《电动汽车动力电池系统》第一章.docx
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《电动汽车动力电池系统》第一章
《电动汽车动力电池系统》第一章
第一章、电动汽车动力电池系统技术发展综述
一、Wh:
能量单位
二、Pack:
电池PACK一般指的是组合电池
三、电池的Pack产品大概走了三个时代:
铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池
铅酸电池:
电极主要由铅及其氧化物制成
电解液是硫酸溶液的一种电池
放电状态:
正极主要成分二氧化铅、负极主要生成铅
充电状态:
正负极主要成分均为硫酸铅
主要组成:
正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽、电池盖、极柱、注液盖
优点:
电压稳定、电池便宜,使用范围最广泛的化学电池产品
缺点:
大而笨重、能量密度低、使用寿命短、日常维修频繁(老式寿命2年、需要定期检查电解液高度并添加蒸馏水;随着技术进步,寿命变长,维修维修也简单)
铅酸电池的发展:
1985年法国人发明,走了以下几个阶段:
开口式铅酸电池、密封阀控式铅酸电池、近几年的铅碳蓄电池(负极增加了活性炭,循环寿命、能力密度、充放电倍率均大幅度提升)
镍氢电池:
在镍镉电池的基础上产生(镍镉电池记忆效应强,循环寿命短,镉是重金属,毒性较强环境污染大)
正极:
镍氧化物
负极:
金属氢化物
电解液:
碱液(KOH)
主要组成:
正极片、负极片、电解液、隔膜、盖帽、绝缘层、外壳
镍氢电池比镍镉电池能力密度大(两倍),重量轻、寿命长、环境污染小
优点:
能量密度高、可快速充放电、循环寿命长、对环境无污染,记忆效应很小(记忆效应是电池因为使用而使电池内容物产生结晶的一种效应)
使用领域:
电脑、摄像机、数码产品、电动自行车等
电动汽车领域:
镍氢电池主要使用于混合动力电动汽车
锂离子电池:
锂离子电池是一种主要依靠锂离子在正极和负极之间往返移动来工作的二次充电电池
充放电过程,正LI在两个电极之间往返的嵌入和脱嵌
充电时:
正LI从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态
放电时:
正LI从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富锂状态
优点:
长寿命、大倍率、高能量密度、无污染、发展迅速的二次电池,应用领域广
组成:
正极、负极、电解质、隔离膜、集流体、外壳
产品外形:
圆柱形、方形、软包
正极材料:
钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元等锂金属氧化物
负极材料:
石墨、无序碳材料、硅碳复合材料、碳酸锂、单体锂、锡基合金、铝基合金、美基合金等
电解质:
高纯度的有机溶剂、电解质锂盐和必要的添加剂
有机溶剂:
PC碳酸甲乙酯、EC碳酸乙烯酯、DMC碳酸二甲酯、EMC碳酸甲乙酯
隔膜:
单层PP聚丙烯、单层PE聚乙烯、双层PP/PE、三层PP/PE/PP
锂离子电池未来发展方向:
单位成本、循环寿命、充电速度、安全性
四、纯电动汽车优点:
环保、省钱、噪声小、节能、结构简单、维护方便、驾驶体验好
五、动力电池系统在整车上的安装位置:
1、有限的空间,布置更多的电池
2、电池包的位置对整车的安全
3、电池包的重量和形状对整车寿命的影响
4、要充分考虑电池的散热
5、电池包重量影响整车的重心和轴荷的分配,影响整车的舒适性和驾乘体验
六、“工”字形和“T”字形电池包安装
宝马X1车型在燃油车进行改装,去掉发动机、变速箱、油箱和一些传动装置。
空出来的空间安装电池包,是典型的“工”字形电池包(采用宁德时代CATL磷酸铁锂电池,Pack容量为27KWh,150Km续航里程)
雪佛兰“沃蓝卡”典型的“T”字形电池包布置,(LG的锰酸锂电池,Pack容量16KWh,续航64Km)
要提升整车的续航里程,就必须增加整车的电量,有两个可行性途径:
1、提高电池包的能力密度,同样空间储存更多的电量
2、扩展电池包的空间,增大电池包的重量和体积,进而增加电量
总结:
一般情况下,能量密度的提高是缓慢,受限于电池技术的进步速度,很难短时间内大幅度提升;只能从空间上做文章;
七、“土”字形电池包安装
吉利帝豪EV车型采用“土”字形电池包:
2015款帝豪EV采用宁德时代三元电芯,电量为44Wh,续航250Km
2017款帝豪EV,同样采用三元电芯,对电池包、热管理系统和动力总成设计优化,续航里程达到了300Km
因此,“土”字形电池包将续航里程提升到了300KM,进一步提升就有难度了
八、一体式(滑板式)电池包安装
这是一种全新的设计产品思路,整车的设计需要围绕核心零部件电池包来设计展开,将电池包进行模块化设计,平铺在地盘上,最大限度获得可用空间,调整整车的重心位置,同时还可以利用电池包的结构来加强底盘的强度和刚度,也可以利用整车的框架来强化对电池包的结构防护。
最早采用的是特斯拉,大众、宝马也纷纷跟进,将续航里程提升至400~600Km;
成组技术
九、电动汽车Pack的关键技术
1、能力密度高、体积小、重量小,装载多、跑得远;
2、环境适应性好,能满足酷暑、严寒、涉水、高海拔、高盐雾腐蚀;
3、可靠、安全,行驶不易发生故障、极端情况下保证安全;
4、价格便宜,购置成本高;
电池包成组
十、电池包(Pack)组成
由很多个电池单体(电芯)通过复杂的电连接工艺和机械连接工艺组成,为了有效的、可靠的使用,还增加了传感器和控制器,以及满足恶劣使用环境下的热管理系统;
1、电池包的系统集成技术
电池包的产品开发和应用,最核心的是机、电、热、化四个方面;
机即机械:
装在车上,首先考虑和满足机械方面特性,有足够的强度、刚度,在震动、冲击、翻滚、挤压、碰撞、跌落下保证安全;
电指电子和电气:
电能老驱动,瞬时功率高达几百千瓦,电压范围从几十伏特到几百伏特,电流也可以达到几百安培,大电流的充电和放电,以及电压的输出,意味着电池包要有很高的电气荷载要求,对导体的截面积、连接阻抗、发热、绝缘、老化等有非常严格的要求;
整个电池包由非常多个单体电池组成,为管理这些电池,控制电池包的充放电以及响应整车层面的功能需求,所以需要一套非常复杂的电池管理系统(BMS),由传感器、执行器、控制器(电控单元)等组件组成,采集系统的电压、电流、温度、等数据,进行复杂的计算,与整车其他部件进行通信,完成特定的功能,实时判断系统的运行边界,控制系统的异常状态;
热是指电池包的热管理:
两个层面的意思:
1、外部环境的热管理(适应外界环境要求,为电池安装“空调”)
2、内部环境的热管理,因为电池内阻和电气部件的阻抗,充放电情况下,电池包内部发热,电流越大,发热量越多,若不能散热,轻则影响电池寿命,重则引起起热失控,带来安全问题;
热管理非常复杂,要解决加热、散热、保温、热均衡等几个问题;
化是指电化学:
也指电池的化学机理;
化学反应的数量规模,决定了电池的充放电能量;
化学反应的快慢,决定了电池的充放电速度;
化学反应的可控和不可控,决定电池的安全性;
化学反应的可逆程度,决定了电池的寿命。
电池成组技术
十一、电芯设计和选型
在电池包产品的设计中,电芯的设计和选型最为关键:
1、对于自己设计、研发和生产电芯的企业来说,在电池包开发过程中,包含电芯的设计和开发,会基于客户需求,开发一款满足电池包产品设计目标的电芯;
2、对于独立的电池包企业而言,在匹配整车需求的时候,就需要选择一款合适的电芯,一般会选择已经量产的电芯,或者接近于量产的产品,当然有能力的电池包企业也可以推动电芯企业同步开发电芯产品;
3、动力电芯的封装:
硬壳:
圆柱形钢壳:
(一般采用钢壳,也有铝壳,小尺寸,成组灵活;
圆柱形铝壳:
但大尺寸散热不好设计,成本较低);
方形钢壳:
(早期钢壳多,现在铝壳多,散热好,成组易设;
方形铝壳:
计可靠性好,尺寸变化需要开模,成本高,含防爆阀,更安全);
软包:
铝塑膜作为外包装,尺寸变化灵活,成本低,电芯重量比能量高;机械性能差,封口工艺较难,成组结构复杂,散热设计不易,无防爆;设计,更适合固态电池
电芯的选型:
电池包比能量、电芯比能量、电芯单价、电池包循环寿命、电芯循环寿命。
十二、电池包电子电气设计
电池包产品设计与电相关的设计,分为电子设计和电气设计两部分:
电气设计主要指高低压线束、连接器、铜巴、继电器、保险丝等;
考虑载流能力、接触阻抗、耐压阻力、耐压等级、等等;
电子设计主要指电池管理系统(BMS)的设计,包含硬件和软件设计两个部分;
电池管理系统作为电池的控制核心,需要完成数据采集、计算、上下电控制、能量管理、通信、故障诊断、告警、保护等等。
十三、电池包热设计
两个目标:
1、控制电芯的工作温度:
影响电池的使用寿命和性能
2、控制不同电芯的温度差:
影响电池的短板响应,导致电池组一致性变差
3、要达到这两个目标,就要考虑散热、加热、热均衡、保温四个方面的措施;
温度及温度差:
对于电芯来说,最佳的工作温度是20~30度,电池包内部的电芯温度差在5度以内最为合理,通常把电池包的工作温度控制在10~40度,温度差控制5~8度,这样达到一个平衡的状态;
散热设计:
1、自然冷却、风冷、液冷、冷媒直冷几种方式;
2、根据运行工况、环境温度、寿命要求、电池组热特性、结构、成本选择冷却方式:
冷却通道设计、冷却介质设计、冷却介质温度、冷却介质流量
加热设计:
1、加热膜、PTC、热液
2、根据电池低温充放电特性、充放电工况、工作温度、空间、成本、电池升温速率、加热装置的加热温度来选择:
加热方式的选择、加热装置的安装位置、加热装置的发热功率、保温材料的选择、保温装置安装位置。
十四、电池包的安全设计
化学安全、电气安全、机械安全、功能安全
十五、电池包的仿真分析技术
结构仿真、热流体仿真、电化学仿真
十六、电池包的工艺技术
装配过程:
电池模组装配、电池包箱体装配、下线测试三大阶段:
电池模组装配:
关键工艺为分容、清洗、入壳/框、焊接、涂胶、测试;由于模组设计相当标准化,且复用度高,模组装配可以做到高度自动化;
电池包箱体装配:
关键工艺电池模组安装、水冷组件安装、线束连接、紧固件装配、连接器安装;量产可以做到高度自动化,非量产做不到,设备折旧成本高;
电池包的EOL包括:
1、功能测试(通信、上下电控制)
2、安全测试(耐压等级、绝缘阻抗、等电位、绝缘监测精度、高压互锁)
3、气密性检测(IP防护检测)
4、容量检测(抽检)
十七、我国电动汽车Pack技术发展趋势
1、从2009年至2020年,大致划分四个阶段:
2009~2013年,积累期
2014~2015年,爆发期
2016~2017年,窗口期
2018~至今,突破期
2、乘用车典型的技术参数:
续航里程、电池容量(60kMh)、充电时间、使用温度(-20~50)、质保、整车装备(1.5T)
3、电池长寿命周期要点
1)、好电芯,电芯的使用寿命达到10年以上,循环寿命达到3000次以上
2)、好成组技术,分选严格,成组后一致性好,保障模组长寿命,模组的热设计确保良好的加热、散热、热均衡性效果好;模组的机械设计达到ISO和国际要求
3)、好管理技术,单体能量管理,保证容量一致性,系统的热管理,保证温度一致性
4)、好维护技术,在线故障诊断,电池定期维护,10年的使用寿命电芯,电子电器组件、机械组件都要达到10年以上的寿命。
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- 电动汽车动力电池系统 电动汽车 动力电池 系统 第一章