鋰電單體和系統(tǒng)集成知識(shí)課件

鋰電系統(tǒng)研究所陳保貴鋰電單體及系統(tǒng)集成知識(shí)鋰電系統(tǒng)研究所陳保貴鋰電單體及系統(tǒng)集成知識(shí)目錄一、鋰電池單體性能二、大容量電池與小容量電池并聯(lián)特征三、小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較四、不同結(jié)構(gòu)的電池特性五、電池組合形式六、純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄一、鋰電池單體性能動(dòng)力型圓柱電池規(guī)格表1鋰電池單體性能動(dòng)力型圓柱電池規(guī)格表1鋰電池單體性能容量型圓柱鋰電池規(guī)格表1鋰電池單體性能容量型圓柱鋰電池規(guī)格表1鋰電池單體性能大容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)組合方便指標(biāo)占優(yōu)勢(shì)（體積比能量、質(zhì)量比能量等）組合方便，僅需考慮串聯(lián)組合★缺點(diǎn)工藝復(fù)雜，合格率低內(nèi)部電流密度、溫度的分布均勻性部分結(jié)構(gòu)電池（如軟包裝等，引流能力受限）大容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)小容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)電池表面積/體積大，散熱性能好圓柱：比表面積/體積=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半徑；方形電池時(shí)，比表面積/體積=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、c分別指電池的長(zhǎng)、寬、高）安全系數(shù)高★缺點(diǎn)大容量電池需并聯(lián)應(yīng)用串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)復(fù)雜，組合成本高串并聯(lián)組合體積大，影響部分應(yīng)用小容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)電動(dòng)汽車對(duì)電池安全性的要求★安全性是電動(dòng)汽車第一指標(biāo)。★電動(dòng)汽車電池的使用特點(diǎn)：高速移動(dòng)、劇烈震動(dòng)、高溫工作、快速充放電，潛在著撞擊、刺傷、短路、跌落、浸水、火燒、甚至槍擊的可能性?！镆虼耍妱?dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的安全性要求極高，對(duì)百萬(wàn)分之一的非安全概率都會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果，它意味著大陸年產(chǎn)100萬(wàn)輛新能源汽車每年都要發(fā)生多起安全事故?！飳?duì)鋰動(dòng)力電池科研、生產(chǎn)、使用過程：召回制度、安全隱患對(duì)鋰電池企業(yè)是致命性的打擊?！锇踩?、安全、再安全是鋰動(dòng)力電池永久的話題。3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較電動(dòng)汽車對(duì)電池安全性的要求★安全性是電動(dòng)汽車第一指標(biāo)。3小世界上沒有絕對(duì)安全的電池★電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不安全因素?！锊煌碾娀瘜W(xué)體系，不同的容量，使用工藝參數(shù)，使用環(huán)境，使用程度，都對(duì)安全性有較大的影響?！锼械陌踩跃c溫度有關(guān)：控制溫度的重要性?！锼须姵匕ㄒ淮坞姵?、各類二次電池，均存在安全性問題3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較世界上沒有絕對(duì)安全的電池★電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不安安全性本質(zhì)：電池中的能量以20Ah鋰離子電池為例:★

20Ah（3.6V）

72Wh259.2KJ★

1克TNT4.20KJ★

20Ah鋰離子電池的能量

61.7克TNT能量3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較20Ah鋰離子電池僅存儲(chǔ)的電能相當(dāng)于61.7克TNT炸藥的能量。以上計(jì)算還未計(jì)電解液燃燒所含能量，及正極活性物質(zhì)分解的能量。安全性本質(zhì)：電池中的能量以20Ah鋰離子電池為例:3小電池電解液的能量★鋰離子電池的電解液用量

6mL/AH★汽油的密度

0.71克/mL★

1克汽油

42KJ★

1克TNT4.183KJ★

1Ah電池的電解液能量

178.9KJ★

1Ah電池的電解液能量

42.6克TNT★

20Ah電池的電解液能量

832克TNT3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較注意：該能量不具備直接爆炸條件電解液的能量★鋰離子電池的電解液用量6mL/AH3小電安全性結(jié)論1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差2、保護(hù)措施

外置保護(hù)電路內(nèi)裝置PTC（但會(huì)增加電池內(nèi)阻）電解液添加阻燃劑（會(huì)影響電池性能）3、熱管理的重要性4、外部保護(hù)不能解決電池內(nèi)部問題

電池設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

PACK設(shè)計(jì)3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較安全性結(jié)論1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差3小電安全性比較★小容量電池容易實(shí)現(xiàn)過充過放保護(hù)措施(單體電池保護(hù)設(shè)計(jì)）電池容量低，出現(xiàn)問題能量釋放少，對(duì)周圍電池影響小★大容量電池保護(hù)措施少內(nèi)部問題釋放能量大，連鎖反應(yīng)引起周圍電池故障，安全失控3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較安全性比較★小容量電池3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較4不同結(jié)構(gòu)的電池特性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較4不同結(jié)構(gòu)的電池特性電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性

軟包裝

圓柱

方形電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性軟包裝圓柱方形電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性代表性廠家4不同結(jié)構(gòu)的電池特性★圓柱形產(chǎn)品：A123、Valance、力神、CENS、微宏、新太行等★方形電池：星恒、雷天、洛陽(yáng)天空、力神、ATL、國(guó)軒等★軟包裝：中信國(guó)安、萬(wàn)向、雙登、豐江、環(huán)宇等相對(duì)來講，純電動(dòng)汽車用軟包裝（方形外殼）和方形電池居多，混合電動(dòng)車用圓柱和方形（金屬殼體）居多。代表性廠家4不同結(jié)構(gòu)的電池特性★圓柱形產(chǎn)品：A123、Va圓柱電池組合形式5電池組合形式拼裝卡板模塊內(nèi)部組合示意圖圓柱電池組合形式5電池組合形式拼裝卡板模塊內(nèi)部組合示意圖方形電池組合形式5電池組合形式方形電池組合形式5電池組合形式軟包裝電池組合形式5電池組合形式軟包裝電池組合形式5電池組合形式串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)注意點(diǎn)5電池組合形式★如何降低電池組合的內(nèi)阻★串聯(lián)容量的一致性★并聯(lián)內(nèi)阻的均勻性★單體電池電流的均勻性串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)注意點(diǎn)5電池組合形式★如何降低電池組合的內(nèi)阻動(dòng)力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求，為其提供具有最佳使用性能的動(dòng)力電源系統(tǒng)?！锇踩砸蟆镫娦阅芤蟆镫姵剡x型與系統(tǒng)配置動(dòng)力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根要解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)★在允許的尺寸、重量范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使其滿足整車系統(tǒng)的用電要求★尋找簡(jiǎn)單可行的工藝★降低成本★在條件許可的情況下，提高產(chǎn)品的技術(shù)性能★克服和解決環(huán)境污染問題要解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)★在允許的尺設(shè)計(jì)流程6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定的參數(shù)與解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）電氣特性：標(biāo)稱電壓及運(yùn)行電壓范圍標(biāo)稱容量及可用容量范圍電源系統(tǒng)常規(guī)放電電流電源系統(tǒng)充電要求（2）功率特性電源系統(tǒng)最大輸出功率及持續(xù)時(shí)間電源系統(tǒng)最大反饋功率及持續(xù)時(shí)間（3）環(huán)境特性電源系統(tǒng)使用溫度范圍充電溫度范圍貯存溫度范圍確定的參數(shù)與解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（確定的參數(shù)與解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（4）物理特性電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與尺寸電源系統(tǒng)質(zhì)量其他機(jī)械性能、防護(hù)性能等要求（5）BMS要求

BMS具備的管理與保護(hù)功能（最大程度避免電池過充過放）

電池的SOC、SOH判斷通訊方式及收發(fā)器件設(shè)計(jì)要求

電氣控制要求及通訊協(xié)議（6）整車接口要求物理接口：包括電池安裝、固定方式、冷卻介質(zhì)的空間走向、相關(guān)管路電氣接口：包括整車線束定義及技術(shù)規(guī)范、連接件的型號(hào)及管腳定義通訊接口：包括與整車的通訊、BMS內(nèi)部通訊、與充電機(jī)通訊確定的參數(shù)與解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（需要了解的整車信息6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)整車的了解越詳細(xì)，設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)越完善。不僅僅是電機(jī)、整車控制策略等會(huì)影響到電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整車的質(zhì)量、尺寸、空間、運(yùn)行工況等均需進(jìn)行詳細(xì)了解。填寫產(chǎn)品信息輸入表。1）整車參數(shù)2）整車電機(jī)參數(shù)3）整車要求的續(xù)駛里程4）反饋功率5）電源系統(tǒng)安裝空間尺寸，安裝固定要求6）電源系統(tǒng)質(zhì)量要求7）充電方式及接口8）車輛行駛工況9）使用環(huán)境溫度范圍10）充電環(huán)境溫度范圍11）輔助系統(tǒng)功率要求12）輔助電源特征參數(shù)需要了解的整車信息6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整謝謝！謝謝！鋰電系統(tǒng)研究所陳保貴鋰電單體及系統(tǒng)集成知識(shí)鋰電系統(tǒng)研究所陳保貴鋰電單體及系統(tǒng)集成知識(shí)目錄一、鋰電池單體性能二、大容量電池與小容量電池并聯(lián)特征三、小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較四、不同結(jié)構(gòu)的電池特性五、電池組合形式六、純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄一、鋰電池單體性能動(dòng)力型圓柱電池規(guī)格表1鋰電池單體性能動(dòng)力型圓柱電池規(guī)格表1鋰電池單體性能容量型圓柱鋰電池規(guī)格表1鋰電池單體性能容量型圓柱鋰電池規(guī)格表1鋰電池單體性能大容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)組合方便指標(biāo)占優(yōu)勢(shì)（體積比能量、質(zhì)量比能量等）組合方便，僅需考慮串聯(lián)組合★缺點(diǎn)工藝復(fù)雜，合格率低內(nèi)部電流密度、溫度的分布均勻性部分結(jié)構(gòu)電池（如軟包裝等，引流能力受限）大容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)小容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)電池表面積/體積大，散熱性能好圓柱：比表面積/體積=2*(1/h+1/r),其中，h指高度，r指半徑；方形電池時(shí)，比表面積/體積=2*（1/a+1/b+1/c），a、b、c分別指電池的長(zhǎng)、寬、高）安全系數(shù)高★缺點(diǎn)大容量電池需并聯(lián)應(yīng)用串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)復(fù)雜，組合成本高串并聯(lián)組合體積大，影響部分應(yīng)用小容量電池的特點(diǎn)2大容量電池和小容量電池并聯(lián)特征★優(yōu)點(diǎn)電動(dòng)汽車對(duì)電池安全性的要求★安全性是電動(dòng)汽車第一指標(biāo)。★電動(dòng)汽車電池的使用特點(diǎn)：高速移動(dòng)、劇烈震動(dòng)、高溫工作、快速充放電，潛在著撞擊、刺傷、短路、跌落、浸水、火燒、甚至槍擊的可能性。★因此，電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的安全性要求極高，對(duì)百萬(wàn)分之一的非安全概率都會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果，它意味著大陸年產(chǎn)100萬(wàn)輛新能源汽車每年都要發(fā)生多起安全事故?！飳?duì)鋰動(dòng)力電池科研、生產(chǎn)、使用過程：召回制度、安全隱患對(duì)鋰電池企業(yè)是致命性的打擊?！锇踩?、安全、再安全是鋰動(dòng)力電池永久的話題。3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較電動(dòng)汽車對(duì)電池安全性的要求★安全性是電動(dòng)汽車第一指標(biāo)。3小世界上沒有絕對(duì)安全的電池★電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不安全因素?！锊煌碾娀瘜W(xué)體系，不同的容量，使用工藝參數(shù)，使用環(huán)境，使用程度，都對(duì)安全性有較大的影響?！锼械陌踩跃c溫度有關(guān)：控制溫度的重要性?！锼须姵匕ㄒ淮坞姵亍⒏黝惗坞姵?，均存在安全性問題3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較世界上沒有絕對(duì)安全的電池★電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不安安全性本質(zhì)：電池中的能量以20Ah鋰離子電池為例:★

20Ah（3.6V）

72Wh259.2KJ★

1克TNT4.20KJ★

20Ah鋰離子電池的能量

61.7克TNT能量3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較20Ah鋰離子電池僅存儲(chǔ)的電能相當(dāng)于61.7克TNT炸藥的能量。以上計(jì)算還未計(jì)電解液燃燒所含能量，及正極活性物質(zhì)分解的能量。安全性本質(zhì)：電池中的能量以20Ah鋰離子電池為例:3小電池電解液的能量★鋰離子電池的電解液用量

6mL/AH★汽油的密度

0.71克/mL★

1克汽油

42KJ★

1克TNT4.183KJ★

1Ah電池的電解液能量

178.9KJ★

1Ah電池的電解液能量

42.6克TNT★

20Ah電池的電解液能量

832克TNT3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較注意：該能量不具備直接爆炸條件電解液的能量★鋰離子電池的電解液用量6mL/AH3小電安全性結(jié)論1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差2、保護(hù)措施

外置保護(hù)電路內(nèi)裝置PTC（但會(huì)增加電池內(nèi)阻）電解液添加阻燃劑（會(huì)影響電池性能）3、熱管理的重要性4、外部保護(hù)不能解決電池內(nèi)部問題

電池設(shè)計(jì)質(zhì)量控制

PACK設(shè)計(jì)3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較安全性結(jié)論1、電池容量越高，貯存能量越多，安全性越差3小電安全性比較★小容量電池容易實(shí)現(xiàn)過充過放保護(hù)措施(單體電池保護(hù)設(shè)計(jì)）電池容量低，出現(xiàn)問題能量釋放少，對(duì)周圍電池影響小★大容量電池保護(hù)措施少內(nèi)部問題釋放能量大，連鎖反應(yīng)引起周圍電池故障，安全失控3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較安全性比較★小容量電池3小電池并聯(lián)與大電池的安全性比較結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較4不同結(jié)構(gòu)的電池特性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較4不同結(jié)構(gòu)的電池特性電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性

軟包裝

圓柱

方形電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性軟包裝圓柱方形電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性電池結(jié)構(gòu)4不同結(jié)構(gòu)的電池特性代表性廠家4不同結(jié)構(gòu)的電池特性★圓柱形產(chǎn)品：A123、Valance、力神、CENS、微宏、新太行等★方形電池：星恒、雷天、洛陽(yáng)天空、力神、ATL、國(guó)軒等★軟包裝：中信國(guó)安、萬(wàn)向、雙登、豐江、環(huán)宇等相對(duì)來講，純電動(dòng)汽車用軟包裝（方形外殼）和方形電池居多，混合電動(dòng)車用圓柱和方形（金屬殼體）居多。代表性廠家4不同結(jié)構(gòu)的電池特性★圓柱形產(chǎn)品：A123、Va圓柱電池組合形式5電池組合形式拼裝卡板模塊內(nèi)部組合示意圖圓柱電池組合形式5電池組合形式拼裝卡板模塊內(nèi)部組合示意圖方形電池組合形式5電池組合形式方形電池組合形式5電池組合形式軟包裝電池組合形式5電池組合形式軟包裝電池組合形式5電池組合形式串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)注意點(diǎn)5電池組合形式★如何降低電池組合的內(nèi)阻★串聯(lián)容量的一致性★并聯(lián)內(nèi)阻的均勻性★單體電池電流的均勻性串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)注意點(diǎn)5電池組合形式★如何降低電池組合的內(nèi)阻動(dòng)力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求，為其提供具有最佳使用性能的動(dòng)力電源系統(tǒng)?！锇踩砸蟆镫娦阅芤蟆镫姵剡x型與系統(tǒng)配置動(dòng)力電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根要解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)★在允許的尺寸、重量范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使其滿足整車系統(tǒng)的用電要求★尋找簡(jiǎn)單可行的工藝★降低成本★在條件許可的情況下，提高產(chǎn)品的技術(shù)性能★克服和解決環(huán)境污染問題要解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)★在允許的尺設(shè)計(jì)流程6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定的參數(shù)與解決的問題6純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）電氣特性：標(biāo)稱電壓及運(yùn)行電壓范圍標(biāo)稱容量及可用容量范圍電源系統(tǒng)常規(guī)放電電流電源系統(tǒng)充電要求（2）功率特性電源系統(tǒng)最