车用动力电池系统关键技术与学科前沿PPT课件

,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,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2,2,.,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,.,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,4,4,.,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5,5,.,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources,电动化有助于能源多样化,6,.,电动化带来高效率,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources7,7,.,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources,电动化有更大的减排潜力,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9,9,.,电化学动力源研究室,ElectrochemicalPowerSources,主要电动汽车累计销售量:PHEV、BEV,10,10,.,普及难题之一：里程短,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources11,11,.,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：$3002014运营成本低、维护简单百公里耗电/油：15kWh,5L电价：0.5元/1kWh7.5元油价：8元/L40元12,12,.,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13,13,.,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14,14,.,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources,普及难题之五：充电难,15,15A15A,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),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,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,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18,18,.,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,19,19,.,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,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21,21,.,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,22,.,电池充放电功率随DOD变化特性,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources23,23,.,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,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,10C,60C,=,15C法则：温度升高15C，寿命半减。寿命加速试验温度范围电池适宜温度：20-35C25,25,.,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26,26,.,电化学动力源研究室,电池寿命随充放深度的变化,ElectrochemicalPowerSourcesChristianRosenkranz(JohnsonControls)atEVS20,27,.,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28,28,.,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,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）,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：8.890.15g（1.69%），70%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,46,46,.,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,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48,48,.,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources,流场环境,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,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51,51,.,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,52,52,.,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53,53,.,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）,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,55,.,提高安全性的主要手法：机能分担,电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources56,56,.,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ElectrochemicalPowerSourcesSEI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,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ElectrochemicalPowerSourcesSEI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,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,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60,60,.,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,61,61,.,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62,62,.,电化学动力源研究室,一个好的动力电池系统,ElectrochemicalPowerSources应该综合满足电动汽车多方面的要求不同工况下的功率需求、里程需求（电池的设计、状态估计）可靠性（强度、振动、冲击、水、尘、电磁）车辆布局（重量、重心、转动惯量、可用空间）应该为电池提供适宜的工作环境安全（电压、温度等安全工作区间）舒适（多因素作用下的老化等值线）均匀（同步老化，成组寿命接近与单体寿命里程、成本、安全）应该具