动力电池的设计与测试

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传统内燃机与动力电池对比
都具有很强的 非线性，但电 池系统同时还 具有时变性的 特点
汽车动力系统的确定性与驾驶员的信赖感
线性到非线性系统控制过程 MAP，模糊控制，滑模控制，神经网络 等
油门踏板 线性输入
动力系统 ECU
线性到非线性时变系统控制过程 等效电路模型，数据经验模型
单体电池 循环工况测试
联合仿真平台
电池系统 随机工况测试
在那些难以进行原位测试的研究中，通过求解偏微分方程组，就可以根据 电池表观属性计算得到内部离子浓度、电压电流、热量等动态分布特性
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面向电池系统设计的测试 -单体电池测试
� 单体电池测试
� 工作区间
� P/E Ratio
� 温度特性
面向电池系统设计的测试 -单体电池测试
� 单体电池测试
wk.baidu.com� 一致性分选
就电池而言，电池配组需要 批次工艺配 考虑电池的容量、衰减速率、 电池在充放电态所表现的特 性以及电池在静止态所表现 出的特性。
内阻一致性 配组 组
B 容量配组 A 电池成组 E D
充放电曲线拟合 配组
C
静置曲线配 组
� 循环寿命、搁置寿命、特定工况寿命
电池系统的寿命终结点应该考虑以下两个方面： �当前电池系统的能量和功率特性是否满足当前应用的最低需要； �当前电池系统是否还具有确定性、可控性，即控制系统误差是否在 当前应用的忍受范围之内
面向动力系统设计与控制的建模
自顶向下迭代
UDDS工况
电池模型
面向电池系统的静态设计与测试
续驶里程要求 动 力 性 指 标 、道 路 循环工况 动力电池初选参数 （功 率 和 能 量 ） Y 道路循环工况 控制策略 动力电池容量 动力电池参数设计 （功 率 和 能 量 ） 整车参数 整车性能仿真和优化 （动 力 性 、经 济 性 ）
表格存储
CE R0 i
Kalman Filter
R1
Etherneet A utoBox
C1 u
CAN
PC
R2
测 量 更 新 （状 态 校 正 ）
C2
时 间 更 新 （状 态 一 步 预 测 ） （1）计 算 卡 尔 曼 增 益 （1）状 态 预 测
CE
−1 ˆT ˆ − ˆT C Lk = Σ x− C k ( kΣ x C k + Σ v)
k k
BM S I V
（2）状 态 更 新
R0 i
（2）方 差 预 测
ˆ k −1 Σ A ˆ + Σw Σ =A
− xk + xk
ˆ+ ˆ− L y ˆ− u x x x k = k + k [ k − g ( k , k )]
T k −1
（3）方 差 更 新
ˆk ) Σx− Σ x+ = (I − Lk C
面向电池系统设计的测试 -BMS测试
� BMS测试 � 功能测试 � 故障诊断测试 � 电磁兼容测试
面向动力系统设计的测试 -模块及整车级别测试
� 电池模块及系统级别测试 � 可靠性测试 � 防水、防尘、震动、冲击、高低温、盐雾等 � 安全性测试 � 高压电安全：电击 � 电池系统安全：起火、爆炸 � 全寿命周期功率特性测试 � 全寿命周期能量特性测试 � 整车级别测试 � 测功机测试 � 道路测试
k k
电 池 包
电流霍尔
R1
C1 u
初始化
R2 C2 R3
T ˆ+ x+ Σ = E[( x0 − x 0 )( x0 − ˆ 0) ]
+ x0
C3
电 子 负 载 （A rb i n/D igatron ）
面向动力系统控制的测试
� 全寿命周期下电池状态估计和参数辨识
不同寿命周期 =1,2, …,n电 ti,i ,i=1,2, =1,2,… 池状态测试
Typical vehicle models for different degrees of hybrid:
E-Motor power
ICE power
Internal combustio n engine vehicles
weixzh@tongji.edu.cn
系统分级结构
System
Subsystem
EREV HEV
How to define degree of hybrid? ：
PHEV R General HEV
Pelec R= × 100% Ptotal
R- hybrid degree Pelec—Power of E-motor Ptotal—Total power of driving
需要针对不同的电池应用提出电池系统的寿命终结点
面向电池系统设计的测试 -电池内部建模与测试
多孔电极理论
Butler-Vomer电化学方程
粒子扩散理论
基于这一理论的电池 模型能够预测电池充 放电曲线。
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面向电池系统设计的测试 -电池内部建模与测试
建立单电极模型 单体电池充放电实验 标准工况测试
耦合寿命模型
电池评估测试
� 安全性 � 针刺、挤压、短路、过充、过热、跌落等 � 能量密度 � 功率密度 � 循环寿命 � 搁置寿命
传统测试认为，电池内阻增加 50%，容量衰减为原来的额80%即 为动力电池系统的寿命终结，这个 说法是缺少科学依据的
电池系统的寿命终结点
� 在EV等重视能量特性的场合中，电池的内阻增 加50%，并不一定意味着电池系统的寿命终结； � 在PHEV、HEV等重视功率特性的场合中，电池的 容量衰减为原来的80%也并不意味着电池系统的 寿命终结
R0
i
( )
3.92
3.91 3.9 3.89 3.88
容量比
CE
0
10
20
30
40
50 (s)
60
70
80
90
100
0.6
-20
0
20 温度 T/℃
40
60
R1
C1 u
内阻 R/mΩ
50 40 30 20 10 0 -20 0 20 温度 T/℃ 40
内阻
处于寿命阶段tn的 电池性能测试
R2
C2
60
电池寿命 公式
循环一次
目录
汽车动力系统对确定性的需求
动力电池系统建模、测试与设计
总结
总结
� 动力电池系统设计和测试需要自顶向下的分解，也需要 按照汽车零部件的V模式开发流程，电池系统设计和测 试不仅仅是电池企业自己的事情，需要和整车动力系统 密切结合。 � 电池测试已从早年的安全评估，电池在BOL时的功率和 能量性能测试，发展到系统级别以及EOL时的性能测试。 � 离线的测试需要和在线的状态估计相结合，实现电池级 别及动力系统级别所期望的确定性。 � 优化迭代是电池系统工程化的必然过程，基于测试的模 型可以加快优化迭代过程。
Component
2011/1/18
同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲 ,weixzh@tongji.edu.cn
5
V模式开发流程 基于模型的 基于模型的V
Specification Specification
Function Function Specification Specification Partition Partition Continuous Package Continuoustest test Package against Spec. against Spec. through Simulation HW HW/ /SW SW through Simulation Integration Design Integration Design Component Component Design Design Build Build Component Component
输出结果
面向动力系统控制的测试
� 由于动力电池系统具有很强的非线性与时变性，因此在 动力电池系统控制时需要同时用到以下两种策略： � 特定状态下对应电池能量与功率特性非线性的表格 � 全寿命周期下电池状态跟踪
电 压 电 流 温 度 电 压 温 度 电 流 时 间
针对模型时变的方法参数辨识
对 象
v (t ) Z (t )
̃ (t ) Z
描述电池能量与 功率特性的表格
修正
全寿命周期下 电池状态估计
u (t )
待辨识系统
系统模型
ˆ (t ) Z
θˆ( t )
SOC
PLimit Limit
寿命
辨识算法
面向动力系统控制的测试
� 描述电池能量与功率特性的表格
1.1
3.95 3.94 3.93
1.0 0.9 0.8 0.7 2号电池 1号电池
For EV
电动机参数设计 （功 率 ）
纯电动模式的 续驶里程要求
动力性指标 、 道路循环工况
电动机参数设 计
For HEV
发动机参数设 计
动力电池 系统确定 性是否已 丢失
动力电池参数确定 （电 压 等 ）
计算下一组参数
电池寿命预测模型
是否满足电池寿命要求 ？
N
优化处理计算 动力电池容量 动力电池参数 设 计 （功 率 和 能量需求 ）
a sketch diagram of EV powertrain
Energy flow in EV powertrain system weixzh@tongji.edu.cn
Introduction of Electric Vehicle & Battery Technology
BEV
Classification of the Electric Vehicle
自顶向下的汽车动力电池系统 优化设计与测试
同济大学汽车学院 上海恒动汽车电池有限公司 魏学哲 年元月 2013 2013年元月
目录
汽车动力系统对确定性和优化的需求
电池设计与测试
小结
1. Introduction of Electric Vehicle & Battery Technology
A picture of EV chasis
动力电池系统的非线性与时变性
电池容量与内阻在不同温度和SOC状态下具有较大差异性
动力电池系统的非线性与时变性
电池的容量随温度的变化而变化，其内阻随温度与SOC的变化而变化 电池容量与内阻在不同放电电流下具有较大差异性
动力电池系统的非线性与时变性
电池容量和内阻在寿命周期内不断变化 即电池的容量特性和功率特性具有很强的非线性和时变 性，由此给动力系统设计和控制带来不确定性
降低不确定性的途径
� 足够的冗余设计（主要指功率特性） � 温度控制，减少温度范围， � 全面的电池信息监测，实现与动力系统的协调控制（在 混合动力系统中尤其有其实际意义）
目录
汽车动力系统对确定性的需求
电池设计与测试
总结
电池测试分类
� 面向电池评估测试 � 单体安全性 � 指标测试 � 面向电池系统的设计与测试 � 电池内部建模与测试 � 单体电池测试 � BMS测试 � 电池模块及系统级测试 � 面向动力系统的设计与测试 � 静态设计与测试 � 动力系统级的模型化 � 面向非线性的测试与建模 � 面向时变性的测试与建模