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 Foton Motor Group | 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 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 u 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。 u 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。 u 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：新能源汽车车是未来汽车产业发车产业发 展的必然趋势趋势 第一部分 动力电池系统需求分析 6 新能源汽车三大核心技术 动动力电电池及管理系统统技术术是制约约新能源汽 车发车发 展的一项项关键键技术术。 第一部分 动力电池系统需求分析 动动力电电池及其管理 电电机及控制 整车车控制 基于CAN总线总线 的网络络通讯讯和控制 热热管理 整车车的试验试验 及匹配标标定 动动力系统统集成 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 电动电动 汽车车 能量存储储要求 车辆结 构 汽车总质 量、底盘、空气 动力学因素，行驶中的阻 力等 车辆 性能 汽车性能目标（ 加速、最大速度 、级别 ） 混合结构 并联结 构，串联结 构或 者混联结 构 工作策略 纯电动 行驶里程，纯电 动行驶能力，纯电动 或 混合动力 行驶周期 某些行驶周期的峰值功率 要求、电量 保持模式运行的功率峰值 要求 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 电动电动汽车对动车对动 力电电池的安全性要求极高，因此安全性是车车用动动力电电池的基础础 由于电动电动汽车车运行环环境是复杂杂多变变的，因此保证动证动力电电池的安全性又是很困难难的。 系统统 效率 日历历寿命 循环环寿命 材料成本 维护维护 成本 充放电电效率 寿命 性能成本 倍率特性 功率特性 动动力电电池 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 动力电池系统是电动汽车的关键零部件，其对整 车动力性、经济性和安全性都有重大影响。 提供电能 回收能量 充电管理 高压电管理 集成安装 热管理 状态监控 通讯与控制 电池系统功能 第一部分 动力电池系统需求分析 序号 整车需求电池系统需求 参数要求参数要求 1 整车 工作环境温度(C)工作温度范围(C) 2储存温度(C)储存温度范围(C) 3综合工况续驶里程(km)额定能量(kwh) 4空间尺寸(mm)能量密度(wh/L) 5整备质量kg比能量（wh/kg） 6布置位置防护等级 7整车质保（年/公里)日历/循环寿命（年/次） 8设计寿命（年/公里)日历/循环寿命（年/次） 9整车成本（万元，补贴后）电池成本（万元） 10 电机 额定输入电压(V)额定电压(V) 11输入电压范围(V)工作电压范围(V) 12持续驱动功率(kW)放电倍率(C) 13峰值驱动功率(kW，30s)峰值放电倍率(C) 15 峰值发电功率(kW,10s) 峰值充电倍率(C) 16 充电 标准充电时间(h)标准充电功率（kW） 17快速充电时间 (80%SOC，h)充电倍率(C) 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 Foton Motor Group | 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 HEVPHEVEV EV迷迪 2T/3T8T16T 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。 Foton Motor Group | 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。 故障原因 夏天电池过温保护电池系统冷源取自空调，空调不开 SOC检测不准确电流传感器精度低 模组缺陷壳体密封设计不良 BMS丛控芯片烧坏静电击穿 散热风扇损坏风扇非汽车级 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。 根据整车性能要 求，结合仿真模 拟结 果，提出 系统设计 要求 。 根据系统设计 输入，定义电 芯资源及模块 参数要求。 合理的高压与低 压设计 ，保证 电气安全。 系统设计统设计模块设计块设计电电气设计设计 保证电 池系统 功能与性能，合 理设计 控制策 略。 保证电 池系统 内部温度均匀， 提高电池系统 性能及寿命。 合理的结构设 计，保证人员 及车辆 安全。 BMS设计设计热热管理设计设计安全设计设计 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： 1充分了解车辆 系统及各种运行工况 。 2把动力电池系统与整车其他系统有 机地联系起来。 3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。 1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 1. 根据系统设计结 果，进 行电池包系统的电气原 理设计。 2. 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ASIL C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 序 号 负责负责 系统统名称 1电池包水冷板 2加热器 3整车热 管理系统chiller 4压缩 机 5散热器 6电磁阀 7水泵 8补液壶 9管路及接头 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： 1目前的热管理方式主要有自然冷却、风冷和液冷。 2风冷和液冷系统的优势 在于主动制冷和主动制热功能。 3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 。 4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： 1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 。 2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。 3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。 4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 u电池包设计 1.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。 2.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。 u模块设计 1.电池包包含24个电池模块。模块分四行排 布，每行6个模块。 2.模块通过长螺栓固定在下箱体上。 3.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 u水冷板设计 1.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 Foton Motor Group | 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 功能验证DV验证PV验证 动力电池系统性能分析 1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。 2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。 序号试验项目判定标准类型 1室温放电容量 放电容量应不低于额定容量，并且不超过额定容量的110%，同时所有测试对象初始容量极差不大于初始容量平均值 的7%。 电性能 2室温倍率放电容量高能量蓄电池模块放电容量应不低于初始容量的90%，高功率蓄电池模块放电容量不低于初始容量的80% 3室温倍率充电性能放电容量应补低于初始容量的80% 4低温放电容量放电容量应不低于初始容量的70% 5高温放电容量放电容量应不低于初始容量的90% 6耐振动性能不允许出现放电电流锐边、电压异常、蓄电池壳变形、电解液溢出等异常现象，并保持连接可靠、结构完好 安全性 7过放电蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 8短路蓄电池模块不爆炸、不起火 9跌落蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 10加热蓄电池模块不爆炸、不起火 11挤压蓄电池模块不爆炸、不起火 12针刺蓄电池模块不爆炸、不起火 13海水浸泡蓄电池模块不爆炸、不起火 14温度循环蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 15低气压蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 26 模块测试项目