第2章 動力電池系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 動力電池方案設(shè)計概述

2.1.1 動力電池系統(tǒng)方案設(shè)計流程

動力電池系統(tǒng)（圖2.1）設(shè)計要以滿足整車的動力要求和其他設(shè)計為前提，同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計等方面。整車廠會針對要設(shè)計的整車，在考慮安全設(shè)計、線束連接設(shè)計、插接件設(shè)計等相關(guān)要求后，形成一個有限的動力電池系統(tǒng)空間大小。然后在有限的空間約束下，進(jìn)行電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等布置，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命與安全。設(shè)計時要考慮到的一些整體和通用性原則包括安全性好、高比能量、高比功率、溫度適應(yīng)性強、使用壽命長、安裝維護(hù)性強、綜合成本低等。

由于不同種類電動汽車的結(jié)構(gòu)和工作模式的不同，導(dǎo)致對動力電池的性能要求也不一樣。純電動汽車行駛完全依賴于動力電池系統(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可續(xù)駛里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動力汽車對動力電池系統(tǒng)的容量要求比純電動汽車要低，但要能夠在某些時候提供較大的瞬時功率。而串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車對電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

動力電池系統(tǒng)的設(shè)計流程一般如下：

1）確定整車的設(shè)計要求。

2）確定車輛的功率及能量要求。

3）選擇所能匹配合適的電池單體。

4）確定電池模塊的組合結(jié)構(gòu)形式。

5）確定電池管理系統(tǒng)設(shè)計及熱管理系統(tǒng)設(shè)計要求。

6）仿真模擬及具體試驗驗證。

2.1.2 動力電池系統(tǒng)方案設(shè)計需求

方案設(shè)計需求的目的是了解整車及用戶對動力電池系統(tǒng)的相關(guān)要求，確定方案的設(shè)計需求和預(yù)期達(dá)成的目標(biāo)，并分析與實際需求之間存在的差距。在產(chǎn)品開發(fā)初期，系統(tǒng)需求分析的主要作用是構(gòu)建產(chǎn)品總體功能、總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)等。

1．動力電池系統(tǒng)的總體功能

作為電動車輛的重要組成部分，動力電池系統(tǒng)用來給一個車載高壓電氣系統(tǒng)提供電能的吸收、存儲和供應(yīng)，并且能通過車載充電機，或者連接到電網(wǎng)或發(fā)電機的專門充電裝置進(jìn)行充電?？傮w功能如下：

?提供電能（支持整車驅(qū)動，同時支持其高壓附件系統(tǒng)工作）。

?充電功能（接收交流充電器和直流充電器充電）。

?回收電能（接收整車電機再生制動回收的能量）。

?存儲電能（支持長時間的能量存儲，不發(fā)生明顯的自放電或能量損失）。

?滿足工作溫度、存儲溫度、濕度條件，以及海拔條件等環(huán)境要求。

?滿足整車電機、電機控制器等工作電壓范圍要求。

?滿足能量、充放電功率性能要求。

?滿足使用壽命、存儲壽命要求。

?滿足力學(xué)性能和安全性能要求，包括機械剛度和強度、重量/輕量化要求、機械振動和沖擊、跌落、碰撞防護(hù)、密封防護(hù)要求（防塵、防水），以及滿足機械濫用（擠壓、穿釘?shù)龋┑陌踩蟮取?/p>

?滿足壓力平衡/補償，以及緊急排氣要求。

?滿足阻燃性能要求。

?滿足耐蝕性要求。

?滿足熱失控蔓延控制要求。

?滿足外部火燒要求。

?提供電能物理參數(shù)（電壓、溫度、電流等）實時監(jiān)測功能。

?提供電池狀態(tài)［荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）等］估算功能。

?提供CAN通信功能、CAN網(wǎng)絡(luò)管理功能。

?提供故障診斷和預(yù)警功能。

?提供電池安全保護(hù)（過充電/過放電/過溫保護(hù)等）功能。

?滿足高壓電安全管理要求，至少包括高壓互鎖（HVIL）、高壓絕緣監(jiān)測、繼電器狀態(tài)診斷、碰撞斷電保護(hù)。

?滿足功能安全要求。

?滿足電磁兼容（EMC）要求。

?滿足熱管理要求，包括高溫散熱、低溫加熱、保溫、熱分布均勻性要求。

?滿足可制造性、可維護(hù)性要求。

?滿足質(zhì)量與可靠性要求。

?滿足相關(guān)法律法規(guī)及相關(guān)政策性要求。

?滿足強檢認(rèn)證相關(guān)要求。

?滿足環(huán)境兼容性要求。

?滿足可回收、循環(huán)利用要求。

2．動力電池系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)方案設(shè)計通常采用類似于結(jié)構(gòu)化的分析方法，講一個復(fù)雜的產(chǎn)品分解成多個容易分別實現(xiàn)和維護(hù)的子系統(tǒng)層級。按結(jié)構(gòu)組成劃分，整個動力電池系統(tǒng)各主要子部件構(gòu)成如下所述。

1）電池模組。主要由電池單體、模組結(jié)構(gòu)件（如端板、側(cè)板、底板、蓋板、絕緣、導(dǎo)熱部件等）、電池參數(shù)檢測傳感器（如溫度/電壓采樣傳感器及線束等）、電氣連接部件（如電池單體串并聯(lián)匯流排、模組輸出極等）等組件構(gòu)成。

2）電池箱體構(gòu)建。主要由電池箱體（上蓋、下殼體）、固定/支撐結(jié)構(gòu)部件（支架、壓板/壓條等）、密封組件（如密封條）、平衡閥（具有防爆炸功能）、標(biāo)準(zhǔn)件（如螺栓、螺母、墊片等）等組件構(gòu)成。

3）電子電氣組件。主要由電池管理系統(tǒng)、繼電器、熔絲、電流傳感器、預(yù)充電阻、高/低壓線束、連接器等組件構(gòu)成。

4）熱管理系統(tǒng)組件。主要由冷板、軟管、管接頭、彈性支撐、電阻絲/加熱膜等組件構(gòu)成。

5）功能輔件。主要由平衡防爆閥、卡扣、扎帶、密封圈/墊、密封膠、導(dǎo)熱膠等組件構(gòu)成。

3．動力電池系統(tǒng)參數(shù)

（1）額定電壓及電壓應(yīng)用范圍

對于高速電動車輛動力電池系統(tǒng)的額定電壓等級，參照《電動汽車高壓系統(tǒng)電壓系統(tǒng)電壓等級》（GB/T 31466—2015）可選擇144V、288V、320V、346V、400V、576V等。對于微型低速電動車動力電池系統(tǒng)的電壓等級，100V以下主要以48V、60V、72V和96V為主。

動力電池系統(tǒng)的額定電壓及電壓范圍必須與整車所選用的電機和電機控制器工作電壓相匹配，因此為保證整車動力系統(tǒng)的可靠運行，需要根據(jù)電動整車電機的電壓等級及工作電壓范圍要求，選擇合適的電池單體規(guī)格（化學(xué)體系、額定電壓、容量規(guī)格等）并確定電池單體的串聯(lián)數(shù)量、系統(tǒng)額定電壓及工作電壓范圍，通常允許使用的電壓范圍上限為系統(tǒng)額定電壓的115%～120%，下限為系統(tǒng)額定電壓的75%～80%。

（2）動力電池系統(tǒng)容量

整車概念設(shè)計階段，從整車車重和設(shè)定的典型工況出發(fā)，根據(jù)續(xù)駛里程、整車性能（最高車速、爬坡度、加速時間等）要求，可以計算出汽車行駛所需搭載的總能量需求。動力電池系統(tǒng)容量主要基于總能量和額定電壓來進(jìn)行計算。

（3）功率和工作電流

整車在急加速情況下，動力電池系統(tǒng)需要提供短時脈沖放電功率，對應(yīng)的工作電流為峰值放電電流；在緊急制動情況下，需要提供短時能量回收功率，對應(yīng)的回饋電流為峰值充電電流。

整車在平路持續(xù)加速或長坡道時，動力電池系統(tǒng)需要提供穩(wěn)定的持續(xù)放電功率，此時要求能夠長時間穩(wěn)定輸出一定額度的電流，即持續(xù)放電工作電流。

（4）可用SOC范圍

在動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計上，由于SOC可用范圍會直接影響總能量的設(shè)計，直接體現(xiàn)到電池單體的選型及數(shù)量要求，因此，也會對電池箱體的包絡(luò)尺寸設(shè)計、內(nèi)部布置及安裝空間間隙以及對總體成本等方面產(chǎn)生最直接的影響。動力電池系統(tǒng)SOC應(yīng)用范圍的選擇首先考慮整車對充放電功率和可用能量等方面的需求，同時結(jié)合電池單體在不同溫度條件下的充放電能力（功率和能量）、存儲性能（自放電率）、壽命、安全特性，以及電池管理系統(tǒng)的SOC估算精度等影響因素來確定。

動力電池系統(tǒng)在其應(yīng)用SOC范圍內(nèi)必須滿足整車負(fù)載的峰值放電功率要求，保證電池系統(tǒng)具有的峰值放電能力大于負(fù)載的最大功率需求；同時，為了盡可能多地接受回收的能量，應(yīng)滿足所設(shè)定的峰值充電功率回充功率要求。由于動力電池系統(tǒng)的充放電功率能力主要受選用的電池單體功率能力限制，其中：在低溫、低SOC條件下，電池單體的放電功率會受到限制；在低溫、高SOC條件下，電池單體的充電回充功率會受到限制。因此，需要結(jié)合整車動力系統(tǒng)峰值（放電回充）功率需求，定義SOC可用范圍。動力電池系統(tǒng)SOC使用范圍的選擇還要根據(jù)整車設(shè)計的純電續(xù)駛里程目標(biāo)，通過分析整車能耗情況確定對應(yīng)的可用能量需求，計算動力電池系統(tǒng)可用能量與整車能量需求差距，并調(diào)整SOC使用范圍需求。

通常，為了更好地保護(hù)動力電池系統(tǒng)，并延長其使用壽命，充電時不能將其充滿電（接近100%SOC），放電時也不能完全放電（低于5%SOC），否則可能會損壞電池單體，縮短其使用壽命。但是，如果單方面為了延長動力電池使用壽命而加大電池系統(tǒng)的能量，來減小SOC使用區(qū)間，對于系統(tǒng)成本和空間布置都會產(chǎn)生不利影響。

由于動力電池均存在一定程度的自放電現(xiàn)象，因此，考慮到電池包的存儲周期可能達(dá)到3個月以上（6個星期的工廠物流／配送和6個星期的存儲區(qū)存儲）的情況，為避免因為自放電而導(dǎo)致發(fā)生電池單體過放電的情況發(fā)生，通常動力電池系統(tǒng)的SOC的下限應(yīng)不低于5%。

綜上所述，動力電池系統(tǒng)SOC使用區(qū)間的選擇應(yīng)該綜合權(quán)衡以上各個影響因素，因此，需進(jìn)行綜合平衡選擇，確定SOC使用區(qū)間的最佳方案。通常，BEV動力電池系統(tǒng)SOC可用窗口70%～95%；PHEV產(chǎn)品SOC窗口20%～95%；HEV產(chǎn)品SOC窗口30%～70%。

（5）溫度應(yīng)用范圍

動力電池系統(tǒng)的溫度應(yīng)用范圍主要考慮：低溫條件下對單體電池的充電、放電功率和能量的影響；高溫條件下對電池單體的壽命和安全特性的影響?；谡噷?yīng)的持續(xù)放電和脈沖放電功率能力要求，以及電池單體在低溫條件下的充電窗口，確定溫度下限應(yīng)用范圍。為避免由于溫度過高引起電池單體壽命的快速衰減和出現(xiàn)熱失控，根據(jù)電池單體的溫度特性及以往電池包產(chǎn)品使用經(jīng)驗，確定溫度上限應(yīng)用范圍。

1）工作溫度范圍。一般情況下，動力電池系統(tǒng)要求在-20～60℃外部環(huán)境溫度中能正常工作。在低溫條件下，動力電池系統(tǒng)由于受到電池單體功率特性的限制，很難滿足整車正常條件下的峰值放電或峰值回饋充電功率需求。在高溫條件下，動力電池系統(tǒng)由于受到電池單體溫升特性、安全及可靠性應(yīng)用溫度范圍等因素的限制，不能按峰值放電或峰值回饋充電功率進(jìn)行工作。因此，需要基于電池單體的溫度和功率特性，在低溫、低SOC 狀態(tài)下對應(yīng)放電功率能力和高溫、高SOC狀態(tài)下的充電功率能力結(jié)合使用溫度區(qū)間進(jìn)行限制。

2）存儲溫度范圍。一般條件下，要求動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品能在-40～60℃范圍內(nèi)進(jìn)行存儲。由于動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品裝配完成之后，會經(jīng)歷由制造工廠出廠，經(jīng)由物流運輸（夏季高溫運輸途中暴曬）和配送到整車廠物料倉庫存儲區(qū)進(jìn)行存儲的情況，因此，要求動力電池產(chǎn)品能滿足：在環(huán)境溫度不超過45℃條件下，允許存儲2～3個月，不發(fā)生明顯的壽命衰減（或出現(xiàn)明顯的不可逆容量損失）。