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18650 三元动力电池系统安全性分析及解决方 案——sinowatt 李树军.pdf

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18650 三元动力电池系统安全性分析及解决方 案sinowatt 李树军 三元 动力电池 系统 安全性 分析 解决 sinowatt 李树
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李树军18650 三元动力电池系统安全性分析及解决方案2016年4月13日李树军 18650动力电池安全解决方案123目录 动力电池安全性分析汽车动力电池整体解决方案4 光伏储能解决方案 电芯安全模块安全整包安全整车安全化学体系 乘员安全乘员安全最终是目的和出发点,也是最高标准前端某一环节的绝对安全,才能确保最终的乘员安全矛盾在于:处于焦点的电芯被寄予了最高的期望,大家都认为它要绝对安全,或者将来会绝对安全,真的可行吗?什么是动力电池安全性?动力电池安全性分析 动力电池安全性分析材料可燃属性:组成锂离子电池的主要材料可燃;电芯能量密度:锂电池的高能量密度,一旦内部失效短路,内部储存的电能迅速转化为热能,可以把电池材料加热到燃点以上; 正极材料分解:三元正极材料或钴酸锂,电极材料形成的高温会分解释放氧原子,进而氧化集流体金属箔材(铜箔和铝箔),燃烧释放很高热量;电芯失效放热,电极材料燃烧,正极材料分解导致剧烈燃烧/爆炸,锂电池失效三部曲,环环相扣,链式反应(磷酸铁锂没有第三步)结论:锂电池从化学体系的本质上不安全本质安全性:化学体系  测试安全性:各种测试和产品认证的安全性,标准是使用条件和极端条件的安全表现,只能模拟,验证的是设计的合理性,也仅仅是设计的合理性(化学体系和物理结构) 使用安全性:正常使用过程中的事故几率,由制造缺陷(设计到位但没有做到但又无法全部检出)和使用寿命(到了生命周期的末端要出问题了)决定 设计可以很合理,制造缺陷和寿命末端的安全风险,无法彻底消除。缺陷发生的必然性,加上化学体系本质上的不安全,导致起火/爆炸具有必然性。 可以设想汽车的例子,碰撞试验,制造缺陷,老化风险,高速+汽油电芯安全性:真的有办法不出事儿?动力电池安全性分析 电芯安全模块安全整包安全整车安全化学体系 乘员安全模块不安全,整包安全?难度大了吧,模块都比较大。整包起火要保证整车安全?应该先问问主车厂答不答应。整车起火要保证乘员安全?不是每个人都身手矫健。最好的控制环节,显然是尽量靠近底层。一方面是新的化学体系的开发,另一方面目前最好阻断从电芯到模块的失效线路。电芯无法绝对安全,那到底谁能靠得住?动力电池安全性分析 1、常见动力电池材料体系:三元体系 NMC/NCALFPLCOLMO2、优势与缺陷:LCO成本高,安全差LMO寿命低剩下的LFP和三元一个偏向安全,一个偏向容量 3、常见动力电池代表形态:方形电芯和圆柱电芯 方形磷酸铁锂(大单体)大圆柱磷酸铁锂(中型单体) 方形三元材料(大单体)、大圆柱三元材料(中型单体) 圆柱18650三元材料(小单体) 18650三元动力电池安全解决方案 18650三元动力电池安全解决方案1、安全问题:箔材、电解液、隔膜、负极的可氧化性确定了电芯本质不安全制造瑕疵、使用老化确定了电芯使用不安全能量密度的高低是安全失效的导火索 原子层级 晶体结构层级 极片设计层级 结构设计层级2、安全失效过程:三元材料 负极分解 正极分解 完全燃烧 LFP 负极分解 × 正极分解 完全燃烧 负极电解液 反应 ~11KJ 正极分解反应 ~27KJ 完全燃烧~110KJ 产生短路 (18650)DSC 0 -2 -4 -6 -8-10 -12 100 150 200 250 300Temperature/℃ NCA LFP 8/28 18650三元动力电池安全解决方案1、电芯安全问题本质是产热和散热的不平衡问题:增加电芯的散热面积 1、增大长径比 2、增加并联(即减小单体体积)2、模块安全的本质是合理的模块设计结构和传播阻断机制: 合理的模块设计结构 1、小单体总能量较小,辐射半径小,易控制; 2、定向泄压、自熔断、相邻物理间隔,阻燃填充;3、同时兼顾高能量密度和安全性: 电芯选择+模块结构设计 1、核心技术在于选择电芯和堆叠结构; 2、阻隔于单体失效不扩散,不传播; 汽车动力电池解决方案——系统方案1、方案概述:基于三元18650电芯的通用解决方案,该方案采用标准化的本征安全型模块,并具有高能量密度的明显优势。2、应用范围:专用车Special EV(48V-200V/5-100KWh)乘用车Passenger EV(144V-400V/15-80KWh) 商用车Commercial EV(300V-600V/30-80KWh)3、方案优势:失效控制本征安全高能量密度宽温度使用范围长寿命 商用车乘用车专用车 10/28 汽车动力电池解决方案——应用框架 11/28 汽车动力电池解决方案——系统构成 18650: 高能量密度 长寿命 低阻抗 低温性能好(-30℃≥50%@0.5C放电) 本征安全电池砖: 电芯失效自熔断电路结构 电芯失效定向泄压 电芯失效热传递物理隔离 寿命长 电池模组: 高效热管理。 轻量化材料和紧凑型结构 高精度电压、温度采集及高效均衡。 标准自动化批量 无损超声波点焊工艺 整车PACK: 安全、可靠、寿命长。 高能量密度。 宽温度窗口。 多重安全保护机制。 数据转储及系统自诊。 与电控、充电机智能CAN通信等。 12/28 汽车动力电池解决方案——案例该项目是为某乘用车型定制开发的高能量电池系统,系统使用了标准本征安全模块,可以确保实效的单颗电芯被有效隔离,保障系统安全。高能量密度电芯加轻量化设计保证系统能量密度在120WH/Kg以上,循环寿命与电芯相比无明显衰减。 光伏储能解决方案-系统方案1、方案概述:Sinowatt开发了一套标准化可组合的光伏储能系统解决方案,该方案基于标准的18650动力电芯模块和智能控制系统,实现了产品工厂端的标准化到客户应用端的定制化。2、应用范围:家庭级储能(48-400V/1-20KWh)商用级储能(48-700V/10-50KWh) 社区级储能(48-1000V/125-4000KWh)3、方案优势:高安全,可靠性模块化智能化灵活 模块化 标准化 智能化现状:定制化产品带来成本,交付周期、成熟度以及运维的挑战。解决办法:使用标准化、模块化、智能化方案应对储能领域多样化需求,可实现产品快速交付、高可靠性及低运营维护成本。电池砖储能解决方案 光伏储能解决方案-电池砖优化方案 光伏储能解决方案-应用框架太阳能硅晶板 = = = ≈太阳能逆变器 电网 变换电能表 Generator ≈ =电池逆变器 本地用户电池储能系统电池组 电池组 18650: 高能量密度。 长寿命。 低阻抗。 高一致性。 本征安全电池砖: 自熔断电路结构。 定向泄压。 安全隔离设计。 电池箱: 标准模块:48V/50Ah/2.4KWh 即插即用,便于安装和维护。 高压操作安全。 EMI阻抗。 高精度电池数据采集。 电池柜: 采用电池箱串联叠加方式满足多种电压平台化定制 电池箱与机柜使用浮动对接背板衔接,便于机箱插拔维护 多重安全保护策略保证系统可靠安全运行 最多支持20个模块总能量:48KWh串联:48-960V 并联:50AH-1000AH 储能系统: 分布式供电架构 多电池柜并联实现兆瓦级储能系统 远程维护管理 对电网调峰、调频,减少电网波动,提高电能质量。 广泛应用于风光能源系统及应急供电系统光伏储能解决方案-从18650到储能系统 光伏储能解决方案-BMS BMSSoC计算 自动交易智能运维 混合SoC算法高频算法自学习更新自诊断远程显示自动分配ID,即插即用 多数据整合大数据分析001417 光伏储能解决方案-案例1 NLF-PV700是在荷兰政府和本地电力公司的支持下,为荷兰农场光伏发电开发的高压分布式直流光伏储能系统。该系统能够实施智能电价交易,大幅缩短光伏系统的投资回收期,并已于2015年在荷兰农场应用。 19/28 该项目是根据特殊条件下的车载供电电源要求,定制开发的具有极高可靠性的供电系统。该系统采用多路并机高压分布式直流架构,并可在-40℃低温环境下正常工作。光伏储能解决方案-案例2 谢谢您的聆听!
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