新能源商用车电池系统轻量化设计与安全性评价

1行业背景与技术趋势 锂离子动力电池是新能源汽车的主要动力源 锂离子动力电池具有高比能量，长寿命优势，是目前新能源汽车的主要电化学动力源。诸多新能源汽车上都采用锂离子电池。 锂离子动力电池占新能源商用车重量的至少10%，以新能源大巴车为例，新能源大巴车采用的标准电池包，重量占据车辆总重的10%-20%。 锂离子动力电池的安全性是发展瓶颈 锂离子动力电池的安全性，主要是高低温和高倍率充放电等复杂工况下的适应性。 轻量化、安全性是决定动力电池性能、和环境适应性的关键因素。 过热导致热失控、低温充放电导致短路… 动力电池是电动汽车的核心，影响动力电池系统性能的因素众多，轻量化、安全性是关键因素之一。 轻量化是决定能量密度，续航里程以及能耗等的重要因素！ 轻量化是动力电池PACK的主要关键技术，主要包括电池成组的新材料的应用、结构优化设计以及轻量化新工艺三方面，基于材料的物理特性的结构强度是电池包结构设计的基础。 热管理是动力电池PACK的主要关键技术，主要包括电池成组的热管理结构设计和电池运行的热管理动态控制两方面，基于电池单体热特性的电池组热特性是热管理结构设计和动态控制的基础。 电池系统轻量化设计 轻量化的途径 轻量化途径：电池包轻量化技术是设计、材料与制造技术的集成应用，主要包括以下三个方面：新材料的应用、结构优化设计以及轻量化新工艺等。 新材料应用 高强钢、镁合金、铝合金、工程塑料及其复合材料和陶瓷材料等 轻量化的设计-新材料应用 基本思想：这里的新型材料专指轻量化材料，它是能有效降低动力电池系统自重的材料。它有两大类：一类是低密度的轻质材料，如铝合金、复合材料等；另一类是高强度钢。 PDCPD材料：①PDCPD聚双环戊二烯（PDCPD:Poly- dicyclopentadience）作为一种热固性高分子材料；②具有高抗冲击强度、高弯曲模量、极好的耐腐蚀性和低密度等优异性能。 轻量化的设计-结构设计优化 现行的结构优化基本都要使用计算机辅助设计进行仿真以实现轻量化优化设计。通过计算机仿真洞察应力分布，在满足产品刚度和强度要求的前提下把应力集中的部位做强，把应力分散的部位切薄或者直接去除。 技术途径：①对电池组总体结构进行分析和优化，实现对电池包零部件的精简、整体化和轻质化。②通过CFD软件准确实现电池包的的刚度，模态等参数检验。 轻量化的设计-PACK轻量化新工艺 新工艺基本思想：随着新材料和新技术的逐渐应用，使动力电池系统的生产工艺发生变化。比如，冲压、板材温冲压、型材挤压和结构件铸造代替传统方法。 技术途径：①对电池组总体结构进行分析和优化，实现对电池包零部件的精简、整体化和轻质化。②通过CFD软件准确实现电池包的的刚度，模态等参数检验。 箱体材料：钢工艺方式：冷轧 箱体材料：复合材料工艺方式：注塑成型 轻量化的设计-应用案例 PDCPD与钢材壳体最小形变 电池系统安全性设计 主要内容：在流速和流体的物理性质给定的条件下，对流换热换热界面上的换热强度不仅取决于速度场和温度梯度场本身，而且还取决于它们之间的夹角（即不仅取决于速度场、温度梯度场、夹角场的绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配） 电池单体热电耦合多维参数化建模 技术途径：①基于单体热电耦合一维产热模型，建立热电耦合的单体三维热传输模型。②通过结构参数的敏感性分析，探讨具有全局影响的关键特征结构参数及其对性能的影响机制和规律。③以关键特征结构参数为变量，建立电性能和产热特性一维、热传输三维的电池单体热电耦合多维参数化热模型，并进行相应的实验验证。 电池组多维多层多场耦合建模 技术途径：①电池组进行层次分解，耦合单体参数化模型，建立不同层次电池亚组的电-热-流耦合模型。②通过层次间耦合，建立电池组电-热-流多层次耦合模型和仿真平台。③系统分析不同成组方式、不同工况和外部热边界条件对电池组整体电、热性能的影响规律，并对模型进行验证。 产品设计依据 技术途径：产品安全的设计是从客户的需求出发，综合考虑电芯、模组、材料、热管理、结构、软硬件、安全性、轻量化、高效能等多维度；从开发设计角度（APQP、FMEA、仿真验证、试验验证）验证，设计出符合客户要求的产品。 单体热特性分析研究的核心，在于单体产热和传热的建模。 热管理系统部件选型 单体热特性分析研究的核心，在于单体产热和传热的建模。 电池组热管理系统匹配 对于满足常规性能要求的热管理系统的开发，重视工程经验的积累，熟悉动力电池热管理系统的结构及其工作原理，并在此基础上进行匹配设计，最终实现稳定、可靠、满足常规性能的热管理系统。 电池组热特性分析--热特性CFD分析研究--车用动力电池包温度场分析 ◆不同冷却形式CFD计算 BMS设计开发 技术途径：①分析热管理系统构形对电池组动态热特性的影响，揭示电池组温度动态变化及时滞效应的变化规律及影响机制；②建立动态热响应及时滞效应预测模型，建立基于模型的热管理动态控制方法，耦合到BMS系统中，利用所设计的微通道热管热管理系统等进行实验验证。 电池组热管理系统集成与实验验证 通过电池台架热管理试验以及实车夏季高温试验验证，可以实现在任何情况下电池温度控制48℃以内，常规工况控制在45℃以内。 电池单体热特性分析--电池单体产热建模 电池单体产热可由Bernardi方程确定，通过电流、电压确定产热率，目前产热研究主要集中在等效内阻的研究。 电池内部结构是决定等效内阻和产热率的关键因素，相关研究尚未见文献报道。难点及瓶颈：建模中如何考虑内部结构参数对内阻的影响？ 热失控防范技术--电池单体热特性分析--电池单体传热建模 电池单体传热研究的核心在于确定导热系数从而获得温度分布。 传统的导热系数测试方法和计算方法不再适用，电池单体内部层状结构和浸润性导致的导热系数各向异性特性，是影响单体传热过程的关键因素，相关研究有待进一步深入。难点及瓶颈：建模中如何考虑内部结构参数对导热系数的影响？ 热失控防范技术-电池单体热电耦合多维参数化建模-技术途径内阻与产热率测算：稳态VI与瞬态IC方法相结合。 导热系数等热物性参数测算：电池加热、电池时域热模型、优化算法三者相结合。 热失控防范技术--电池单体参数化建模仿真验证--技术途径 ⚫网格划分 热失控防范技术--电池单体参数化建模仿真验证 电池热特性分析研究 ◆电池温度场分析 ◆不同冷却形式CFD计算 热失控防范技术--电池单体参数化建模实验验证 ◆通过对电池的热失控试验验证，电池的温度曲线符合模型趋势。 热失控防范技术--电池热失控预警模型建立 技术途径 ◆根据仿真以及实验数据，建立电池热失控预警模型。 ◆热失控模型，应用控制算法，能够早期探测电池热失控迹象 热失控防范技术--电池热失控灭火系统设计 直接将电池异常早期探测模块和联动灭火装置安装在新能源汽车的电池仓或电池箱内，发现热失控迹象，早期预警，发现火情立即灭火，将火情控制在早期。 热失控防范技术--电池热失控灭火系统选型 灭火系统由探测控制器和灭火器组成，其中探测控制器内包含：各类传感器、探测线束等；灭火器内包含：探火管、灭火剂、灭火剂喷头等。