车用动力电池系统设计与性能分析2.0

第二部分 动力电池系统设计要点 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 2 3 目前的热管理方式主要有自然冷却、风冷和液冷。 风冷和液冷系统的优势在于主动制冷和主动制热功能。 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。
序 号 1 2 3 4 5
负责系统 电池包
名称 水冷板 加热器 chiller 压缩机 散热器
6
7 8 9
整车热管理系统
电磁阀
水泵 补液壶 管路及接头
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第二部分 动力电池系统设计要点 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。
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第一部分 动力电池系统需求分析
电池系统功能
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。
集成安装 热管理
提供电能
状态监控 回收能量 通讯与控制 充电管理 高压电管理
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第一部分 动力电池系统需求分析
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。
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 16 17 充电 电机 整车 整车需求 参数 工作环境温度(°C) 储存温度(°C) 综合工况续驶里程(km) 空间尺寸(mm) 整备质量kg 布置位置 整车质保（年/公里) 设计寿命（年/公里) 整车成本（万元，补贴后） 额定输入电压(V) 输入电压范围(V) 持续驱动功率(kW) 峰值驱动功率(kW，≥30s) 峰值发电功率(kW,10s) 标准充电时间(h) 快速充电时间 (80%SOC，h) 要求 参数 工作温度范围(°C) 储存温度范围(°C) 额定能量(kwh) 能量密度(wh/L) 比能量（wh/kg） 防护等级 日历/循环寿命（年/次） 日历/循环寿命（年/次） 电池成本（万元） 额定电压(V) 工作电压范围(V) 放电倍率(C) 峰值放电倍率(C) 峰值充电倍率(C) 标准充电功率（kW） 充电倍率(C) 电池系统需求 要求
能源汽车工程已在全世界范围内展开。
第一部分 动力电池系统需求分析
新能源汽车三大核心技术
动力电池及管理系统技术是制约新能源汽
车发展的一项关键技术。
动力电池及管理系统
驱动电机及控制系统
整车控制系统
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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
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。 基于CAN总线的网络通讯和控制
第一部分 动力电池系统需求分析
解决途径
能源危机 储能电池 环境污染 温室气体
新能源开发 储能电站
降低能源消耗 减少CO2排放
可再生能源开发
纯电动汽车 混合动力 燃料电池车
智能电网
太阳能 风能
生物质 能 动力电池系统
第一部分 动力电池系统需求分析
共识：新能源汽车是未来汽车产业发展的必然趋势 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。 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。 为了汽车工业和技术的可持续发展，开发和推广“绿色”新
系统设计
根据整车性能要 求，结合仿真模 拟结果，提出系 统设计要求。
模块设计
根据系统设计输 入，定义电芯资 源及模块参数要 求。
电气设计
合理的高压与低 压设计，保证电 气安全。
BMS设计
保证电池系统功 能与性能，合理 设计控制策略。
热管理设计
保证电池系统内 部温度均匀，提 高电池系统性能 及寿命。
安全设计
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第二部分 动力电池系统设计要点 电气设计
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。
第二部分 动力电池系统设计要点 BMS设计
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 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。
2T/3T
8T
16T
城市客车
出租车
垃圾车
吸尘车
洒水车
Байду номын сангаас
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
功率
能量
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；
安全
寿命
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；
模组缺陷
BMS丛控芯片烧坏 散热风扇损坏
壳体密封设计不良
静电击穿 风扇非汽车级
目前故障主要集中在PACK设计及BMS软硬件方面
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第二部分 动力电池系统设计要点
车用动力电池系统设计要点
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。
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。 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。 2. 电池包的水冷板为并联结构，保证有较小
水冷板
的水阻和温度均衡性。
3. 水冷板下侧粘贴隔热垫，降低水冷系统与 外界的热交换。
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第二部分 动力电池系统设计要点
典型设计方案介绍
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-30-60°C范围内正常工作。 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。。
判定标准
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%。 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% 放电容量应补低于初始容量的80% 放电容量应不低于初始容量的70% 放电容量应不低于初始容量的90% 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 蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 蓄电池模块不爆炸、不起火 蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 蓄电池模块不爆炸、不起火 蓄电池模块不爆炸、不起火 蓄电池模块不爆炸、不起火 蓄电池模块不爆炸、不起火 蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液 蓄电池模块不爆炸、不起火、不漏液
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目录
第一部分
动力电池系统需求分析
第二部分
动力电池系统设计要点
第三部分
动力电池系统性能分析
Foton Motor Group | 12
第二部分 动力电池系统设计要点 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。
新能源汽车
新能源客车
新能源多功能车
纯电动专用车
HEV
PHEV
EV
EV迷迪
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
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第一部分 动力电池系统需求分析
车用动力电池的关键因素
安全性
充放电效率 系统 效率 动力电池 寿命 日历寿命 循环寿命
倍率特性 功率特性
性能 安全性
成本
材料成本 维护成本
电动汽车对动力电池的安全性要求极高，因此安全性是车用动力电池的基础 由于电动汽车运行环境是复杂多变的，因此保证动力电池的安全性又是很困难的。
合理的结构设计， 保证人员及车辆 安全。
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第二部分 动力电池系统设计要点 系统设计
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
2
充分了解车辆系统及各种运行工况。
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。
4
系统级安全设计。
第二部分 动力电池系统设计要点
新能源客车故障分类总结
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 夏天电池过温保护 SOC检测不准确 原因 电池系统冷源取自空调，空调不开 电流传感器精度低
模块测 试
BMS 测试 电气件 测试
进行性能测试和安全测试。
电池系统(性能测试+安全测试)
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第三部分 动力电池系统性能分析
模块测试项目
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
试验项目
室温放电容量 室温倍率放电容量 室温倍率充电性能 低温放电容量 高温放电容量 耐振动性能 过放电 短路 跌落 加热 挤压 针刺 海水浸泡 温度循环 低气压
热管理 动力电池及其管理 整车的试验及匹配标定 电机及控制
动力系统集成 整车控制
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第一部分 动力电池系统需求分析
电动汽车能量存储要求
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）
电动汽车 能量存储要求
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
仿真分析功率需求
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第二部分 动力电池系统设计要点 模块设计
动力电池模块设计中容易出现如下问题：
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）。
类型
电性能
安全性
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第三部分 动力电池系统性能分析
BMS测试项目
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 试验项目 电池状态监测 SOC估算精度 故障诊断 绝缘电阻 绝缘耐压性能 过电压运行 欠电压运行 耐电源极性反接 高温运行 低温运行 耐高温性能 耐低温性能 耐温度变化性能 耐盐雾性能 耐湿热性能 耐振动性能 电磁辐射抗扰性 判定标准 将电池管理系统采集的数据与检测设备检测的对应数据进行比较 将电池管理系统采集的数据与检测设备检测的对应数据进行比较 通过模拟系统，建立满足所列故障项目的触发条件 在BMS的电压采样电路和其壳体之间施加500V DC的电压进行绝缘电阻测量 施加50HZ的正弦波形交流电压，施加最高工作电压，历时1min。 将供电电压调至16V或32V，持续运行1h，并与检测设备比较 将供电电压调至9V或18V，持续运行1h，记录BMS采集数据，并与检测设备比较 将输入供电电源反接，持续1min，恢复正常供电，判断其是否正常工作。 将BMS在65度高温中运行1h，记录BMS采集数据，并与检测设备比较 将BMS在-25度低温中运行1h，记录BMS采集数据，并与检测设备比较 将将BMS在85度高温保持4h，恢复到室温后，运行BMS，并与检测设备比较 将将BMS在-40度低温保持4h，恢复到室温后，运行BMS，并与检测设备比较 -40—85度之间，循环5次，恢复到室温后，运行BMS，并与检测设备比较 持续16h，试验后，运行BMS，记录BMS采集数据，并与检测设备比较 高温55度，2个循环（48h） 三个方向上，每一方向持续8h，10Hz--500Hz，运行BMS，并与检测设备比较 实验过程记录BMS采集数据，并与检测设备比较 可靠性 环境安 全性 高压安 全性 类型 策略安 全性
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
第一部分
动力电池系统需求分析
第二部分
动力电池系统设计要点
第三部分
动力电池系统性能分析
Foton Motor Group | 2
第一部分 动力电池系统需求分析
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
电池包
目录
第一部分
动力电池系统需求分析
第二部分
动力电池系统设计要点
第三部分
动力电池系统性能分析
Foton Motor Group | 24
第三部分 动力电池系统性能分析
动力电池系统性能分析
A样件
功能验证
B样件
DV验证
C样件
PV验证
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