动力电池pack()

新能源汽车锂离子电池组的设计与应用目录锂离子电池为何可并联应用？电池串并联组合的可靠性大容量电池与小容量电池并联特征小电池并联与大电池的安全性比较不同结构的电池特性电池组合形式均衡的目的和意义电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大？纯电动汽车用动力电源系统的设计锂离子电池为何可并联应用？锂离子电池的充电特点电压严格限制，受温度等变动影响不大；超出电压容易受损。充电电压单调变化（镍氢电池充电后期会出现电压下降现象）充电效率高，充电过程中基本无副反应1.21.251.31.351.41.451.51.551.6020406080100120140160%容量电压V0.1C0.5C1C锂电池为何能并联？充电为最高电压限制，并联电池电压一致充电、放电电压单方向变化电压限制参数受温度等外界因素影响不大并联电池的优点小电池并联比直接采用大电池安全性更好小电池并联比直接采用大电池的电流通过能力强使用过程中并联电池之间电流可以根据各电池的能力自行分配，提高系统的综合性能小电池并联形成的大电池，在相对电流分布、温度分布方面更均匀，从而使系统寿命和可靠性更高。生产加工方便：可以仅生产几种规格的小容量电池，根据需求并联成不同的容量设计合理，可以进行单只电池维护与更换，降低维护成本。并联电池需注意的问题电池并联设计必须保证通过每只电池的电流大小理论上一致。即保证并联电池的内阻基本一致并联电池的自放电基本一致。并联电池容量不能差别太大。电池串并联组合的可靠性影响单体电池可靠性的主要因素单体电池的可靠性与各部件的可靠性有关：外壳（r1)、隔膜(r2)、正极组(r3)、负极组(r4)、电解液(r5)等电池的可靠性=r1×r2×r3×r4×r5外壳、电解液等部件的可靠性在电池分选、配组时控制，可以控制为1可靠性大部分是由电极的不可靠性（如毛刺等）引起。电极和隔膜的可靠性仅与其应用面积有关；同样容量下，小电池并联与大电池电极面积是基本相同的结论：小电池并联与大电池可靠性相同电池制作工艺上，小电池的可靠性与成品率要高于大电池小电池并联在温度、寿命方面比大电池更有优势。不同组合方式的数学模型可靠性方面串联数学模型：并联数学模型：串并联数学模型：并串联数学模型：Rs(t)表示系统的可靠度；R=（1，2，3…，n)表示第i个单元的可靠度。1()()niiRstRt1()11()miiRstRt1()11()mniiRstRt1()11()nmiiRstRt并串联与串并联比较可靠性比较设单个电池的可靠度相同，Ri=0.99，100只电池串联，4只电池并联：并串联可靠度：0.999999串并联可靠度：0.8385电池管理成本锂电池需要管理到每只单体先串联后并联需要增加管理系统成本先串联后并联的电路无环流处理单体电池具有独立可靠性的比较组合要求：100只电池串联两种电池形式1：10只10Ah电池并联成100Ah2：100Ah单体电池假设条件：电池可靠性仅与电极面积大小有关。10Ah电池可靠性为0.999,则100Ah电池可靠性约为0.99。单体电池可靠性不独立（并联电池有1只故障，则并联组合失效）：方案1的可靠性R1＝（0.99910）100＝0.366方案2的可靠性R2＝（0.99）100＝0.366结论：1串联电池数量越多，电池组可靠性越低2100只电池串联电池组保证0.9的可靠性，单体电池可靠性需达到0.9993单体电池可靠性不独立，则大电池、小电池并串联组合可靠性相同。单体电池具有独立可靠性的比较单体电池可靠性独立（并联电池有1只故障，并不影响其他电池的应用）：方案1的可靠性若有2只电池或2只以上的电池损坏，则并联组失效（按容量80%终止假设）R1＝（0.99910+C1090.9999*0.001）100＝0.991方案2的可靠性R2＝（0.99）100＝0.366结论：1合理的电池设计和PACK设计可提高电池组的可靠性2单体电池可靠性独立，采用小电池并联可大幅度提高电池组可靠性大容量电池与小容量电池并联特征大容量电池的特点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应用体积优势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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，影响部分应用小容量电池串并联与大容量电池的安全性突发性安全事故过充电、过放电、外部短路等可以通过外电路保护穿刺、挤压、冲击等外部环境造成的安全问题单体电池内部短路或电池组内部分短路的自身安全性问题最常见的是电池内部为短路、短路等引起的安全性问题热量分布均匀性小电池并联与大电池的安全性比较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。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，均存在安全性问题安全性本质：电池中的能量以20Ah锂离子电池为例:20Ah（3.6V）72Wh259.2KJ1克TNT4.20KJ20Ah锂离子电池的能量61.7克TNT能量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/mL1克汽油42KJ1克TNT4.183KJ1Ah电池的电解液能量178.9KJ1Ah电池的电解液能量42.6克TNT20Ah电池的电解液能量832克TNT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设计安全性比较小容量电池容易实现多充保护措施(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随着动力电池使用次数的增多，电池的内阻增大，容量逐渐降低，电池性能逐渐变坏。循环后的安全性对热扰动性敏感性更大。电池的安全性是相对的，一定循环次数之前的电池安全测试是合格的，而经过一定循环次数后电池将呈现出不安全因素。安全性随使用循环变坏不同结构的电池特性结构特点比较圆柱形方形软包装安全性安全阀双重保护，PTC泄气阀外壳保护耐压性高中差功率性能好较好一般组合体积大小小组合成本高低低形状标准壳体金属或塑料壳体，改变较难可以制作成各种大小电池散热性能良好一般差工艺性成熟，易于自动化生产一般一般组合特点体积大，散热表面大组合体积小，组合工艺简单组合工艺较简单，机械强度低应用领域广泛（动力类及消费类）动力电池动力电池电池结构软包装方形圆柱电池结构代表性厂家圆柱形产品：A123、Valance、力神、CENS、微宏等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、丰江等相对来讲，纯电动汽车用软包装和方形电池居多，混合电动车用圆柱和方形（金属壳体）居多。电池组合形式圆柱电池的并串联组合形式最常用的方法：并排焊接问题1：焊接的不可靠性问题2：导电连接体局部电流密度过大问题3：一个方向组合，叠层组合难度大问题4：连接件的锈蚀改装Prius车电源系统（圆柱锂离子电池）圆柱形电池的串并联组合形式1、采用一种蜂窝状的结构，电池之间通过蜂窝状结构实现并联，上、下盖板设计有正负电极及固定件。2、螺栓、螺柱结构设计圆柱电池组合形式福特车电源系统（Ni-MH)圆柱电池组合形式焊接方式的圆柱串并联组合系统圆柱形电池的串并联组合形式柔性防振动串并联组合设计密封散热结构设计连接可靠，导流面积大多方向组合连接防震弹片式串并联组合方形电池组合形式Prius车电源系统方形电池组合形式混合电动客车用车电源系统（Ni-MH)软包装电池组合形式串并联组合设计注意点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国内与国外电池及系统设计的差别1注重电池与组合、系统整体设计2注重应用过程中的均一性设计（温度、电流）Prius电池结构的改进均衡的目的和意义现有的均衡技术不能解决电池实际容量的差别电池组容量由最低电池容量确定，不可能因为均衡而使电池组容量超过最低单体容量均衡对保护是否有作用有专门的充放电保护，不能起到作用实时均衡或放电均衡是否对电池组容量有作用放电期间大部分时间电压差别很小，只在最后有作用；均衡电流有限，作用不明显混合动力应用中实时均衡可在一定程度上提高一致性，延长维护周期均衡的目的均衡的目的是补充由于电池自放电等不一致引起的电池容量的差别，电池实际容量仍基本保持一致。电池自身自放电引起的差别应用中环境不一致引起的自放电差别均衡电流的大小弥补电池自放电引起的差别假设电池自放电每月最大差别10%，电池组容量500Ah。充电时间5~8h，均衡时间4h，每次充电后均衡完全，则：均衡电流=（50/（30*4））=417mA每次均衡充电满足4h，均衡电流400~500mA即可。均衡的研究与发展目前通常仅依靠电压或电压差别来考虑均衡如何将电池内阻等参数结合进去放电均衡的高效果实现电池组的寿命与单体电池寿命为何差异巨大宏观环境的差异实际适用环境温度与试验温度的差异温度对寿命影响符合Arrhenius公式20℃与21℃的寿命系数：f=exp（E/R（1/294-1/293））=exp[-50000/8.314（1/294-1/293）]=1.0723）升高1℃，失效速度增加约7%。温度每升高10℃其退化速度就增加1倍电池组热管理的主要原因之一。/0ERTdMAedT电池包内环境温度的差异通常控制电池包内温差不超过5℃5℃的差别电池之间衰减速度差别就达30%控制电池包温差的主要原因之一微观环境的影响电池模块内温度的差异应用中不能检测到每只电池的温度模块内不同部位电池的温度差异模块散热表面与单体电池散热表面的差异单体电池内部温度的差异电池各部位所处环境温度的不一致电池组设计电流分布的差异PACK设计的重要性电池自身一致性的影响电池组单体电池容量一致性的差异组合电池容量的控制电池内阻/极化内阻的控制组合初期电池一致性的重要性使用状况的复杂型行驶工况的差异安装位置的差异行驶习惯的差异充电条件的差异针对实际应用条件设计的重要性纯电动汽车用动力电源系统的设计动力电源系统设计目的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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