1、新能源商用车电池系统轻量化设计新能源商用车电池系统轻量化设计与安全性评价与安全性评价报报 告告 人：徐人：徐 晓晓 明明报告人单位：江苏大学报告人单位：江苏大学 二一八年八月二一八年八月2018（第十二届）中国汽车轻量化技术研讨会（第十二届）中国汽车轻量化技术研讨会Contents汇报提纲汇报提纲01行业背景与技术趋势行业背景与技术趋势02电池系统轻量化设计电池系统轻量化设计03电池系统安全性设计电池系统安全性设计一行业背景行业背景与技术趋势与技术趋势1.1 行业背景行业背景1.2 研究的重要性研究的重要性1.3 需解决的科学问题需解决的科学问题41.1行业背景4“发展新能源汽车是我国从汽车大
2、国迈向汽车强国的必由之路。”习近平发展发展新能源汽车新能源汽车是是21世纪汽车工业发展的热点世纪汽车工业发展的热点我国新能源商用车保有量将快速增长，到2020年推广应用新能源商用车30万辆。51.1行业背景5锂离子动力电池锂离子动力电池是新能源汽车的主要动力源是新能源汽车的主要动力源比能量比能量比功率比功率工作温度工作温度电量保持电量保持单体电压单体电压循环寿命循环寿命单位能量价格单位能量价格安全性安全性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。61.1行业背景6锂离子动力电池锂离子动力电池占新能源商用车重量的至少占新能源商用
3、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%。序号序号类型类型长度（米）长度（米）电量（电量（kwh）电池包个数电池包个数重量（重量（kg）1轻客6-864.5-87.854-5800-1000kg28米中巴894.61-142.845-81000kg-1600kg310米大巴10142.84-199.378-101600kg-2000kg412米大巴12199.37102000kg71.1行业背景7锂离子动力电池锂离子动力电池的安全性是发展瓶颈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。81
4、.1行业背景8轻量化、安全性轻量化、安全性是决定动力电池是决定动力电池性能性能、和、和环境适应性环境适应性的关键因素。的关键因素。轻量化能量密度、结构强度、重量动力电池安全性过热导致热失控、低温充放电导致短路91.2 研究的重要性9动力电池是电动汽车的核心，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影响动力电池系统性能的因素众多众多，轻轻量化、安全性量化、安全性是关键因素之一是关键因素之一。动力电池综合性能能量密度功率密度初始成本使用寿命挤压碰撞快充能力高低温性能设计/制造工艺组成材料电池组不对称性(单体不一致)工作温度电池单元（单体层面）电池组（系统层面）环境温度充放电倍率使用条件
5、（应用层面）结构优化与新材料应用热管理系统设计与优化能量智能化管理系统设计与优化目标评价标准影响因素解决/优化措施动力电池综合性能评价标准及其主要影响因素 安全性轻量化轻量化是决定能量密度，续航里程以及能耗等的重要因素！1.2 研究的重要性10车辆新型材料的发展轻量化轻量化对车辆性能具有极其重要的影响轻量化对车辆性能具有极其重要的影响重量和能耗的关系热管理保证电池安全性的关键因素！1.2 研究的重要性11安全性电池安全运行区域由电流、温度和电压确定电池安全运行区域由电流、温度和电压确定温度过高易导致电池热失控和自燃温度过低易诱发电池充放电电短路电流充电放电电压3.65V2.5V3.2A-1.6
6、A电流充电放电温度040-20603.2A-1.6A26,650型LiFePO4锂离子单体电池的安全工作区域1.3需解决的科学问题12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。新材料的应用新材料的应用结构优化设计结构优化设计轻量化新工艺轻量化新工艺1.3需解决的科学问题13动力电池热特性、热传输与热管理机制动力电池热特性、热传输与热管理机制热管理热管理动态控制动态控制电池单体电池单体热特性热特性q电池组电池组热特性热特性热管理热管理结构设计结构设计热管理是动力电池PACK的主要
7、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。二电池系统轻电池系统轻量化设计量化设计1.1 轻量化的途径轻量化的途径1.2 轻量化的设计轻量化的设计1.3 应用案例应用案例轻量化途径：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。2.1轻量化的途径15理论基础与涉及领域理论基础理论基础涉及领域涉及领域结构设计优化结构设计优化热压成型、液压成型、内高压成型、激光拼焊等新材料应用新材料应用高强钢、镁合金、铝合金、工程塑料及其复合材料
8、和陶瓷材料等轻量化新工艺轻量化新工艺功能的集成，元器件的选型2.2 轻量化的设计-新材料应用16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。基本思想新材料种类种类特点特点用途用途高强度钢板高强度钢板1.拉伸强度大、具有较高的屈服点；2.降低板厚不会对冲压件的质量造成太大影响；一般用于需高强度、高的抗碰撞吸收能且成形要求也较严格的零件铝合金铝合金1.在满足相同力学性能的条件下，比钢减少质量60%；2.易于回收；3.在碰撞中吸能多；4.无需防锈处理动力电池系统覆盖件、电连接组件复合材料复合材料PE（
9、聚乙烯）复合材料密度小、易成型、耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗振、易于涂装、强度高、机械性能平衡好动力电池系统箱体、覆盖件PDCPD（聚二环戊二烯）复合材料2.2 轻量化的设计-新材料应用17技术途径新型材料新型材料结构件示例结构件示例应用说明应用说明铝合金铝合金压铸铝箱1.考虑到大面积压铸材料的流动性能，一般壁厚需要设计的较厚3mm，在加强部位的壁厚4.5mm，而铝合金的密度约为2.7g/mm3，是钢材的1/3，所以压铸铝箱相比钢材的箱体减重10%-30%。2.铝型材在挤型时，壁厚一般需要2.0mm，以确保足够的结构刚度和可加工性，相较而言箱体重量更轻。挤型+拼焊铝箱复合材料复合材料复合材料上
10、盖复合材料的显著特点是高强度、低密度，但是受制于成本因素，在电池包上使用的复合材料都是比较普通的材料，例如SMC、改性树脂，复合材料的低密度使复合材料的轻量化效果明显，但是像SMC的延展性较差且较脆，一般使用在箱体上盖。2.2 轻量化的设计-新材料应用18PDCPD材料PDCPD聚双环戊二烯（PDCPD:Poly-dicyclopentadience）作为一种热固性高分子材料；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。PDCPD制备过程PDCPD适用领域2.2 轻量化的设计-新材料应用19PDCPD材料2.2 轻量化的设计-新材料应用20PDCPD材料PDCPD材料可以用
11、作商用车外板、汽车底部护板、巴士行李厢门板、车轮护板、车门踏板、车顶、导流罩、导流板、发动机盖板、保险杠等零部件的制作，在传统汽车行业的应用前景十分庞大。挪威量产车BUDDY采用框架式结构，外板由PDCPD材料制作完成。框架式结构分为上下二个部分：底盘部分，将钣金冲压件放入模具里，浇注成型得到塑钢底盘；顶部也是用模具加上金属嵌件浇注成型得到。用螺丝和粘合剂连接上下二部分，得到轻量化车身。采用采用PDCPD新型材料对电池新型材料对电池包壳体、壳盖进行轻量化设计包壳体、壳盖进行轻量化设计和结构优化，提高壳体的承载和结构优化，提高壳体的承载能力和抗冲击能力能力和抗冲击能力，同时，在对电池增容难度较大
12、的情况下，通过轻量化设计，提高电池的比能量密度。2.2 轻量化的设计-结构设计优化21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。基本思想拓扑优化加强筋结构优化在满足产品刚度和强度的前提下，通过拓扑优化在加强筋受力薄弱的地方开孔模组支撑梁结构优化通过拓扑优化，在结构件四周开许多的减重孔。结构件两侧设计成三角形形式，利用三角形结构稳定性保持整体刚度和强度满足要求。2.2 轻量化的设计-结构设计优化22技术途径对电池组总体结构进行分析和优化，实现对电池包零部
13、件的精简、整体化和轻质化。通过CFD软件准确实现电池包的的刚度，模态等参数检验。原始结构优化后结构优化后箱体底板优化后箱体侧壁2.2 轻量化的设计-PACK轻量化新工艺23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。基本思想新工艺分类分类特点特点备注备注热成热成形形直接成形对钢板进行比较直接的冲压工作；材料为高强度钢板、铝合金间接成形1.板材加热前进行事先的成形工艺处理，经冷却后冲压；2.针对比较复杂的、变形难度大的零部件；焊接焊接把不同强度、不同厚度以及不同质地材料的零件融合在一起；对不同硬度、不同轻度的材料进行融
14、合，发挥不同特性，从而减轻车体重量，降低材料的消耗液压成形液压成形1.把材料放在一定的模具中，利用液态水，在高压作用下铸造成形；2.可用作强韧度高、复杂的零部件；主要用在不锈钢、铝合金等材料中2.2 轻量化的设计-PACK轻量化新工艺24技术途径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。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2.3 轻量化的设计-应用案例25电池包外壳案例PDCPD材料方壳体Y方向挤压形变钢材方形壳体Y方向挤压形变输入项目输入项目材料材料1材料材料2外壳材料Q235槽钢
15、PDCPD密度7.8g/cm31.03g/cm3厚度1.5mm6mm2.3 轻量化的设计-应用案例26电池包外壳案例PDCPD材料T形壳体Y方向挤压形变钢材T形壳体Y方向挤压形变PDCPD材料T形壳体整体位移分布图PDCPD与钢材壳体最小形变2.3 轻量化的设计-应用案例27电池包外壳案例PDCPD材料T形壳体X方向位移钢材T形壳体X方向位移PDCPD与钢材跌落最小形变PDCPD与钢材跌落最大形变三电池系统安电池系统安全性设计全性设计3.1 理论基础理论基础3.2 热管理系统设计热管理系统设计3.3 热失控防范技术热失控防范技术3.4 应用案例应用案例主要内容：在流速和流体的物理性质给定的条件
16、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）3.1 理论基础29理论基础与涉及领域理论基础理论基础涉及领域涉及领域力学领域重力升力与重力反向时减小下降趋势，反之则增大交通领域车流与堵塞方向自然放置热源的温度梯度大小与方向热流场领域3.1 理论基础-电池单体热电耦合多维参数化建模30三维热传输模拟单体热电耦合参数化模型内部温度测试方法模型实验验证产热特性传热特性电池单体建模与验证电池内、外介质非均匀性影响/接触电、热阻电池内、外介质多尺度效应电池内、外热-电-流多场耦
17、合单体结构参数单体结构参数敏感性分析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。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。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。技术途径3.1 理论基础-电池组多维多层多场耦合建模31技术途径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。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。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
18、模型进行验证。单体热电耦合三维参数化模型电池亚组排列方式电流分布温度分布建模尺度分析电池组温度分布热边界条件影响规律流动特性电场分布电池亚组模化建模电池组热-流-固耦合建模散热方式散热结构热载荷边界成组方式模型试验验证电池组热-流-固耦合建模与分析3.1 理论基础-产品设计依据32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。客户需求产品实际需求国标、行标相关案例实际需求结构需求电气需求功能需求安全需求结构/电气/功能/安全需求结构/电气/
19、功能/安全需求分解技术要求针对性设计产品质量先期策划APQP失效模式与影响分析FMEA仿真分析试验验证功能需求确定需求安全设计分析验证单体热特性分析研究的核心，在于单体产热和传热的建模。技术途径3.2 热管理系统设计热管理系统部件选型33电芯选型l 方壳电芯l 圆柱电芯l 软包电芯模组设计l 方壳模组l 圆柱模组l 软包模组箱体设计l 钣金箱体l 铝合金箱体l 复合材料箱体电气设计l 方壳电芯l 圆柱电芯l 软包电芯热管理设计l 自然风冷l 液冷/液热l PTC加热单体热特性分析研究的核心，在于单体产热和传热的建模。技术途径风冷热管理系统布局、流速串/并/往复流动液冷热管理系统布局、流速冷却板
20、/管，介质相变热管理系统布局、介质属性添加剂/结构热管热管理系统布局、结构介质/尺寸/强化温度极值流动阻力温度均匀性关键结构参数影响规律及耦合机制电池组多场耦合仿真分析电性能3.2 热管理系统设计-热管理系统构型选型34系统类型结构参数运行参数机舱自然环境电池组热边界约束功率尺寸/重量电池组工况条件多场耦合仿真CFD仿真热管理系统构型综合优化方法优化方法实验验证微通道热管热管理系统技术途径3.2 热管理系统设计-电池组热管理系统匹配35u 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电池热管理系统的结构及其工作
21、原理，并在此基础上依托丰富的工程经验进行在此基础上依托丰富的工程经验进行匹配设计匹配设计，最终实现稳定、可靠、满足常规性能的热管理系统。电动汽车电池组热管理系统匹配3.2 热管理系统设计-电池组热管理系统部件选型36 0.070.0750.080.0850.090.0950.10.1050123456789101112第二流程扁管编号相对质量流量P_in=0.323P_in=0.377P_in=0.431P_in=0.484P_in=0.537P_in=0.591P_in=0.644均值0.0550.05750.060.06250.0650.06750.070.07250.0750.07750
22、246810121416第三流程扁管编号相对质量流量P_in=0.323P_in=0.377P_in=0.431P_in=0.484P_in=0.537P_in=0.591P_in=0.644均值热管理系统部件选型匹配设计匹配设计水泵电池组散热器水箱3.2 热管理系统设计-电池组热特性分析37电池组热特性CFD分析研究（自然冷却）06001200180024003000360026283032343638404244时间（s）温度（）最高温度最低温度0600120018002400300036000123456时间（s）温度（）电池包最大/小温度电池包最大温差06001200180024003
23、00036002628303234363840时间（s）温度（）最高温度最低温度06001200180024003000360001234567时间（s）温度（）电池包温度分布云图（风冷）u 车用动力电池包温度场分析u 不同冷却形式CFD计算3.2 热管理系统设计BMS设计开发p 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；p 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。38技术途径电池组多场耦合动态热特性仿真分析动态热响应及时滞效应模型基于模型的动
24、态热控制方法基于模型的动态热控制方法实验验证热管理系统构形参数电池组运行工况参数热管理动态控制参数多场耦合热特性分析方法微通道热管热管理系统3.2 热管理系统设计-电池组热管理系统集成与实验验证39敏安项目液冷电池包u 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。电动汽车电池组热管理系统实验验证l1Viswanathan V et al.J.of Power Sources,2010(195):37203729计算可逆热I(TU/T)可采用能量法，计算不可逆热q=I(U-V)=I2R，求解等效内阻是关键！难点及瓶颈：建模中如
25、何考虑内部结构参数对内阻的影响？电池内部结构材料对其产热具有显著影响电池内部结构材料对其产热具有显著影响13.3热失控防范技术-电池单体热特性分析40Bernardi产热方程电池单体产热建模p 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。h p 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。导热系数测试：激光闪射法导热系数测试：激光闪射法1强各向异性！强各向异性！导热系数计算：比拟导热系数计算：比拟串、并联串、并联热阻热阻计算计算方法方法21 Maleki H et al.J.of Electrochemic
26、le Society,1999(146):947-954 2 Greco A.PhD thesis,Lancaster University,2015.3.3热失控防范技术-电池单体热特性分析41kr=40kz电池单体传热建模传统的导热系数测试方法和计算方法不再适用！传统的导热系数测试方法和计算方法不再适用！p 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。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？ixzxiiLkLiixrixLkLp 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。3.3热失控防范技术-电
27、池单体热电耦合多维参数化建模42技术途径热参数测量方法开发/验证实验与数值模型联合优化热物性参数,CP电池加热实验电池时域热模型基于软件的优化算法参数辨识新方法数值模型结合实验多个热参数的原位、同时估算传热特性实验测试方法为主产热率q可逆热不可逆热熵系数内阻稳态VI法瞬态IC法研究稳态方法造成的电池温升研究特征时间的选取对结果的影响SOC连续的新方法进行测算电池产热率测试产热特性内阻与产热率测算：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。3.3热失控防范技术-电池单体参数化建模仿真验证43技术途径仿真模型网格划分u 不同层网格划分不同
28、层网格划分u 计算域定义计算域定义u 两层单元两层单元3.3热失控防范技术-电池单体参数化建模仿真验证44电池热特性分析研究（热端）电池温度分布云图（冷端）u 电池温度场分析u 不同冷却形式CFD计算3.3热失控防范技术-电池单体参数化建模实验验证45实验电芯u 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。电池单体参数化建模实验验证3.3热失控防范技术-电池热失控预警模型建立46u 根据仿真以及实验数据，建立电池热失控预警模型。电池热失控预警模型技术途径u 热失控模型，应用控制算法，能够早期探测电池热失控迹象u 预警模型3.3热失控防范技术-电池热失控灭火系统设计47灭火控制系统设
29、计u 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。3.3热失控防范技术-电池热失控灭火系统选型48灭火控制系统选型u 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。灭火机理灭火机理吸热降温吸热降温化学抑制化学抑制隔绝氧气隔绝氧气采用气溶胶灭火剂采用气溶胶灭火剂灭火设备体积小，效灭火设备体积小，效率高，可直接安装在率高，可直接安装在电池箱电池箱/电池仓内部空电池仓内部空隙处隙处3.4应用案例49应用案例-热管理系统参与电池包结
30、构设计、电气件选型，热管理设计、结构与热流场仿真分析通过仿真计算，提出结构及热管理优化意见，实现高功率电池包稳定高效运行序号序号项目项目参数参数1类型纯电动轿跑2电芯类型三元方壳功率型3系统额定电压380V4热管理方式液冷液热合作厂商：合作厂商：江苏敏安汽车3.4应用案例50应用案例-热管理系统为企业研发纯电动商用车用液冷电池系统，包括：电池包结构设计、电气件选型，热管理设计、结构与热流场仿真分析、电池系统装车调试序号序号项目项目参数参数1类型纯电动商用车2电芯类型方壳磷酸铁锂3系统额定电压540V4热管理方式液冷液热合作厂商：合作厂商：南京金龙客车3.4应用案例51应用案例-热管理系统序号序
31、号项目项目参数参数1类型纯电动专用车2电芯类型三元方壳能量率型3系统额定电压350V4热管理方式平面热管+液冷合作厂商：合作厂商：江苏奥新新能源为企业研发纯电动专用车用液冷电池系统引入平面热管新技术，进一步提升电池温度一致性，测试效果良好3.4应用案例52应用案例-热管理系统序号序号项目项目参数参数1类型纯电动低速清扫车2电芯类型圆柱186503系统额定电压48V4热管理方式PTC加热+自然风冷合作厂商：合作厂商：爱瑞特环保科技有限公司为一款纯电动低速清扫车配套电池系统，包括：模组设计、电池箱体结构设计、电气件选型、线束设计、装车调试等3.4应用案例53应用案例-热管理系统序号序号项目项目参数
32、参数1类型储能集装箱2电芯类型方壳磷酸铁锂3系统额定电压48V4热管理方式强制风冷参与电池包结构设计、电气件选型，热管理设计、结构与热流场仿真分析通过仿真计算，提出结构及热管理优化意见，实现储能电池包稳定高效运行合作厂商：合作厂商：江苏峰谷源储能3.4应用案例54应用案例-电池灭火系统序号序号项目项目参数参数1类型电池灭火系统2电芯类型全种类3适用类型商用车4灭火方式七氟丙烷参与电池灭火系统结构设计、电气件选型，控制系统设计、热模型建立等；通过对电芯发热模型的研究，建立预测模型，确定灭火系统控制逻辑；合作厂商：合作厂商：泰州盛飞液压有限公司题目：新能源商用车电池系统轻量化设计与安全性评价题目：新能源商用车电池系统轻量化设计与安全性评价报告人：徐晓明报告人：徐晓明衷心地感谢各位专家！衷心地感谢各位专家！
