车用动力电池系统设计与性能分析2.0

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,FotonMotorGroup|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CO2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,动力电池及管理系统,驱动电机及控制系统,整车控制系统,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,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,电池系统功能,第一部分动力电池系统需求分析,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,FotonMotorGroup|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。,FotonMotorGroup|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。,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。,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ASILC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；,BMS设计,第二部分动力电池系统设计要点,21,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-30-60C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,FotonMotorGroup|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,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。,26,模块测试项目,第三部分动力电池系统性能分析,27,BMS测试项目,第三部分动力电池系统性能分析,28,电气件测试项目,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,第三部分动力电池系统性能分析,30,总计1