锂电单体和系统集成知识

,锂电系统研究所陈保贵,锂电单体及系统集成知识,目录,一、锂电池单体性能二、大容量电池与小容量电池并联特征三、小电池并联与大电池的安全性比较四、不同结构的电池特性五、电池组合形式六、纯电动汽车用动力电源系统的设计,动力型圆柱电池规格表,1锂电池单体性能,容量型圆柱锂电池规格表,1锂电池单体性能,大容量电池的特点,2大容量电池和小容量电池并联特征,优点组合方便指标占优势（体积比能量、质量比能量等）组合方便，仅需考虑串联组合缺点工艺复杂，合格率低内部电流密度、温度的分布均匀性部分结构电池（如软包装等，引流能力受限）,小容量电池的特点,2大容量电池和小容量电池并联特征,优点电池表面积/体积大，散热性能好圆柱：比表面积/体积=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半径；方形电池时，比表面积/体积=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、c分别指电池的长、宽、高）安全系数高缺点大容量电池需并联应用串并联组合设计复杂，组合成本高串并联组合体积大，影响部分应用,电动汽车对电池安全性的要求,安全性是电动汽车第一指标。电动汽车电池的使用特点：高速移动、剧烈震动、高温工作、快速充放电，潜在着撞击、刺伤、短路、跌落、浸水、火烧、甚至枪击的可能性。因此，电动汽车对动力电池的安全性要求极高，对百万分之一的非安全概率都会造成极其严重的后果，它意味着大陆年产100万辆新能源汽车每年都要发生多起安全事故。对锂动力电池科研、生产、使用过程：召回制度、安全隐患对锂电池企业是致命性的打击。安全、安全、再安全是锂动力电池永久的话题。,3小电池并联与大电池的安全性比较,世界上没有绝对安全的电池,电池是能量的载体，本质上就存在不安全因素。不同的电化学体系，不同的容量，使用工艺参数，使用环境，使用程度，都对安全性有较大的影响。所有的安全性均与温度有关：控制温度的重要性。所有电池包括一次电池、各类二次电池，均存在安全性问题,3小电池并联与大电池的安全性比较,安全性本质：电池中的能量,以20Ah锂离子电池为例:20Ah（3.6V）72Wh259.2KJ1克TNT4.20KJ20Ah锂离子电池的能量61.7克TNT能量,3小电池并联与大电池的安全性比较,20Ah锂离子电池仅存储的电能相当于61.7克TNT炸药的能量。以上计算还未计电解液燃烧所含能量，及正极活性物质分解的能量。,电解液的能量,锂离子电池的电解液用量6mL/AH汽油的密度0.71克/mL1克汽油42KJ1克TNT4.183KJ1Ah电池的电解液能量178.9KJ1Ah电池的电解液能量42.6克TNT20Ah电池的电解液能量832克TNT,3小电池并联与大电池的安全性比较,注意：该能量不具备直接爆炸条件,安全性结论,1、电池容量越高，贮存能量越多，安全性越差2、保护措施外置保护电路内装置PTC（但会增加电池内阻）电解液添加阻燃剂（会影响电池性能）3、热管理的重要性4、外部保护不能解决电池内部问题电池设计质量控制PACK设计,3小电池并联与大电池的安全性比较,安全性比较,小容量电池容易实现过充过放保护措施(单体电池保护设计）电池容量低，出现问题能量释放少，对周围电池影响小大容量电池保护措施少内部问题释放能量大，连锁反应引起周围电池故障，安全失控,3小电池并联与大电池的安全性比较,结构特点比较,4不同结构的电池特性,电池结构,4不同结构的电池特性,软包装,圆柱,方形,电池结构,4不同结构的电池特性,代表性厂家,4不同结构的电池特性,圆柱形产品：A123、Valance、力神、CENS、微宏、新太行等方形电池：星恒、雷天、洛阳天空、力神、ATL、国轩等软包装：中信国安、万向、双登、丰江、环宇等相对来讲，纯电动汽车用软包装（方形外壳）和方形电池居多，混合电动车用圆柱和方形（金属壳体）居多。,圆柱电池组合形式,5电池组合形式,拼装卡板,模块内部组合示意图,方形电池组合形式,5电池组合形式,软包装电池组合形式,5电池组合形式,串并联组合设计注意点,5电池组合形式,如何降低电池组合的内阻串联容量的一致性并联内阻的均匀性单体电池电流的均匀性,动力电源系统设计目的,6纯电动汽车用动力电源系统的设计,根据整车的设计要求，为其提供具有最佳使用性能的动力电源系统。安全性要求电性能要求电池选型与系统配置,要解决的问题,6纯电动汽车用动力电源系统的设计,在允许的尺寸、重量范围内进行结构和工艺设计，使其满足整车系统的用电要求寻找简单可行的工艺降低成本在条件许可的情况下，提高产品的技术性能克服和解决环境污染问题,设计流程,6纯电动汽车用动力电源系统的设计,确定的参数与解决的问题,6纯电动汽车用动力电源系统的设计,（1）电气特性：标称电压及运行电压范围标称容量及可用容量范围电源系统常规放电电流电源系统充电要求（2）功率特性电源系统最大输出功率及持续时间电源系统最大反馈功率及持续时间（3）环境特性电源系统使用温度范围充电温度范围贮存温度范围,确定的参数与解决的问题,6纯电动汽车用动力电源系统的设计,（4）物理特性电源系统的结构组成与尺寸电源系统质量其他机械性能、防护性能等要求（5）BMS要求BMS具备的管理与保护功能（最大程度避免电池过充过放）电池的SOC、SOH判断通讯方式及收发器件设计要求电气控制要求及通讯协议（6）整车接口要求物理接口：包括电池安装、固定方式、冷却介质的空间走向、相关管路电气接口：包括整车线束定义及技术规范、连接件的型号及管脚定义通讯接口：包括与整车的通讯、BMS内部通讯、与充电机通讯,需要了解的整车信息,6纯电动汽车用动力电源系统的设计,对整车的了解越详细，设计的电源系统越完善。不仅仅是电机、整车控制策略等会影响到电源系统的设计，整车的质量、尺寸、空间、运行工况等均需进行详细了解。填写产品信息输入表