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宁德时代曹荣:宁德时代混动及低压电池系统开发进展

作者:田禾 2021-07-18 17:00:00 来源:新能源汽车网

  近日,第四届先进高功率电池国际研讨会(CHPB-4)在苏州顺利成功召开。宁德时代新能源科技股份有限公司曹荣经理做了“宁德时代混动及低压电池系统开发进展”的主题发言。

  大家好,今天跟大家分享一下宁德时代混动及低压电池系统开发进展。其中12V低压系统不同于高压系统,高压系统BMS只占整个成本6-7%,甚至更低,但是对于低压12V它的占比可能提升4-6倍,所以BMS开发就显得尤为重要,包括系统解决方案和成本控制。

  宁德时代成立于2011年,主营业务有两块:一块是为绿色交通网提供动力电池系统,一块是为清洁能源存储提供解决方案。

  我们坚持三大方向不动摇,除了刚才所说的固定式化石能源替代以及移动式化石能源替代,我们以电动化+智能化为核心,实现市场应用的集成创新。集成创新这块,像无人矿车,我们从山下轻载上坡,重载下山时通过无人驾驶实现回充,提高能源利用率。

  下面来看一下12V系统,在燃油车起动和BEV使用场景中,会有富液铅酸电池、EFB电池、AGM电池的应用,还有前几年的铅酸电池+锂电池的12V混动系统,节油总体效果是有一些,但是远不能满足节能与新能源汽车技术路线图2.0的要求。

  接下来是12V低压系统锂电和铅酸的应用对比。铅酸的寿命难以预测,即使现在用了铅酸智能传感器IBS,但是依然难以保证准确的寿命预测,但是锂电池可以通过BMS做准确的预测。此外锂电的峰值放电功率明显优于铅酸,而且高压电池包和DCDC失效后可以实现紧急靠边停车,保障整车安全。寿命长这一点大家都很清楚,特别是新势力企业,他们相对缺少4S店,采用锂电池方案,对于解决终端消费者面临的寿命突然终止无法启动车辆的抱怨是很有帮助的。能量密度高,布置灵活也是锂电的优势。同时因为欧盟的禁铅令可能在2024年左右实施,所以他们也在布局以应对以后的环保要求。

  我们收集了国内外十数家整车企业的需求,包括纯电动、混动替代,要求是20-40Ah左右,一些燃油车替代需要60Ah。我们推出了一个20Ah的平台电芯,20Ah和40Ah两种电池包,重量分别小于3.5公斤和6公斤。有如下几个应用特点,1、长寿命。2、低温高功率,特别是要支持整车转向机构的峰值电流,长时间的整车“背景”电流、以及靠边停车后的紧急制动灯的电流。3、系统安全。这款12V电芯,具有10C充放电能力,超强低温充能力,8000次循环能力,80000小时浮充能力,全温度域应用(-40-80℃),这里面的80℃并不是说持续的使用。由于燃油车发动机舱的铅酸电池附近的温度往往会在90-100度以上,在这种情况下,如要用锂电池替代,我们需要考虑从乘客舱或者整车外部环境配合进行风冷处理。

  电芯具有在常温5分钟内从0%SOC到80%SOC的超强快充能力。其次12V电池系统在高压失效后支持-20℃紧急靠边停车,这里不仅要关注多大的放电电流,而且要综合关注电芯的截止电压,系统的内阻,保证系统最低电压满足整车的要求。这是我们12V系统的结构设计,目前处于B样阶段,热仿真、结构仿真可以满足客户的要求。

  接下来是BMS,在12V锂电池系统中,特别是20Ah锂电池系统,BMS系统占比是非常高的。如果锂电12V系统的的价格长期维持在铅酸的3~5倍的话,对这个行业的发展是不利的。所以BMS方面一定要想办法降低它的占比。这里介绍一下BMS通用的架构,除了MCU单片机,还有AFE、SBC、电流采集、通讯、开关,其中开关有继电器、MOSFET方案。至于系统安全,大多数人包括我们一些客户更关注于电芯安全,大家都知道欠压、过压、过流、过温安全。其实对于12V应用来说,还有一个很重要的安全是持续高功率放电的功能安全,在引入了MOSFET的情况下,其实最高安全等级只能做到ASILB,因为MOSFET有一些非预期的短路/开路故障,达不到更高的功能安全等级,而有部分客户希望达到ASILD供电,这就需要两块电池。有没有机会把开关取消掉呢?电芯提高在欠压、过压、过温、过流情况下的本体安全等级,再结合整车控制策略其实是有希望的,我们也在研究把电芯做得更“抗造”,和客户谈更灵活的补电策略和整车控制策略,用一个电池包达到更高的安全等级。

  现在我们的BMS包括商用车、乘用车,每年释放多达几千版软件,如何能够快速高质量的满足交付需求,是我们持续改进的一件事情。以BMS为例,就是基于MBSE的ALM智能化解决方案。这是典型的Vmodel模型,其中PTCIntegrity可以在系统需求和软件需求方面做数字化管理,PTCModeler可以对系统架构和软件架构做自动化处理,建模工具结合PTCIntegrity用于软件详细设计、单元开发。PTCIntegrity、CANOEVTT、ETAS可以对软件和系统测试做数字化配置和管理。

  接下来说说ALM,ApplicationLifecycleManagement,它是从需求分析开始,历经整个项目阶段,直至最终交付和发布的全过程管理,包括BOM、版本配置管理。MBSE,Model-BasedSystemEngineering,意思是把我们的系统和软件开发模型化,使建模方法支持系统和软件架构开发、软件开发和实现、测试用例设计、问题分析验证等活动。最终可以根据不同项目的配置表,自动化地生成相应的软件。

  我们目前对于BMS、电芯开发、PACK结构开发等都引入了ALM管理方法,通过相应的管理工具可以实现需求管理、过程管理、变更管理、问题和风险管理,还有BMS的软件代码管理、测试用例管理、释放及版本管理。

  通过ALM工具,可以把需求的类别、文档、使用场景、功能安全等级、目标版本、测试级别等属性,软件架构的接口,数据流,控制流,前后需求双向等属性管理起来。其实谈系统架构也好,软件架构也好,可以不限于BMS,其它如PACK,结构设计也有很多架构设计,这里面同样涉及到很多接口/边界条件的管理,也可以借鉴ALM的理念。ALM的智能化解决方案可以帮助我们应对全面的电动化,面对未来数千个项目。

  最后展望一下铅酸蓄电池锂电化和全面电动化,我们认为12V锂电池系统是自动驾驶和智能化的必要措施,同时也是乘用车全面电动化和整车全面去铅化的重要手段。宁德时代提供从BEV、PHEV、混动、燃油车铅酸替代的系统解决方案。为满足全面电动化的项目增长和交付要求,产品开发一定要平台化,自动化。引入数字化的工具链可以提供从需求管理到Pack设计,电芯、BMS、结构开发,到BOM管理,最后到生产到售后的全生命周期管理。

  以上就是我今天主要汇报内容,谢谢大家。

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