BMS（电池管理系统）第11课—动力电池系统安全

​从两个问题开始和大家讨论一下系统安全

为什么需要安全设计？

• 新能源汽车越来越多；

• 行业水平良莠不齐；

• 电池技术仍需要提高；

• 动力电池容易热失控引起连锁反应；

• 电气部件失效率；    

 

安全设计包括那些内容？

• 电气安全设计：电池组一般电压比较高，输出功率高；

• 化学安全设计：单体电芯化学特性受倍率，温度等多种因素影响；

• 机械安全设计：汽车行驶受到振动，颠簸，碰撞；

• 功能安全设计：电池管理系统功能复杂，需要安全冗余设计；

• 其他运输，法规设计：包装，运输等要求；

动力电池系统组成

• 电芯/模组：动力电池组由圆柱，方形的单体电芯经过Pack设计（串联增压，并联增容）组成模组；

• 电气系统：动力电池组为整车提供动力，具有高压通断切换，保护系统；

• 机械系统：电池组作为整车的一部分搭载整车，需要具备可靠稳定的机械系统设计；

  

• 热管理系统：电池组由于放电效率，内阻，外部环境等因素影响在充放电过程中会产生热量，以及在外部环境温度较低时需要保证锂电池内化学物质活性需要先加热电池组再充电，因此我们要管理好电池组的热系统，把没用的热量散出去，并且在低温充电前先加热电池组；

• 管理控制系统：采集并计算电池数据，约束电池使用范围，和其他ECU信息交互；

动力系统构建关键技术

电芯技术

电芯类别分为软包，铝壳方形，圆柱。比容量上圆柱形最高，依次软包，方形。软包和方形加工工艺上可以叠片也可以卷绕，叠片就像夹心饼干一样把正极片，隔膜，负极片裁剪好叠在一起装壳。卷绕式像卫生纸筒一样把正极片，隔膜，负极片三层一起卷成圆柱然后装壳。制作工艺圆柱形最为简单。以下列举几家厂商生产的三元（镍钴锰）材料单体电芯对比。

电芯主要由正极材料，负极材料，电解液，隔膜，粘洁剂等辅助材料和外壳组成，其中我们经常提到的锰酸锂，三元材料等都是说的正极材料，他们大多数都是锂的氧化物同时成本上锂业占据了大部分成本，负极材料为石墨从这里我们就可以看出来为什么锂电池燃烧如此剧烈，正式因为他的材料本身所决定的，负极材料石墨作为碳的同素异形体可以充分燃烧而正极材料为氧化物可以提供助燃的氧气，熊猫本人见证过很多次锂电池燃烧事故一般灭火器是没有多大作用的一定要有大量的水降温使温度低于着火点。

集成技术

公司现有集成方案或技术

• 圆柱电芯（电芯级能量密度高，松下、比克等）

• 软包电芯（电芯级能量密度高， LG、 A123等）

• 硬壳电芯（易于成组集成，便于热管理布置， CATL、三星等）

车型规划

• 纯电动EV、混合动力HEV、 PHEV等，决定电芯类型为能量型或者功率型

• 车辆的续驶里程，决定需要的总电量；车辆的电压平台，决定了单体需要的容量；（快）充放电功率需求等；

• 整车初步给出的初步布置位置及空间，决定了电池包的尺寸及冷却类型（电芯最大高度，是否主动冷却）

供应商考核与选择

• 供应商现有产品及未来5年的产品规划（是否需要满足能量/功率密度要求、尺寸要求，决定是否需要重新开发）

• 目标产品是否满足产能规划、价格优势、先进技术条件等，决定是否能成为战略供应商

• 目标产品或类似产品，电芯/模组摸底实验（性能<不同温度容量、功率、电阻、一致性>）、循环寿命、滥用安全）

基本构成：

• 上下箱体

• 零部件支架

• 紧固件等

基本要求：

• 通过前期仿真验证

• 满足规定的设计性能要求

• 满足国标GBT31467.3 机械部分要求

• 满足企业内部标准要求，满足ADVP实验指标

• 满足产品成型性要求，产品应该易加工成型，满足成本要求

• 满足轻量化设计要求，保证电池的集成效率优势（>60%~70%）

上盖有一定结构强度要求并且要为MSD（手动维修开关/保险丝）留好接口

下壳主要承载电池组重量同时停供与车身连接接口

电池包机械方面结构体需要满足

电气方面由高低压线束及接插件（含模组采集ICB）、继电器总成BDU（含子回路保险丝）、手动维修开关MSD（含主保险丝）构成；

基本要求:

1. 满足产品设计规定的电气性能指标

• 载流能力、预充要求、闭合/切断时间、

• IP防护、 EMC兼容性

2. 满足产品设计规定的电气安全指标

• 绝缘耐压、过载短路保护、极限切断

• 互锁保护、故障诊断、 警示标识等

3. 满足国标

• GBT 18384 、 GB/T 16935、 GBTXXX《电动汽车安全要求》

4. 应综合考虑可靠性、空间布置、成本、轻量化等因素

5. 满足产品设计的规定的寿命年限，8~10年， or 10~16万公里

电气设计要点

• 导线：考虑铝导线，目前使用较少

• 接插件：内部接插件一般不做IP防水， 布置需要考虑凝露，采样部分需要高压， 外部需防火

• 继电器：按照ISO16750（环境）、 ISO 17625（性能）、 IEC 61810进行验证，供应商松下、泰科、 LSIS、宏发等    

• 保险丝：一般采购质量可靠的成熟产品，力特、太平洋、巴斯曼等，国内中熔，有容；

        高压熔成本远高于低压熔丝之原因

• • 结构、材料差异

  • 制程差异：

    • 高压熔丝目前为半自动化生产，人工成本占比较大；

    • 低压熔丝已实现全自动化生产。

  • 出货量差异

    • 高压熔丝月出货低于1百万件；

    • 低压熔丝月出货数亿件。

• 保护机制：线束、继电器、保险丝综合选型；过载后，继电器应该能够带载切断，超过后保险丝应该及时作用，避免线束达到冒烟极限值

热管理系统

主要由电池模组内冷却回路、电池包级冷却板或冷却管道、可能集成PTC加热器，用于冬季制冷；、进出水口及外部水泵、Chiller交换器，空调制冷循环回路等；

基本要求：

• 满足仿真验证

• 满足产品规定的热管理设计性能要求

• 满足企业内部标准要求，满足ADVP实验指标要求

• 满足产品成型性要求，产品应该易加工成型，满足成本要求

• 满足轻量化设计要求，保证电池的集成效率优势（>60%~70%）

设计要点：

• 方案需要满足电池包的散热或加热要求

• 电池包内部管路需要满足IP67的设计要求

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