车用动力电池系统关键技术与学科前沿

电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources1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2July15（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，--TowardsaSustainableMobility14:00-17:00BMW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[e-mail]2013年1月7日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电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources电动化有助于能源多样化电动化带来高效率电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources7电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources电动化有更大的减排潜力电化学动力源研究室主要电动汽车销售统计:HEVElectrochemicalPowerSources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电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources主要电动汽车累计销售量:PHEV、BEV10普及难题之一：里程短电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources11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电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources普及难题之五：充电难15~15A~15A16h8h30minFastcharging15RegularchargeHomechargeChargingnetworkChargeatdestinationChargeontheroadEVusesChargingmethodsOrdinarychargeTypeChargerChargerChargerChargerSingle-phase100VSingle-phase200VThree-phase200VChooseregularorfastchargedependingonhowlongstay.PowersourceFastchargingHourstocharge(NissanEV)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电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSourcesLIB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）221C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）Vcc0.5C1C2C电池充放电功率随DOD变化特性电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources2335A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240510253035403.43.23.03.83.64.04.220℃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/Ah051015202530353.43.23.83.64.04.2充电容量/Ah20℃充电10℃充电0℃充电-10℃充电-20℃充电-30℃充电-40℃充电−𝑅𝑇电化学动力源研究室老化速度随温度的变化1/TElectrochemicalPowerSourcesLn(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°C60°C𝐾=𝐴𝑒𝐸𝑎•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电化学动力源研究室电池寿命随充放深度的变化ElectrochemicalPowerSourcesChristianRosenkranz(JohnsonControls)atEVS20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28I,U电化学动力源研究室ElectrochemicalPowerSources电池的安全、适宜区域29T1T6T2T3T4T5T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300充电功率放电功率100SOP(kW)最低充放电功率•功率要求（DOD）•衰减（t,cycles）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±25mΩAh(±30%)OriginsandaccommodationofcellvariationsinLi-ionbatterypackmodeling,MatthieuDubarry,NicolasVuillaumeandBorYannLiaw,INTERNATIONALJOURNALOFENERGYRESEARCH,Int.J.EnergyRes.2010;34:216–231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电化学动力源研究室ElectrochemicalPow