerdel 电池组能量总能量为16kWh 标称电压355V 总容量45Ah总能量为22或28kWh 以28kWh为例 标称电压约400V 总容量70 4 Ah 单体容量 Ah约152017 5 单体结构叠片式 铝塑膜软包型 叠片式 铝塑膜软包型 电池材料锰酸锂正极材料磷酸铁锂正极材料三元锂离子正极材料 硬碳负极材料 日本 TeslaRoadsterToyota Prius PHV Sanyo Panasonic Sanyo Panasonic 总能量53kWh 标称电压355V 总容量150Ah 也记为56kWh 375V 总能量 Prius1 2kWh PHV4 6kWh 约2 26 5 圆柱形卷绕式 金属外壳 圆柱形卷绕式 后改为方形 金属外壳 镍酸锂正极材料三元锂离子正极材料 PEVE Primearth 6 5 镍氢电池 NissanLeafMitsubishiiMiEV Minicap NEC AESC GSYUASATOSHIBA 总能量24kWh 标称电压360V总能量16kWh总能量10 5kWh 约3350 叠片式 铝塑膜软包型 方形卷绕式 厚度为43 8mm 锰系及其它混合物锂离子正极材料三元锂离子正极材料钛酸锂负极材料 车用动力电池系统的关键技术与学科前沿 汽车安全与节能学报 2012 V3 No2 P87 104 3 20 2020 41 单体的module与2个含18片单体的 50 乙二醇混合物 金属散热片间隔 电气连接为混联结构 与机械布置相对 独立 电气连接可等效为96片单体串 联成组 3组并联 电化学动力源研究室 国别 车辆型号 车辆类型 电池连接方法 热管理系统及其它 美国 GMVoltEner1Th nkCity PHEVBEV 由288片单体组成 布置在7个含36片采用液冷方法 冷却液为50 水与module中 于单体间 冷却液在散热片内封闭循环 单体间散热片的厚度仅为1mm左右 当温度过低时 加热线圈可加热冷却若保持电池组标称电压与总容量不变 液并为电池升温 则由约250片单体组成 以28kWh为例 电池组由432片单体采用强制风冷方法 每两片并联单体组成 采用混联结构 电气连接等效为头部有中空的铝制导热槽 该导热槽108片串成组 4组并联 与电池组整体的通风导流槽连接 日本 TeslaRoadsterToyotaPrius PHV BEVHEV PHEV 由6831只18650锂电池组成 其中 69只并联为1组 brick 再将9组串联为1层 sheet 最后串联堆叠11层构成 采用液冷方法 冷却液为50 水与50 乙二醇混合物 采用强制风冷方法 通风风扇有四种运行模式 关 低转速 中转速 高转速 电池温控系统决定电池风扇的运行模式 NissanLeafMitsubishiiMiEV Minicap BEVBEV 由192片单体组成 为混联结构 即48个module串联 每个module内2串2并 iMiEV由88片单体串联组成 电池包密封 外界不通风 寒冷地区有加热选件 采用强制风冷方法 车用动力电池系统的关键技术与学科前沿 汽车安全与节能学报 2012 V3 No2 P87 104代表性电动汽车的电池组热管理系统ElectrochemicalPowerSources 3 20 2020 42 电化学动力源研究室 ElectrochemicalPowerSources 43 3 20 2020 43 电化学动力源研究室 内容 ElectrochemicalPowerSources1 汽车电动化浪潮与五大普及难题2 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3 典型车用动力电池系统介绍4 车用动力电池系统的四大关键技术5 车用动力电池系统的两大科学问题6 总结44 3 20 2020 44 电化学动力源研究室 关键技术之一 成组技术 ElectrochemicalPowerSources 满足车辆需求的电池系统参数设计 HEV EV PHEV 功率型 能量型 能量功率兼顾型 从整车需求到电池指标 多节单体电池的电气连接方法设计 混联方式 便于制造 电池单体的一致性与选配 电池组可靠性技术 机械连接 固定方式 强度 冲击安全 振动 复合系统的振动模态 碰撞安全 防水 防尘 电磁兼容等车用动力电池系统的关键技术与学科前沿 汽车安全与节能学报 2012 V3 No2 P87 104 3 20 2020 45 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources xEV中电池的使用特征及要求 HEV 电动续驶里程 km PHEV16 64 EV100 200 容量 kWh 功率 kW SOC使用范围循环次数蓄电池种类蓄电池特性 1 330 5050 左右数10万次NiMH LIB功率型 5 1080 15020 80 数万次LIB功率能量兼顾型 20 4080 15010 90 数千次LIB能量型 46 3 20 2020 46 电化学动力源研究室 电池系统成组技术 今后 ElectrochemicalPowerSources 不同构型电动汽车用动力电池性能指标体系 综合考虑了热特性 能量管理特性的电池容量 形状 尺寸的标准化 基于电池一致性指标体系的单体电池分选 基于电池热管理 能量管理的混联 配组技术 3 20 2020 47 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 关键技术之二 热管理 背景 电池性能 老化的温度敏感性 任务 电池组温度较高时进行散热 防止电池过热引发安全事故 电池组温度较低时对电池组进行加热 保证电池在低温环境下充电和放电的安全性和使用效率 使电池组中不同位置电池和电池不同部位的温度差异尽可能小 抑制局部热点或热区的形成 使不同位置电池的热致衰减速率接近一致 组成 传热介质流场环境测温元件与控制电路散热执行器 温控策略 根据电池温度区域进行分级管理 主动 active 被动 passive 和不冷却 bypass 电池热管理技术今后的发展48 3 20 2020 48 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 流场环境 3 20 2020 49 电化学动力源研究室 电池系统热管理技术 今后 ElectrochemicalPowerSources 不同电动汽车构型对应的传热媒介选取及传热路径优化技术 低温下的电池加热技术 产热 传热 散热规律的研究 产热 复杂工况下的产热模型 产热的极间划分及成分细分 副反应的种类 焓变及反应速率数据库 传热 热模型参数 Cp k h 的原位测量与验证 散热 表面细微结构 积层体复合系统结构对大型电池表面 多电池间热流密度的影响规律 复合相变材料的相变潜热 相变温度 导热系数随材料组成 结构的变化规律 基于复合相变材料的先进热管理技术 热设计 热失控 电池及电池组的材料体系 结构 尺度 布局对产热 传热 散热等热过程的影响规律 热电耦合中的正反馈与负反馈 热应力下的电池性能演变规律 电池热失控过程中电能 热能 化学能的耦合 触发机理及演化 3 20 2020 50 电化学动力源研究室 关键技术之三 电能管理 电池检测 均衡专用IC 组 电气绝缘 BMS专用微处理器 CAN总线 ElectrochemicalPowerSourcesASSP电池检测 均衡专用IC电池 电池管理系统 BMS 的组成51 3 20 2020 51 BMS的工作过程 终止 V I T检测 SOC估计 SOH推定 SOP推定 异常 故障诊断 初始化 残量表示 老化表示 充放电 制动回收控制 提示警报 均衡 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources紧急处置 温控系统 接受外部指令 发送信息 52 3 20 2020 52 电化学动力源研究室 二次电池状态估计 ElectrochemicalPowerSources 估计对象 单体电池vs电池组 估计时机不同 方法 运算量 精度不同 车检时 用充放电试验更新SOH估计 缓时变 充电时 均衡 更新初始SOC 停放时 均衡 利用VOC校正安时积分积累误差 行驶时 状态估计器53 3 20 2020 53 电化学动力源研究室 电池系统电能管理技术 今后 ElectrochemicalPowerSources 考虑了不一致性的低成本 高精度电池状态估计技术 面向不同用户特征 充电频率高低 平均行程长短 及不同工况 动力型 寿命型 航程型 的细分型电能管理策略 借助网络 数据库的估计算法 日产 3 20 2020 54 电化学动力源研究室 关键技术之四 安全保障技术 ElectrochemicalPowerSources 电动汽车的安全问题 碰撞安全 分区构造车体 多重机构保护 强电安全 避免直接接触 布局 绝缘 避免间接接触 等电位 电流切断 开关 保险丝 电池热安全 相对于锂电池 LIB在技术上有巨大突破 但安全隐患任然存在 LIB使用有机电解液 凝胶 本质不安全 民用LIB的商业化 电池与专用充电器 使用方法教育同时展开的 动力电池的大型化及对能量密度的无休止的追求带来安全隐患 危害 企业 产业 3 20 2020 55 提高安全性的主要手法 机能分担 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources56 3 20 2020 56 材料 提高安全性的主要手法 多道防线电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources SEI膜的均一 稳定性 活性材料热稳定性 过充稳定性 电解液的电化学窗口 抑制枝晶生长 隔膜 Shut down 陶瓷涂层 固体电解质材料 设计 电流 温度分布一致 极耳布局PTC 放气孔 隔湿添加剂 过充保护 SEI膜均一 稳定 3 5 聚合物 120度时张开 穴位保护 双极设计 biPolar 降低异物混入 湿度控制 化成 筛选57 生产 检验 使用 安全性标准与测试 成组 分选 组配 散热设计 能量管理 SOC范围 充放电速率 使用限制 均衡 充电管理 监测 预诊 自检 智能电池 数据中心 电池档案 维护 定期健康检查 3 20 2020 57 材料 电池系统的固有安全 主动安全 被动安全电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources SEI膜的均一 稳定性 活性材料热稳定性 过充稳定性 电解液的电化学窗口 抑制枝晶生长 设计 隔膜 Shut down 陶瓷涂层 凝胶 固体电解质材料 电流 温度分布一致 极耳布局 隔湿 添加剂 过充保护 SEI膜均一 稳定 3 5 聚合物 120度时张开 穴位保护 双极设计 biPolar CID PTC 放气孔 降低异物混入 湿度控制 化成 筛选58 生产 检验 使用 安全性标准与测试 成组 分选 组配 散热设计 能量管理 SOC范围 充放电速率 使用限制 均衡 充电管理 监测 预诊 自检 智能电池 数据中心 电池档案 维护 定期健康检查 3 20 2020 58 电化学动力源研究室 电池系统安全保障技术 今后 ElectrochemicalPowerSources 有效反映现场热失控机理的电池安全性检验方法及认证标准 基于量产型传感器的实时监测与诊断技术 基于多源概略信息统计分析的故障诊断技术 非解体 无损健康诊断技术 3 20 2020 59 电化学动力源研究室 内容 ElectrochemicalPowerSources1 汽车电动化浪潮与五大普及难题2 锂离子电池的特点及其对电池管理系统的要求3 典型车用动力电池系统介绍4 车用动力电池系统的四大关键技术5 车用动力电池系统的两大科学问题6 总结60 3 20 2020 60 电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources 电池系统两大基础科学问题 电池与电池组寿命的多应力快速评价与预测方法单体电池一致性的度量指标体系 一致性的演化规律与抑制一致性恶化的策略时变 非均一 多个体混联电池系统的建模理论与状态估计方法电池故障诊断的理论算法体系及应对策略 电池及电池组的材料体系 结构 尺度 布局对产热 传热 散热等热过程的影响规律热应力下的电池性能演变规律表面结构 积层体复合系统结构对大型电池表面 多电池间热流密度的影响规律复合相变材料的相变潜热 相变温度 导热系数随材料组成 结构的变化规律电池热失控的过程与机理 61 3 20