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车厂对动力电池的开发流程
以北汽为例,基于整车的开发总体流程如下:
北汽的整车EVDP流程,每级子系统的开发验证流程要先于母系统,保证产品开发过程的可靠性。以上是基于电池系统与电芯同步开发情况下定义的开发流程。根据实际开发情况,会优先选择成熟度高的电芯产品。
上汽集团共把它分为四个阶段:预筛选-电池确认和评估-单体确认和评估-系统验证。各个阶段都有严格的测试流程和控制。
电芯类型的选择
电芯从正负极材料的角度来看目前有NCM(111,523,622,811),LCO,LFP,LMO,LTO等。车企要从能量密度,功率特性,循环寿命和安全性的维度进行筛选。另外从电池封装形状上又可分为圆柱,软包(叠片和卷绕),方形(叠片,卷绕,并联卷绕)。各个类型的电芯主要特点总结如下:
电池测试评价体系
三横四纵评价体系。三横:以电芯为核心的关键零部件、电池模组、电池系统三大产品维度,根据不同开发阶段开展不同的测试评价; 四纵:认可试验、标定试验、拓研试验、虚拟验证四大试验类型,验证项目近158项,其中系统热安全、电安全及机械安全33项。其中热安全又包括11子项,29分项; 电气安全包括15子项,33分项; 机械安全包括17子项,35分项;
认可实验
五步四级电芯管理办法,包括技术状态管理、工艺、材料信息建档管理。
对电芯从外特性到内部材料、工艺进行分级开发管理,实现从应用的技术可行性向产品的批量可行性进行评估管理。
标定实验
这是对整车动力性,经济性,环境适应性,耐久性,热平衡,SOC算法验证的过程。
拓研实验验证
电池全生命周期性能评价
整车高水位涉水
高湿环境下的电气安全距离研究
高空跌落试验
持续火烧试验
动力电池系统剖切试验
虚拟仿真验证
在产品开发阶段虚拟验证共计进行两类(结构、热)两级(模组级、系统级)40项仿真分析。
平衡设计动力电池
在电动汽车的设计中,要有平衡的概念。要充分了解用户需求,设计出来的产品不是为了通过标准测试,而是迎合消费者。以安全为中心,寿命、能量密度、功率密度、可靠性之间需要权衡。权衡以后,比如说能量密度和功率密度,在设计上有矛盾,而且能量密度大到一定程度,也会影响安全性的。能量密度高到一定程度也不好控制,所以追求能量密度的时候,安全性问题就会变得越来越突出。
电池设计要平衡,指标不能光看电芯,还要看系统。举个能量和功率的平衡的例子:电池的空间有限、重量有限,都知道电容量越大,要追求卷绕的面积越大越好,而且多绕两圈最好,这是追求能量密度。所以在做的时候,能量型电池不要求过很大电流,电子导电的极片做薄一点,让电极材料涂得厚一点,但是功率型电池要求把极片做厚,但是涂层要薄,离子通道要短,经过隔离膜、电解液到对面去比较快。高能量要求可用的锂电池数量多,高功率要求锂离子跑得快。功率和能量密度同时做到世界第一,是做不到的。
目前,电动客车坚持用磷酸铁锂,因为三元电池没解决热失控这个问题。而乘用车都在用三元,为了优先保证能量密度(但系统热失控也需要满足逃生时间)。所以,不同的应用需求,可以做不同要素优先级的选择。关于共性需求,目前的用户调研,基本上,成本和能量密度在纯电动里面还是放在最先的位置。
动力电池未来变化和发展趋势
1.价格降低。在看后面几年需求的变化和电池发展技术趋势,比较通俗讲,价格至少降一半,我们的目标是2020年完成。其实我们老板要求我们把2020至少降一半的情况要往前提,我们用户觉得这是一个好的事。
2.能量密度提升。能量密度将提升到现在的1.3倍到2倍,磷酸铁锂现在的行业平均水平130Wh/kg上下,但是有可能纯磷酸铁锂有机会做到150~170Wh/kg。纯的磷酸铁锂硅极材料用上去以后,有机会达到180 Wh/kg。现在国家提出更高指标是350 Wh/kg,系统能量要到260 Wh/kg,国家提的要求更高一些。
3.循环寿命提高。现在乘用车和物流车使用的三元电池大多数是1000-2000次的循环寿命,但是现在也有些做2500次的,做混合动力的也有6000、7000次的也有。同样的技术水平,功率型电芯设计到位的话,它的循环寿命会比能量型的长一些,基本上循环寿命提升到现在的2倍。磷酸铁锂可以从2000-4000次提升到10000次以上。
4.电芯、模组、电池包行业标准化。电芯、模组、电池包行业标准化是第四个趋势。
电池开发设计的流程及技术
电池系统不好做的地方,在于它的化学系统受环境影响很大。不管是电池还是电控,只要用到车上就要按照汽车核心零部件的要求来做。V模型开发非常重要的一点就是分层设计、分层验证,比如管理系统是一个小部件,把管理系统的需求加进去,设计开发出来,等到管理系统测试验证好以后,做PACK的集成设计,然后再做到整车的集成设计,是一层一层非常严谨的开发设计流程。
1.机械设计。PACK GBT31467.3的16项安全测试都要做,还有火烧跟挤压测试。对PACK来讲,降成本、减重量,保证安全性和可靠性还存在矛盾,在进行安全设计时,既要考虑成本,又要考虑安全性、能量密度。PACK减重时,要考虑机械强度、机械寿命、防腐蚀性,确保可靠性。
2.IP67的重要性。IP67是牵扯安全的,不仅是能不能用,还有安全性。分几个方面分析IP67的控制,先看箱体加工,要保证箱体不会被破坏;二是看压力平衡阀,能保证不同的纬度、不同的温度下,里外的气压保持平衡;三是上下盖的密封面,需要考虑是否阻燃的,密封好不好,除了材料选择、形状选择,还有固定的压缩比;第四,连接器容易漏水,主要是线束、导线跟插头的关系、插头跟插座的关系、插座跟箱体的关系。要特别注意设计的时候,连接器底座的固定方式是否需要使用盲孔,如果需要盲孔,而箱体里面设计的不是盲孔,再补加胶水也没有用,长期来看是不行的。此外,安装连接器的时候,对箱体的平面性是有要求的,当结构设计不合理,连接器底座和电箱密封也是会漏水的。
3.电池热管理设计。电池热管理设计分三大步骤。第一步是建立热模型。有模型后,单个电池专门测试发热点,建立功率和发热模型的关系;第二步是系统热设计。从机械结构的布局,热传导路径,算它的热阻回路;第三步是热管理和策略,一个目的是防止热失控,保证安全,另一个目的是为了电池的长寿命,控制一些应用功率,防止电池处于较高温度。
4.水冷+热冷热管理系统。高温区的应用有制冷系统,供冷水;高寒区的应用有加热系统,供热水。这两个之间有一个切换功能。但是,目前即便是做出这个产品,也只能说能用,仍不完善。解决方法有两个方向:低温电池和速热技术。
5.电池管理系统。BMS要具备保护和自我诊断功能。特别强调的是,管理系统能够对电池做到自动维护、延长电池寿命。电池长期维护的关键是均衡,而在整车的电池包里,电池结构分布不同,温度、并联回路过电流存在差异,会让电池功率的输出不同。所处的温度环境不一样,性能也会慢慢离散,所以均衡是需要的。
我反对均衡的时候要用多大电流来标榜,那会带来另外的安全和可靠性的问题。在均衡当中,要能够时刻检测出电池状态、单体状态,判断均衡条件比执行均衡更重要,最好能够提前判断,防微杜渐。
主动均衡和被动均衡的区别是什么?主动均衡是“劫富济贫”,电池状态好的可以去救状态差的。被动均衡是“劫富不济贫”,就是把SOC高的容量放掉,达到一致的SOC,再在外面给电池组充电补上去。这里两种方式的成本差异比较大,基本上是两倍以上的关系。
BMS软件分应用层和底层,APP跟BSW。应用层除了系统本身外,其实就是五个模块:前处理、后处理、状态估计、输入、输出。关于管理策略,电池的安全性和可用性是要兼顾的。设计的时候,其实在提高管理系统安全性的同时,也要提高用户的体验。
关于电池保护安全策略这一块,其实电池最怕的是过充、过温,也怕过放后再充电。安全保护要分级、分策略。充电安全方面,充电机的安全是很重要的问题,但目前充电机的质量、技术水平差别很大。
关于SOC算法。既要保证司机能够安全地用SOC,不能虚高虚低,又要保证用户不会觉得SOC乱变化,要有显示策略。高压保护也不说了,非常重要的是高压保护的熔断器和接触器。特别重要的一点,直流耐压不够的话,在短路的时候不能有效分断,所以耐压一定要足够。接触器在高压的时候要断开它,选择时也要考虑耐压和过电流能力,还要注意跟结构设计相关的,我在这两个电极上不要施加不当应力,破坏它的结构。
6.电池系统安全。关于电池系统安全,要从电芯材料和电芯设计的机理开始,就做到防热失控。而在系统级做到防止热扩散,这是全过程的控制。全方位安全(化学、机械、电气和功能安全)中,化学安全要求不起火、不爆炸和阻燃性能,还包括不排放有毒气体,也包括不发生热失控,这些都是在化学安全里面。机械安全包括振动和IP等级,防爆、防撞、防挤压都要考虑。第三是电气安全,就是放触电、防漏电、防绝缘失效和高压防触摸,这些都是属于电气安全的东西。还有功能安全,功能安全在这里是一个概念扩展,通俗地讲,就是当功能失效的时候不能产生安全事故。
电池安全是底层的,是车上的核心零部件,要服从于车安全,要服从于人安全。可靠性是设计制造出来的,主要讲系统设计分层分级去分析它的失效模式和影响,按照每一级去分解可靠性指标,这就是一个FMEA的概念,做DFMEA、PFMEA就是为了在设计开发阶段就识别风险,会不会带来可靠性问题,甚至带来安全问题,把影响分析导出来,从严重度、发生频率、可检测度各个方面考虑,FMEA分析是必须要做的,这也是汽车产品开发的一环。
7.电池系统寿命。电芯寿命的评估,会把它放到电池包乃至整车系统的大环境下来评估。电芯评估有一个模型,用存储寿命和循环寿命来评估用户的使用寿命,存储寿命和循环寿命的影响机理和因素是不一样的。存储寿命主要是化学因子影响,循环寿命是化学和机械的影响。在微观来看,充放电循环中,电极片会膨胀收缩,SEI界面会出现微裂纹,修复裂纹会消耗锂离子,影响寿命。
为什么功率型电池循环会相对好一些?因为功率性电芯的极片涂布压实密度比较低,膨胀量相对小,机械应力小。反之,压实密度越高膨胀越大,膨胀量相对大,机械应力大,对循环寿命影响大。所以说功率型的循环寿命会好过高能量型电芯。模型评估电池寿命的意义:比如一年时间,就能评估电池是否能存储8年10年,500次以内的循环测试数据,就能预测全生命周期能不能达到5000次、3000次循环。
最后,说下目前市场很热的东西:快充。快充电池系统必须至少满足四个条件:电芯性能、过电流、热管理和高压连接安全防护等必须满足。
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