我國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所

1、大功率儲(chǔ)能電源系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

為提高大功率電源系統(tǒng)快速維修的要求，系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，任何一個(gè)模塊的重量不超過(guò)60kg。大功率鋰離子電池儲(chǔ)能電池系統(tǒng)如圖1所示，大功率儲(chǔ)能電池系統(tǒng)由儲(chǔ)能電池集中控制箱進(jìn)行管理，一套儲(chǔ)能電池集中控制箱管理多個(gè)高功率儲(chǔ)能電源，以適應(yīng)車(chē)載系統(tǒng)對(duì)總功率的不同需求。

每臺(tái)高功率儲(chǔ)能電源由三臺(tái)機(jī)箱組成，包括電池組A、電池組B和一個(gè)電池管理主控制器，電池組A、電池組B串聯(lián)使用。在電池組A和B中安裝有電池單體電壓和溫度采集板，并集成高效的主動(dòng)均衡器。

電池采集板采集的溫度和電池單體數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳數(shù)據(jù)給電池管理主控制器，并接受電池管理控制器下發(fā)命令，對(duì)電池單體進(jìn)行均衡管理。電池管理主控器箱內(nèi)安裝由電池管理主控模塊、充放電繼電器、充電保險(xiǎn)和水冷充電機(jī)。

1.2、儲(chǔ)能電源

1.2.1電氣設(shè)計(jì)

綜合考慮高功率儲(chǔ)能電源功率需求、最高/低電壓限制、使用環(huán)境、維修維護(hù)及循環(huán)壽命的苛刻要求，40kW儲(chǔ)能電源由2個(gè)20kW電池組串聯(lián)組成，由于電池設(shè)計(jì)放電倍率較大，考慮到循環(huán)次數(shù)、使用壽命等要求，電池組的放電深度設(shè)計(jì)為55%，電池組的容量需求約16A·h，采用8A·h單體2并（16A·h）42串的電池組的方法能夠滿(mǎn)足鋰離子電池儲(chǔ)能電源的需求。儲(chǔ)能電源電氣設(shè)計(jì)如圖2所示。儲(chǔ)能電源技術(shù)指標(biāo)：容量16A·h；電壓范圍210～330V；最大輸出功率40kW；放電時(shí)間200s；存儲(chǔ)電能：4.3kW·h。

1.2.2高功率電芯

考慮到項(xiàng)目進(jìn)度和可靠性的要求，必須選擇已經(jīng)大量應(yīng)用的定型電產(chǎn)品芯，根據(jù)設(shè)計(jì)選擇容量8A·h方形鋁殼電芯，型號(hào)IFP1780123PB磷酸鐵鋰電芯，重要性能參數(shù)表1。

電池單體放電曲線(xiàn)如圖3所示，電芯單體在30C放電情況下，仍能放出7.5A·h以上的容量，表現(xiàn)出良好的功率特性。

為滿(mǎn)足5年1000次循環(huán)的要求，對(duì)電芯的循環(huán)性能進(jìn)行了研究，如圖4所示，在3C加嚴(yán)充電、5C放（100%DOD）循環(huán)1050次后，容量保持率在85%以上，在實(shí)際工況下最大放電深度在55%左右，預(yù)計(jì)電池組夠滿(mǎn)足5年循環(huán)1000次要求。

1.2.3熱設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

首先對(duì)儲(chǔ)能電源的工作過(guò)程進(jìn)行了分析，最嚴(yán)酷過(guò)程：初始荷電狀態(tài)60%，環(huán)境溫度60℃的條件下，存放4h，然后通5L/min防凍液冷卻15min，然后充電15min，再放電200s，然后充電30min，再放電200s，循環(huán)4次以上。

然后測(cè)試了電芯在工況下的功耗，作為輸入條件，對(duì)儲(chǔ)能電池組進(jìn)行熱仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真結(jié)果表明：電池在放充電循環(huán)周期中，電池最大溫度出現(xiàn)在第一次放電完成時(shí)，最高溫度為44.1℃，第二次電池充電完成后，電池的最高溫為39.5℃，比第一次電池放電電池最高溫低，反復(fù)循環(huán)后，溫度高點(diǎn)穩(wěn)定在35℃，溫度低點(diǎn)穩(wěn)定在31℃，滿(mǎn)足電芯最佳工作溫度范圍。

按最嚴(yán)格的工況進(jìn)行了試驗(yàn)，第一次放電完成后，最高溫度45℃，第二次充電完成后，最高溫度40℃，滿(mǎn)足電芯最高安全工作溫度50℃的要求；然后反復(fù)循環(huán)，溫度穩(wěn)定在30～35℃之間，滿(mǎn)足電芯最佳工作溫度區(qū)間。

1.2.4電池的采樣、均衡和管理控制

在電池組中，安裝有電池采樣與均衡模塊，在電池管理主控制器機(jī)箱安裝有電池管理主控制器，功能框圖如圖6所示。

電池采樣與均衡模塊：每個(gè)電池組采樣包括2個(gè)水路入口溫度傳感器，16個(gè)電池單體溫度傳感器，對(duì)水路溫度和電池單體的溫度進(jìn)行監(jiān)控，電池采樣與均衡模塊還對(duì)每一個(gè)電池單體的電壓進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線(xiàn)反饋到電池管理主控制器。

電池管理主控制器通過(guò)閾值判斷儲(chǔ)能電池是否處于正常狀態(tài)，閾值包括：水路入口溫度下限5℃，上限45℃；

電池單體溫度閾值下限0℃，上限50℃；溫度差最大10℃；單體電壓下限2.5V，上限3.65V；電池單體電壓差50mV

啟動(dòng)均衡。

電池管理主控制器重要包括以下功能：

1）監(jiān)控儲(chǔ)能電源充電或放電電流，通過(guò)積分計(jì)算電池的荷電狀態(tài)；

2）監(jiān)控整組總電壓，并通過(guò)總電壓與采集模塊返回電池單體電壓的和確定整組電池的狀態(tài)；

3）通過(guò)CAN總線(xiàn)上傳溫度、單體電壓、電壓差等數(shù)據(jù)，并通過(guò)閾值確定儲(chǔ)能電源的狀態(tài)，根據(jù)電壓差向采樣均衡模塊下發(fā)電池均衡指令；

4）檢查電池采樣均衡模塊是否在線(xiàn)；

5）根據(jù)儲(chǔ)能電池組正極和負(fù)極輸出的電壓，計(jì)算漏電電流。

6）向儲(chǔ)能電源集中控制器上傳溫度、電池單體電壓、總電壓電流、漏電電流等狀態(tài)信息。

7）根據(jù)集中控制器下發(fā)的指令，控制充放電操作。

1.2.5充電機(jī)

為提高系統(tǒng)的電磁兼容性，充電機(jī)采用了功率因數(shù)校正技術(shù)，其功率因數(shù)達(dá)到0.99，電流諧波小于3%，能適應(yīng)95VAC-265VAC的輸入電壓，最高輸出電壓330V，最大輸出電流20A，最大功率6.6kW。充電機(jī)內(nèi)置熱感應(yīng)器件，具有過(guò)熱保護(hù)功能，可自動(dòng)恢復(fù)。全密封灌封工藝，高達(dá)IP67的防護(hù)等級(jí)。

2、工程化試驗(yàn)

2.1運(yùn)輸安全試驗(yàn)

由于海運(yùn)/空運(yùn)對(duì)鋰離子電池安全的管理要求，電池芯和電池組要滿(mǎn)足《有關(guān)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸建議書(shū)-試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》第三部分38.3節(jié)的測(cè)試要求，總共包括5項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和3項(xiàng)電安全試驗(yàn)。基于以上要求，首先選型的電芯已經(jīng)進(jìn)行試驗(yàn)并取得證書(shū)；電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足12kg以上大型電池組的要求：50gn/11ms沖擊，以及振動(dòng)要求。振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法：在3個(gè)互相垂直的方向上，以對(duì)數(shù)掃描的形式從7Hz到200Hz，并回到7Hz的正弦波形振動(dòng)，一個(gè)周期為15min，共進(jìn)行12次，即每一個(gè)方向3h。

產(chǎn)品完成研制后，完成了摸底試驗(yàn)，評(píng)估滿(mǎn)足要求；然后在首批定型產(chǎn)品中抽樣送第三方測(cè)試，并取得證書(shū)。

2.2通用質(zhì)量試驗(yàn)與評(píng)估

2.2.1可靠性指標(biāo)

以?xún)?chǔ)能電源系統(tǒng)采用7臺(tái)儲(chǔ)能電源為例，其中包括1臺(tái)集中控制器，7臺(tái)電池管理主控制器和14臺(tái)電池組。

1）集中控制器

根據(jù)GJB/Z299C可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)的基本數(shù)據(jù)和方法，計(jì)算集中控制器的MTBF指標(biāo)，可得集中控制箱的失效率為1.42×10?5h，即MTBF為70400h。

2）電池管理主控制器

根據(jù)車(chē)載充電機(jī)的規(guī)格書(shū)，MTBF為150000h，使用數(shù)量1臺(tái)；電池管理單元BMU，其MTBF為500000h；繼電器4只，其失效率為1.0×10?7/h；保險(xiǎn)使用數(shù)量2只，其失效率為1.00×10?7/h；連接器使用數(shù)量6只，計(jì)算失效率0.4×10?6/h。根據(jù)失效率的基本模型，電池管理主控制器的失效率為7.86×10?6/h，MTBF為127200h。

3）電池組

在電池組中，電池采樣與均衡單元，其失效率為1.0×10?7/h，使用數(shù)量4只；電芯單體的失效率在10?7～10?8/h之間，本項(xiàng)目使用的電芯經(jīng)過(guò)大量車(chē)用驗(yàn)證，且對(duì)電芯的進(jìn)行嚴(yán)格的一致性篩選，電芯單體失效率可以保證在0.8×10?7/h以下，每個(gè)電池包的使用電池?cái)?shù)量84個(gè)；保險(xiǎn)的失效率為1.00×10?7/h，使用數(shù)量2只；連接器使用數(shù)量

4只，計(jì)算失效率0.25×10?6/h；溫度傳感器，失效率1.00×10?8/h，溫度傳感器使用數(shù)量16只。計(jì)算儲(chǔ)能電池包的失效率為8.37×10?6/h，即MTBF為119500h。

4）基本可靠性

計(jì)算儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的基本可靠性，如表2所示。儲(chǔ)能電源系統(tǒng)失效率為1.84×10?4/h，MTBF為5400h。

5）任務(wù)可靠度考核

完成了660次任務(wù)可靠性試驗(yàn)，滿(mǎn)足0.985（0.8置信度）任務(wù)可靠度試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2.2維修性

儲(chǔ)能電池單元采用三種類(lèi)型的模塊化設(shè)計(jì)：集中控制箱、充電與高壓控制機(jī)箱和儲(chǔ)能電池機(jī)箱，體積和重量如表3所示，機(jī)箱均采用插箱方式，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)維修性進(jìn)行了測(cè)試，滿(mǎn)足基層級(jí)平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）不大于30min。

2.2.3測(cè)試性

采用成熟的電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)上報(bào)控制系統(tǒng)。

在現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)測(cè)試性進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考核，故障檢測(cè)率為100%；故障隔離到1個(gè)LRU/LRM為100%、故障隔離到2個(gè)LRU/LRM為100%、故障隔離到3個(gè)LRU/LRM為100%；檢測(cè)虛警率為0%。

2.2.4保障性

對(duì)采用的元器件/部件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，滿(mǎn)足全壽命周期（10年）內(nèi)的保障需求。

2.2.5安全性

本項(xiàng)目選用8A·h功率型磷酸鐵鋰離子電池，使用溫度范圍寬廣（?20～75℃），耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350～500℃，不易出現(xiàn)熱失控。單體和小型模組通過(guò)了國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)中心的認(rèn)證。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方面：1）專(zhuān)門(mén)的剎車(chē)控制方法，可確保在危險(xiǎn)或故障等緊急情況下，及時(shí)關(guān)停儲(chǔ)能電源，確保安全；2）配置了熔斷器，在發(fā)生短路時(shí)，熔斷器迅速斷開(kāi)，以免蓄電池組過(guò)放發(fā)生危險(xiǎn)，保護(hù)后端設(shè)備；3）電池組對(duì)地電阻絕緣值大于10MΩ；4）為確保電池運(yùn)行安全，電池管理系統(tǒng)對(duì)單體電壓過(guò)高，單體電壓過(guò)低、溫度過(guò)高、溫度過(guò)低、充電電流過(guò)大、放電電流過(guò)大等進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)；5）連接器等采取了防插錯(cuò)措施。

通過(guò)以上措施，確保儲(chǔ)能電源安全，并向用戶(hù)供應(yīng)了注意事項(xiàng)說(shuō)明。

2.2.6環(huán)境適應(yīng)性

根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性的要求，在鑒定階段，進(jìn)行了振動(dòng)、低溫存儲(chǔ)、低溫工作、高溫存儲(chǔ)、高溫工作和濕熱試驗(yàn)；交付產(chǎn)品進(jìn)行了振動(dòng)、低溫存儲(chǔ)、低溫工作、高溫存儲(chǔ)、高溫工作試驗(yàn)。

2.2.7電磁兼容性

儲(chǔ)能電源系統(tǒng)中選用的24V供電電源模塊滿(mǎn)足EN55022ClassB，EN6100-3-2ClassA，EN61000-3-3的要求。充電機(jī)的電磁兼容特性滿(mǎn)足：電磁抗擾性滿(mǎn)足GB/T18487.3-200111.3.1條；電磁騷擾性滿(mǎn)足GB/T18487.3-200111.3.2條；諧波電流滿(mǎn)足GB17625.1-20036.7.1.1條。電池管理系統(tǒng)由具有《道路車(chē)輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)（ISO26262）》認(rèn)證的電動(dòng)汽車(chē)零部件公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，所有產(chǎn)品均通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的EMC測(cè)試。所用的電纜都采取了屏蔽措施，且屏蔽層連接到連接器的尾部，確保通信電纜屏蔽良好。在實(shí)際使用考核中，儲(chǔ)能電源系統(tǒng)滿(mǎn)足項(xiàng)目電池兼容性的要求。

3、應(yīng)用情況

完成儲(chǔ)能電源的研制后，開(kāi)始小批量制作，首批向客戶(hù)提交了21臺(tái)儲(chǔ)能電源；產(chǎn)品隨整車(chē)設(shè)備經(jīng)過(guò)陸運(yùn)和空

運(yùn)到達(dá)目的地，在最高環(huán)境溫度高于55℃的地區(qū)進(jìn)行了超過(guò)12個(gè)月長(zhǎng)期的使用，電源產(chǎn)品安全可靠無(wú)故障，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

4、結(jié)論

采用磷酸鐵鋰電芯和成熟的車(chē)載電池管理系統(tǒng)，研制了一種大功率儲(chǔ)能電源系統(tǒng)。研制過(guò)程中，大功率儲(chǔ)能電源進(jìn)行了大量的工程化試驗(yàn)考核和評(píng)估，包括運(yùn)輸安全性、環(huán)境適應(yīng)性、維修性和任務(wù)可靠性等工程化指標(biāo)進(jìn)行了分析評(píng)估試驗(yàn)。最后，21臺(tái)儲(chǔ)能電源在超過(guò)55℃的高溫地區(qū)考核超過(guò)12個(gè)月，驗(yàn)證了儲(chǔ)能電源系統(tǒng)的可靠性。