LFP动力电池原理与应用

3.7 3.5 3.3 3.1 2.9 2.7 2.5 0%
3.6 3.4
0.2C
Voltage (V)
3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 0% 20% 40% 60% DOD 80% 100%
Voltage (V)
0.5C
1C
20%
40% SOC
源自文库
60%
80%
100%
LFP电芯标准充电曲线：上限电压3.8V
锂离子电池系统基本原理及维护
北京普莱德新能源科技有限公司
BeiJing Pride Power System Technology Ltd.
李亚辉 11/04/2010
关于北京普莱德
BAIC Foton Pulead NVT
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Zn溶解Cu上有气泡
化学能转变为电能
锂离子电池组成部分及正极材料比较
常见正极材料（最为重要） 锂钴氧化物（LiCoO2） 锂镍氧化物（Li2xNi2-2xO2） 锂锰氧化物（LixMn2O4） 嵌锂型磷酸盐 （以LiFePO4性能尤为突出） 常见负极材料 墨化碳材料，无定形 碳材料：如人工石 墨，天然石墨，乙炔 黑 隔离膜 电解液 外包装 一般采用高强 六氟磷酸锂 度薄膜化的聚 （LiPF6）+有 烯烃多孔膜： 机溶剂体系 PP/PE及复合膜 钢壳或铝塑膜
3
Busbar过热
1.Busbar接触电阻大（≥0.05mOhm） 切断主回路，停止工作 2.Busbar电流密度小 打磨或更换Busbar （截面积小或材质不纯） 1.电芯不均衡或不匹配 2.电压采集线接触不良 3.BMU/BMS故障 1.电芯/模组接触电阻显著增加 2.电芯老化，内阻显著增加 1.充放电电流超规格 2.散热不畅通，热量累积 1.充电设备异常导致过充电 2.BMS安全控制失效导致过充 1.主电缆未连接或连接错误 2.保险丝/熔断器烧毁 3.主继电器未闭合 1.BMS 硬件损坏，如通信线断裂 2.线路连接错误 3.受到电磁干扰 检测电芯内阻、容量是否正常 检查采集线是否可靠连接 更换/更新BMS或BMU 打磨极柱和连接片 更换电芯 切断主回路，停止工作 增加散热或采取其他临时措施 定期检查充电设备和BMS控制 及预警功能 重新启动，检查继电器状态 检查、确认回路连接 检查BMS控制线连接是否正确 更换或更新BMS软件/硬件
3>安全与防护
安全标识：标识清晰明显，不易损坏，如高压警示标识 绝缘性能：一般总正/总负 对金属外壁绝缘电阻≥500Mohm 防水防尘：一般不低于IP55
电池系统的存储与搬运注意事项
贮存
储存温度：0℃～25℃ ；相对湿度：≤75％R.H（无水汽凝结）； 存储室内清洁、干燥、阴凉、通风 ，避免与腐蚀性物体或气体接触， 标识清晰，远离火源及热源 ， 要做好绝缘处理： 1>确保电池箱体保护盖板安装紧固，无缺损、破坏等缺陷； 2>正、负极接线柱用绝缘胶带或者其他绝缘材料绝缘，无金属裸露； 短期储存（3个月内） SOC≥30％，电池单元电压≥ 2.5V； 长期贮存SOC≥50％， 电池单元电压≥ 3.0V ， 需定期进行充放电测试（建议一个月进行一次，充放电电流为0.2C，同时检查BMS功能）
绝对放电温度
-30 ~60℃
充电模式/参数 （重要）
放电模式/参数 （重要）
已经上市的几类电动汽车举例
LEAF Nissan EV
PHEV
HEV
巡航里程： 160 km, 在美国LA4工况情况下 最高时速： 140 Km/h 110V，240V或480V充电，480V/30mins充电80% 电机最大输出功率：80 kW 最大扭矩：280 N.M 锂离子电池：AESC生产, 345V/24KWh 报价： 2,5000$
EV
PHEV
HEV
从可靠性&安全性角度来看，磷酸铁 锂（LFP）动力电池具有显著优势，这 也是新能源汽车大多采用磷酸铁锂电池 的根本原因
LFP电芯的基本性能与分析
Charge: Voltage vs.SOC @25°C
Discharge:Voltahe vs.DOD @25°C 3.8
0.2C 0.5C 1C 2C 3C
搬运
轻拿轻放，正面朝上，不可倒放或斜放 应用专门运载工具，切忌徒手搬移，拖动，破坏电池外观（比如造成划痕，凹点） 搬运前检查绝缘性：总正总负对系统金属外壁绝缘电阻≥ 500Mohm
电池系统常见故障列举排除方法
序号 故障描述
1 2 SOC异常 续航里程低于额定值
故障所导致的后果
影响用户使用，导致过充/过放 影响用户使用 Busbar过快氧化，连接电阻增加 引发安全事故
故障原因
1.BMS SOC算法错误. 2.电芯不均衡或不匹配 1.电芯老化，容量显著衰减 2.电池未满充或容量未放到额定值
常规临时解决办法
检查SOC算法 检查电芯及连接 检查电池连接，确定连接电阻 检查充放电过程，确定容量是 否衰减，BMS控制是否正常
严重度 故障率 探测度 RPN
8 7 7 6 6 5 336 210
充电温度与热管（极其重要）
参数 标准充电电流 控制限 0.2C 条件 25+/-2℃ 20~60℃
参数 标准放电电流 最大持续放电电流 最大脉冲放电电流(长脉冲) 最大脉冲放电电流(短脉冲) 放电截止电压 标准放电温度
控制限 0.5C 1.0C 2.0C 3.0C 25+/-2℃
条件
电池系统3.65V x N（串联数） 标准充电截止电压 （单体最高电压3.65V） 标准充电模式 标准充电温度 绝对充电温度
BAIC
Pride Power
原材料
电芯
模组
BMS 电池包 系统集成
整车方案
我们为什么选择锂离子电池
功率密度(W/kg)
140 160
1
比较可以看出： 锂离子电池（Li-on Battery）是截止到目前最佳能量存储方案，同 时兼备高功率密度和高能量密度，是当前电动汽车选用锂离子电池的 根本原因
能量密度(Wh/kg)
H/L temperature performance 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 0% 20% 40% 60% DOD 80% 100% 120%
25℃
35℃
45℃
60℃
10℃
0℃
-10℃
-20℃
-30℃
LFP电芯标准放电曲线：下限电压2.5V
Surface temperature rise@ 25°C 12
工作电压范围：视系统电芯串数而定，一般120串电压范围300—438V 额定容量/能量：一般为系统在额定功率（电机功率）下能持续释放的容量或能量 峰值功率：系统短时间（一般不超过30S）达到的最大功率 极限重量：系统的最大重量，通常用来计算能量/功率密度 使用寿命：正常使用的时间，一般为4年或20万公里
常见LFP动力电池系统的结构与功能
2 3 1 5 1 8 5 4 9 4 7
1.BMS—充放电控制 与热管理，安全控制 2.凤口---通风与散热 3.外箱—支撑于承载 4.导向式定位头 5.熔断器 6.连接件（Busbar） 7.主电缆 8.电池组（Module） 9.信号采集线 10.总正（总负）接头
电动汽车电池行业常用单位及其换算
容量(Capacity)：1Ah=1000mAh;
C = ∫ i (t )dt = C0 + ∫ i (t )dt
−∞ 0
t
t
功率(Power)：w/kw, P=W/t =UI=(I*I)R=(U*U)/R 汽车行业：功率(kw)=扭矩(Nm) ×转速(rpm)/9.549 功率密度(Power density):电池最大输出功率与整个电池系统的重量或体积之比，单 位是w／kg或w／L 能量(Energy)/功：常用单位为焦和千瓦时(kwh） 1Kwh=1度电，例，对于一枚100Ah的磷酸铁锂动力电池而言，其能量为3.2V(电压 平台) *100Ah(容量)=0.32kwh=0.32度, 能量密度：电池平均单位体积或质量所释放出的能量， 单位单位是Ah／kg或Ah／L 内阻(Impedance)：通常锂电池内阻是指在1000Hz交流阻抗普所对应的阻值，单位 为mOhm(毫欧)，电池内阻是状态量，可以用内阻仪直接测量
电池的发展简史
锂电池(Lithium Battery)分为锂一次电池(又称锂原电池, Primary LB)与锂二次电池( 又称锂可充电电池, Rechargeable LB)。锂原电池通常以金属锂或者锂合金为负极，用 MnO2，SOCl2，(CF) n等材料为正极。锂二次电池研发分为金属锂二次电池、锂离子 电池与锂聚合物电池三个阶段。 1999年，锂离子聚合物电池正式投入商业化生产，松下公司为首的8家公司均有产 品推出，因此，1999年被日本人称为锂聚合物电池的元年。
8 9
4 3
2 2
64 54
8
电池无输出电压
8
3
2
48
9
BMS通信异常
电池不能正常工作
8
4
1
32
10
电池起火或爆炸
安全事故
1.电池受到挤压，碰撞，穿刺，短 路，跌落等剧烈冲击或直接接触高温 切断主回路，停止工作 采取防火防爆等安防措施 热源 2.电池品质原因引起内短路
10
1
1
10
注：1.故障原因分析仅供参考，以实际情况为准 2.严重度（S），故障率（O），探测度（D）及风险值RPN 得分依据参考Six-Sigma FMEA，RPN得分越高说明风险越大，RPN=S X O X D
6
6
4
144
4
单体电压异常（过高， 系统过早保护，降低使用性 过低或剧烈跳动） 1.电池工作温度显著升高 2.电芯端电压虚高导致不能满充电 系统过早保护或引发安全事故 1.电池永久性损坏 2.引发安全事故 电池不能正常工作
6
7
3
126
5
系统内阻高于额定值
7
6
2
84
6 7
电芯/电池组系统过热 总电压高于安全电压
最长放电时间为3分钟 电芯温度低于50℃，且最长放电 时间为30秒
电池系统2.8V x N 单体电芯不得低于2.8v （串联数） 25 ± 2℃ 电芯温度 无论电芯处在持续放电模式或脉 冲放电模式,若电芯温度超过绝 对放电温度，则停止放电
绝对充电电压
最大3.8V x N（串联数） (单体绝对充电电压3.8V)
电动汽车动力电池系统拓扑结构举例
电池管理系统（BMS）
电池管理单元（BMU）
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是国际上应用 最广泛的现场总线之一，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广 泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境
锂离子电池(化学电池)的基本工作原理
e
电极反应： 负极：Zn-2e-=Zn2+ 正极：2H++2e-=H2 总反应： Zn+2H+=Zn2++H2
Charge: Li1MO2---->Li1-xMO2 +x Li+ +xeC + x Li+ +x e----- CLix Discharge: Li1-xMO2 +x Li+ +xe- --- LiMO2 CLix ----- C + xLi+ +e锂离子被形象地誉为： “ Rocking chair battery ” 即：“摇椅式电池”
10 *电动大巴电池系统3D模型
装配中的电池系统实物
+
LFP电池系统的主要评价指标
1>关键元器件功能
外观与尺寸：外观参考QC/T 18384 ；尺寸参考图纸，与车身配合完好 继电器动作：系统开机继电器即能动作 BMS/BMU通信：系统开机即能监测单体电压，总电压，SOC，温度，等基本信息
2>产品基本性能
0.2C
9 ⊿T(℃) 6 3 0 0 20 40 60 Capacity (Ah)
0.5C
1C
Voltage (V)
80
LFP电芯在不同温度下的放电容量 LEP电池系统对温度敏感
60Ah电芯为例：充放电电芯表面温升 LFP 电池系统也要做好热处理
LFP电池系统充放电模式与参数控制
电芯温度 < 0 ℃ 0-5 ℃ 5-10 ℃ 10-20 ℃ 20- 60 ℃ > 60℃ 标准充电 不允许充电 充电电流0.1C 充电电流0.2C 充电电流0.2C 充电电流0.2C 快速充电 不允许充电 不允许充电 不允许充电 充电电流0.5C 充电电流0.5C 不允许充电 猛烈充电 不允许充电 不允许充电 不允许充电 不允许充电 允许单体电压低于3.65V 时1.0C充电
0.2C 恒流持续充电至标准充电截止电压,然后在恒压持续充电直至电 流下限 ≤0.05C 25± 2℃ 0 ~60℃ 电芯温度 无论电池包处在何种充电模式,一旦 发现电芯温度超过绝对充电温度范围 即停止充电 无论电芯处在何种充电模式包括再生 充电状态,一旦发现电池包电压超过 绝对充电电压范围即停止充电