当前位置: 新能源网 » 电动车电池 » 正文

赵昂:CATL车载混动储能系统开发

日期:2016-10-31    来源:电池中国网

国际新能源网

2016
10/31
17:25
文章二维码

手机扫码看新闻

关键词: 新能源车电池 锂电池

导读: 近日,宁德时代新能源科技股份有限公司赵昂博士发表题目为“CATL车载混动储能系统开发”的演讲。

近日,宁德时代新能源科技股份有限公司赵昂博士在“第二届混合动力车市场与先进电池技术发展研讨会”发表题目为“CATL车载混动储能系统开发”的演讲。内容整理如下:

首先介绍一下我们公司,后面会有对于汽车产品开发的想法介绍,基于这样的想法而做的一些产品,现在存在的问题以及解决方案。

我们公司的介绍,CATL成立于2011年,。CATL主要业务主要是汽车动力电池和储能业务。总部是在福建宁德,储能业务主要是磷酸铁锂电池为主,到了2012年的时候和国外知名OEM开始合作,汽车用动力电池。还有电动大巴上也有很多的业务。2012年我们在青海成立了一个工厂。2013年我们成功量产电动大巴动力电池。2014年在德国慕尼黑成立了德国分公司,在北京也成立了公司,同时也开始建立了我们的研究院,研究院主要从事锂电池材料和工艺开发,这一年我们被认定为高技术企业。2015年,我们在广东成立了一家主要做锂电池回收的企业,业务不断扩大。2015年,我们电池出货量是2.4G瓦时,目标到2020年达到100G瓦时。

CATL车载混动储能系统开发

主要介绍一下我们电池产品,这里的电池有好几个部分,灰色的部分是基于磷酸铁锂材料,这块主要做电动大巴。然后三元电池,以插电式混合动力和纯电动为主,为了提高能量密度在考虑硅材料的应用。在红色圆圈的部分是针对48伏应用开发出来的一款电池,我们可以看到104瓦时每公斤,容量分别是6.9安时和10安时的电池;128瓦时每公斤是15安时的电池。

我们介绍一下电池设计理念,主要设计是以安全为中心。在设计的时候,首先是强调安全性,以此为中心再考虑能量密度、功率密度、成本与寿命。这是我们的一个产品设计核心理念,围绕着这样五个核心理念,我们可以从设计到生产,然后再到工作、寿命,我们都会整个环节里面对我们的电池系统,包括我们的pack系统做一个完全的维护,不断地跟踪,从而来保证我们系统的安全性。目前来看,实际上在电池以及电池产品运行过程当中目前没有发生重大事故,当然这是和我们的核心安全设计理念相关。

这里我们的设计过程,满足法规和安全需要的时候是有几个维度的考虑,首先是正常使用和设计的维度,在设计的过程中会充分地考虑到系统和电池的安全性能。在运行的过程当中会不断地跟踪,来了解它的性能变化。经过大量的实验和数据积累,能够保证在正常使用的状况下的系统安全。另外还有一个是滥用,能够保证系统最差的情况时切断,直接切断我们的系统,保证电池不发生严重事故。另外制造安全,保证在制造过程当中不会因为制造的问题而产生产品安全隐患。这个过程里面我们会切合前面五点的重心来生产和设计我们的电芯。

这里讲一下我们目前对于48伏产品的规划,48伏系统或者产品规划主要是来源于整车对于48伏电池能量的要求。我们规划了这样的三代产品。第一代产品主要实现起停,因为有一个加速,还有一个能量回收,这是第一代的产品,这个产品主要是通过10安时的48伏电池pack,这是个是风冷的形式。第二代产品,在48伏汽车的系统上面因为考虑成本因素和整车厂制造要求,48伏和12伏的双电池系统会存在很长的一段时间,这个系统以后的演进,由于欧盟的一些法规以及排放要求,所以我们认为未来48伏系统会在汽车系统当中占到越来越大的份额,所以48伏电池容量会更大,会提供更多的一些功能,所以第二代产品是15-30安时的48伏产品,也主要是以风冷为主。第三代产品考虑到电池可能会提供更多的电气功能,12伏会逐步把容量缩小,用电设备是使用48伏系统,这个时候我们会考虑到25-40安时的pack,会考虑到水冷和风冷。到2017年我们会有第一代的产品sop。

这里是我们整个pack结构,会根据整车厂的要求和车辆运行过程中的电气仿真,考虑12串或者13串的电芯,整个电压是48伏,容量是175瓦时,最大放电是19.7KW,充电是18.5KW。这个是我们的PACK要求,诊断功能也会加入其中。事实上我们需要转换一个思路,我们做的是一个汽车产品,而不是单纯的电池问题。因为在汽车行业来说,所有产品的确定性是最重要的,随时能够知道零部件的表现行为和未来行为,但是电池因为它的原理和电化学体系导致有很多不确定性,这个和汽车行业的要求是有矛盾的,那么我们在整个设计过程里面目标是不断地去消除这种差异,对于电池老化能够预测,从而保护电池,让它工作的时间更久,并且是安全工作。这里我们也会设立电池的SOC工作方案,我们目前设定了30%-70%的范围,这个范围有一个很大的考虑就是寿命角度,汽车上的产品要更换的话成本很高,对用户来说也是很麻烦,在30%-70%的工作范围之内电池寿命可以极大地延长。

这里是电芯产品的开发,专门为48伏系统去开发了这样一个功率型电池,当然原来我们的电动大巴或者其他一些电动汽车、插电式混合动力汽车都有一些能量型的电池,包括磷酸铁锂和三元。针对48伏的应用特别去开发了这样一个功率型电池。右边是eucar的判定标准。除了关注电池,我们更关注的是一个pack,设定两个平台,这两个平台最主要的差别就是在左下角的供电,供电是BMS的供电电压,一种是使用汽车上的12伏电气网络的电,另一种是48伏电池充电,目前来说我们有这样的客户提出不同的要求,所以我们主要是基于这样的要求设计了两个平台。这个平台主要是在BMS这个层面上设计的,到了后面我们可以看到未来的发展,我们在不断地过程里面一方面会提高它的软件安全等级,我们考虑到48伏的系统或者48伏的用电设备会越来越多,12伏会越来越少,那么DCDC电压转换器件的功率会越来越小,所以也有考虑未来能够把DCDC放到我们的Pack当中,从而来降低48伏系统的成本。如果量过大的话我们会有专业的芯片来做48伏系统的电池管理。以上是我们整个48伏EVS开发计划。

前面我们提到电池,我们对于pack最关注的是电池和BMS开发,我们遵照汽车电子Ecu的开发流程来做设计。我们会有一个电池的管理模块,这个电池管理模块是和通常的汽车控制器策略不太一样,对于电池的管理会更加地针对于电池本身的化学体系,包括容量,包括还有一些要求。这块是相对独立的,非常依赖于电池。另外,控制器的设计是符合汽车零部件的设计标准,考虑到安全的经验,还有设计制造的经验,还包括接口和验证,后面这一部分完全是按照汽车行业标准来做的设计,比如说PPAP这样一些规范和流程,完成按照汽车行业的标准来走。我们的目标,我们有电池,有BMS,最终的pack是符合汽车行业的标准,而不是消费类的电池。

这里是48伏Bms基于电池的算法开发,这个算法开发实际上有一些考虑因素,首先就是电池数据,最基本数据有电池容量、化学体系,另外包括电池表现出来的基本外特性。我们在做BMS开发的时候是关注电池的外部特性,当然我们有电池专业人士,我们在设计这个过程当中是依据电池的外部特性,对电池做一个评估和控制,从而来满足整车厂的应用要求。这是我们BMS算法,目标是整车应用。

在电池管理功能里面,我们会做一些状态估计、健康度评估、能量管理、电池保护以及数据记录。比如说数据记录这块完全符合汽车行业要求,这些数据可以用于故障分析。这些状态估计是一个最基本的要求,了解电池当前的工作状态。健康评估包括两个方面,一是电池在工作的过程当中的劣化状态,我们需要随时知道;另一方面需要去诊断它的故障或者一些错误,比如说穿刺或者温度过高,这是电池出现不可逆的损害所需的诊断。再就是能量管理,在48伏系统当中电池是一个被动的器件,意思就是说电池只是一个水池子,电从混合动力控制要过来就充过来,要拿走的话就拿走,pack不能提供任何主动东西,当然有一个唯一动作就是断开继电器,其他工作过程是由HCU来控制的。HCU必须告诉整车系统,我能够给你多少,这桶水多满,这个时候需要对电池能量做一个很好的管理,首先是预测,在未来我能够提供两秒、10秒,甚至更长时间,从而来保证电池不会被损坏。当电池一致性出现变化的时候就要作出均衡控制。这个是整个电池能量管理。此外还有电池保护,我需要评估应用场景和应用环境,从而作出一些相应的保护策略,通常的策略是会告诉hcu整车控制器不能提供所需要的能量,那么它需要降功率地来使用电池产品。另外还有热的管理,我们需要评估电池的整个发热状况,从而保证电池不会出现过热。当然低温充电也是我们需要考虑的一大问题。这是我们电池管理的主要功能。

BMS开发和测试环节当中遵照了汽车行业的ICP等测试流程,这样的话能够去保证产品在整个开发过程里面是符合汽车的基本要求和规范,后期一些生产也能够跟上整车厂的质量要求,最终保证pack或者产品是符合汽车的质量标准。

后面是简单的一些性能,在不同的温度下能够提供的电流,这个是实验的一些数据,还有就是电池的寿命。电池的寿命是在汽车的应用里面成为关键问题,说它关键问题就在于汽车通常来说要求所有零部件必须能够满足十年或者二十年的工作要求,在这么长的时间当中电池本身很难达到长寿命要求。上午也提到过,汽车产品有两个要求,一是确定性(可预测性),二是可靠性。我们对于电池寿命收集了很多数据,在3C充放电100%DOD的情况下做了循环寿命,可以看出前面带颜色的线是实验数据,后面是通过模型拟合的结果。最下的点是80%,通常我们认为80%的时候电池就应该去更换了,45度的时候可以达到6000次的循环。日历寿命,这也是同样的方法来跟踪衰减过程,最长可以达到2000,当然在80%的时候是一千天左右,这个环境是比较恶劣的,是在60度的环境下做的存储。因为前面比较严格测试和仿真,基于我们对于电池本身性能衰减或者电池特性老化的理解,设定了30%-70%的工作SOC范围,按照右上角的48伏价值循环,在这个循环下可以做很多的循环,能量衰减和本身内阻增加还是变化非常小,我们能够保证20万公里同等驾驶循环,跑20万公里能够满足这个寿命要求,这是我们整个性能要求,我们的产品是可以达到这样的能力。

在整个机械上面为了保证它的强度,我们会在整个过程当中从最基础的颗粒开始,一直到最后的Pack会做很多的机械实验,模组、Pack这些层面上做受力的仿真,保证Pack这个产品不会出现大的意外。同时我们还做热仿真,研究Pack工作过程当中的每一个温度变化,减小温度差异,最终保持电池的一致性和它的长寿。右下角这个图是温度最大差异,2度左右。

基于我们目前的一些开发状态和在整个实验过程当中的经验,我们现在针对这样的一个48伏系统有这些问题还需要去提高的。一个就是DCR,直流电阻的增加,这个增长需要抑制。二是安全性和成本的相互权衡,刚才赵部长也提到了两千块钱是我们的Pack能够承受的价格,这个会不断地降低,因为按照汽车行业的惯例来讲,这个成本必须不断地降低。三是寿命的预测,需要知道什么时候到了寿命的终结,从而去更换,这个预测也是比较难以实现,现在来说是比较困难的一个问题。四是模组的标准化,18650这样一些标准,圆柱形电池已经有了一些应用,我们也在考虑我们的电池模组能够标准化,从而满足不同厂商的要求,这样的话能够降低成本。五是Pack层面的重量、热管理、IP问题、密封问题。对于BMS来说,我需要去评估电池的系统,因为前面所有这些问题要能够去估算到电池工作的老化,另外就是故障的诊断,诊断到电池的缺陷或者致命缺陷,告诉使用者电池需要更换了。我们会有防爆阀,电池出现过充的时候我们的BMS要正确地识别,确保整个系统的可靠性。

返回 国际新能源网 首页

新能源资讯一手掌握,关注 风电头条 储能头条 微信公众号

看资讯 / 读政策 / 找项目 / 推品牌 / 卖产品 / 招投标 / 招代理 / 发新闻

风电头条

储能头条

0条 [查看全部]   相关评论

国际能源网站群

国际能源网 国际新能源网 国际太阳能光伏网 国际电力网 国际风电网 国际储能网 国际氢能网 国际充换电网 国际节能环保网 国际煤炭网 国际石油网 国际燃气网