第1章 動力電池系統(tǒng)發(fā)展概述

1.1 動力電池系統(tǒng)技術發(fā)展概述

動力電池系統(tǒng)是指基于整車廠客戶不同車型的個性化需求，對動力電池BMS方案、熱管理、空間尺寸、結構強度、系統(tǒng)接口、IP 等級和防護等進行定制化研發(fā)與設計，通過各種成熟技術的交互使用實現(xiàn)動力電池組各模塊的有機結合，保障核心儲能裝置電池單體的安全性和穩(wěn)定性，有效提升動力電池系統(tǒng)與不同廠商的不同車型的匹配性和應用性。動力電池系統(tǒng)是連接上游電池單體生產(chǎn)與下游整車運用的核心環(huán)節(jié)，需要大量成熟技術的相互交叉與協(xié)作，其主要的技術包括電池組、BMS（電池管理系統(tǒng)）、機械結構件（含箱體、安裝件、導電金屬件、密封件等）、高低壓線束（含連接器及接插端子等）、熱管理系統(tǒng)五大部分。

動力電池系統(tǒng)集成，在于梳理機、電、熱、化之間的相互關系、相互作用、相互影響，定量和定性地分析產(chǎn)品是否能滿足產(chǎn)品設計指標。

機即機械，電池包裝載在汽車上，首先得考慮和滿足機械方面的特征，產(chǎn)品需要具有足夠的強度和剛度，在振動、沖擊等機械載荷下不發(fā)生形變和功能異常，在碰撞、擠壓、翻滾、跌落等事故狀態(tài)下有足夠的安全防護。

電指電子和電氣，電動汽車依靠電能驅動車輛行駛，瞬時功率可能高達幾百千瓦，電壓范圍從幾十伏特到幾百伏特，電流也可以達到正負幾百安培。大電流的充電和放電，以及高電壓的輸出，意味著電池包有很高的電氣載荷要求。此外，整個電池包由非常多的電池單體構成，為了有效地管理這些電池，控制電池包的充放電，以及響應整車層面的功能需求，電池包還有一套非常復雜的電池管理系統(tǒng)（BMS），由傳感器、執(zhí)行器、控制器（電控單元）等組件構成，采集系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，進行復雜的計算，與整車其他部件進行通信，完成特定的功能，實施判定系統(tǒng)的運行邊界，控制系統(tǒng)的異常狀態(tài)等。

熱指電池包的熱管理，首先是針對外部環(huán)境的熱管理要求，在北半球的高緯度地區(qū)，冬季的室外溫度會達到-30℃，甚至更低，而在低緯度地區(qū)，夏季的地面溫度可以達到50℃以上，電動汽車必須面對嚴寒和酷暑這兩個極端的使用環(huán)境溫度要求。目前的電池技術，還無法應對這種挑戰(zhàn)，為了延長電池的使用壽命，也不能讓電池工作在如此寬廣的環(huán)境溫度下，所以必須在電池包設計的時候，為電池裝配“空調”系統(tǒng)，夏季能夠降溫，冬季能夠加熱，從而解決大范圍變化的環(huán)境溫度所帶來的挑戰(zhàn)。針對內部熱管理要求，因為電池內阻和電氣部件阻抗的存在，充放電條件下，電池包內部會發(fā)熱，電流越大，發(fā)熱量越大，如果不能及時把內部熱量散出去，輕則影響電池壽命，導致使用壽命快速衰減，重則引起熱失控，帶來安全問題。電池包產(chǎn)品的熱管理系統(tǒng)是非常復雜的，要解決加熱、散熱、保溫、熱均衡等幾方面問題。

化指的是電化學，即電池的電化學機理。以目前大量使用的鋰離子電池為例，其表現(xiàn)出來的物理特性是有電化學機理所決定的。鋰離子在正極和負極之前來回穿梭，與正極和負極發(fā)生化學反應，從而在正負極之間表現(xiàn)出充電和放電的物理特性（電子移動）。化學反應的數(shù)量規(guī)模，決定了電池的充放電的能量（產(chǎn)生的電子數(shù)量）；化學反應的快慢，決定了充放電速度；化學反應的可控與不可控，決定了電池的安全性；化學反應的可逆程度，決定了電池的壽命。電池內部的化學反應，除了跟電池本身的材料相關之外，還與外部的電氣載荷和溫度有非常大的相關性。如我們所知的，大倍率的充放電或者高溫度下使用，會導致電池壽命的衰減，短路會導致熱失控等現(xiàn)象。

動力電池系統(tǒng)集成，是復雜系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的關鍵，除了對各個子系統(tǒng)需要有深入的研究之外，還要特別關注子系統(tǒng)的接口、交叉、相互影響等，以及由此表現(xiàn)出來的新特性。系統(tǒng)集成需要應用大量的過程分析方法，輔以仿真分析和測試驗證，才能達到產(chǎn)品設計目標。

1.1.1 電池單體選型設計

在電池包產(chǎn)品的設計中，電池單體的選型設計最為關鍵。通常而言，對于自己研發(fā)和生產(chǎn)電池單體的企業(yè)來說，在電池包產(chǎn)品的開發(fā)過程中，包含電池單體設計與開發(fā)的內容，會基于客戶的要求，開發(fā)一款滿足電池包產(chǎn)品設計目標的電池單體。對于獨立的電池包企業(yè)而言，在匹配整車需求的時候，就需要選擇一款合適的電池單體，一般會選擇已量產(chǎn)的電池單體，或者可以投入量產(chǎn)的電池單體（B樣或者C樣階段）。當然，有能力的電池包企業(yè)也可以推動電池單體企業(yè)同步開發(fā)全新的電池單體產(chǎn)品。常見的動力電池類型如圖1.1所示。

電池單體是動力電池系統(tǒng)的基本組成，是電動車輛的能量存儲裝置，主要為車輛提供電能的吸收、存儲和供應。電池單體的比能量、比功率和循環(huán)壽命等參數(shù)，直接影響電動車輛續(xù)駛里程、加速和爬坡能力、使用壽命等性能。電池單體的選型和設計主要根據(jù)輸入的動力電池系統(tǒng)性能要求等信息，轉化為對它的設計開發(fā)要求等，見表1.1。

與鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，鋰離子電池具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低等優(yōu)點，并且具有使用電壓范圍寬、無記憶效應、環(huán)境友好等優(yōu)點，是目前公認比較適用于電動車輛的動力電池類型。由于電動車輛產(chǎn)品需求的不斷提升和技術進步，現(xiàn)有的鋰離子動力電池產(chǎn)品的技術水平仍存在較大的限制，不僅僅是在產(chǎn)品性能和安全性方面，還包括產(chǎn)品的成本因素等。因此，提高鋰離子動力電池的比能量、使用壽命和安全性，并降低其成本等，既是動力電池研究的熱點，也是選型考慮和設計優(yōu)化的重點。

電池單體的選型和設計主要考慮以下幾方面的因素，包括：

1）電動車輛的應用類型和特點，尤其是不同類型電動車輛對動力電池需求的差異性。

2）動力電池自身特點的差異性，包括動力電池產(chǎn)品性能、安全性、產(chǎn)品技術和工藝成熟度、產(chǎn)品價格、產(chǎn)能保證能力，以及環(huán)保因素等。

在動力電池選型過程中，需要重點關注動力電池特點的差異性，包括不同正負極材料體系和結構形式的動力電池產(chǎn)品，其對應的產(chǎn)品性能、安全性、產(chǎn)品技術和工藝成熟度、產(chǎn)品價格、產(chǎn)能保證能力，以及環(huán)保因素等方面。按照正負極材料體系進行劃分，主要包括磷酸鐵鋰（LiFePO₄）/C、鎳鈷錳三元（NCM）/C、錳酸鋰（LMO）/C等。

1.1.2 機械結構設計

電池包的結構設計，是根據(jù)整車對于電池包的產(chǎn)品功能要求、性能要求、包的尺寸要求、重量要求、掛點要求、接口要求、防護要求等，確定合適的箱體設計和電池包內部的電池模組設計、電連接設計、緊固設計等。在電池包產(chǎn)品的結構設計當中，最為關鍵的是電池模組設計和箱體設計。

電池模組設計需要考慮所選電池單體型號、模組能量密度、電流密度、外輪廓尺寸、機械接口、電氣接口、模組加熱散熱、隔熱、防火阻燃等因素，需要滿足振動、翻滾、跌落、擠壓、絕緣、刺擊、海水浸泡等方面的要求。

電池包的箱體設計，需要考慮電池包外包絡尺寸、電池模組尺寸、電池包結構強度、機械接口、電氣接口、電池包能量密度、功率密度、加熱散熱要求、保溫要求、防護要求、制造工藝、成本等方面的因素。在產(chǎn)品的設計目標上，除了滿足基本功能要求之外，還需要滿足振動、沖擊、翻滾、跌落、滑車、碰撞、密封防護、接觸防護、絕緣防護、等電位、防火阻燃、泄壓防爆方面的要求。

機械結構設計的輸入輸出要求見表1.2。

1.1.3 高壓電氣設計

電動汽車中高壓電系統(tǒng)的功能是保證整車系統(tǒng)動力電能的傳輸，并隨時檢測整個高壓系統(tǒng)的絕緣故障、斷路故障、接地故障及高壓故障等（圖1.2）。通常，與動力電池相關的高壓元器件，如各回路的接觸器及熔絲等，集成在動力電池包內。動力電池作為電動汽車的能量儲存裝置，受整車尺寸及布置位置的影響，可用空間非常有限。為了增加動力電池的能量，應盡量減少動力電池包內，除電池單體或模組外其他零件的數(shù)量，使電池單體或模組有充分的布置空間。同時，需要保證動力電池系統(tǒng)維修的便利性，減少拆卸動力電池包的次數(shù)。

高壓系統(tǒng)電氣架構的設計原則是：

1）各高壓部件盡量都能有獨立的供電控制，確保不工作的部件不帶電。

2）各高壓部件的熔絲盒與動力電池系統(tǒng)內部結構隔離，避免熔絲檢修或更換影響電池系統(tǒng)內部防護等級。

3）工作特性相近的部件盡量共用一個接觸器，減少接觸器的數(shù)量。

4）功率等級相近的部件盡量共用熔絲，減少熔絲的數(shù)量。

5）盡量減少動力電池系統(tǒng)電氣接口的數(shù)量。

1.1.4 電池管理系統(tǒng)設計

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）是用于電動汽車（EV、PHEV、HEV）的動力電池監(jiān)測與高壓電能管理的綜合性系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)對動力電池進行在線監(jiān)控和實時控制，為整車提供動力電池的狀態(tài)信息，如電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）、絕緣狀態(tài)、高壓互鎖狀態(tài)等信息，同時實時判斷動力電池的運行狀態(tài)是否正常。若出現(xiàn)故障，則應做出相應處理措施，如向整車控制器發(fā)送故障信號并報警提示、降功率處理等。

電池管理系統(tǒng)主要有以下功能：電池單體及電池包的電壓檢測、電池組充放電電流檢測、電池箱溫度場的控制、電池箱氣密性檢測、電池組SOC 與SOH 的估算、與整車控制器及顯示系統(tǒng)通信、充電控制、電池組實時狀態(tài)判斷與故障控制、能量管理、高壓安全管理，熱管理等。傳統(tǒng)電池管理系統(tǒng)一般具有電壓、電流、溫度的采集功能、SOC 估算功能、數(shù)據(jù)通信與故障管理功能。電池管理系統(tǒng)的功能如圖1.3 所示。

除了以上的功能之外，未來BMS將在其他幾個方面有更深入的發(fā)展：更加智能化的能量管理，通過對電池單體的建模和自學習功能，實現(xiàn)更加精確的荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）、能量狀態(tài)（SOE）計算；在AUTOSAR基礎上的軟件分層和分布式開發(fā)，并實現(xiàn)軟件的快速迭代和OTA遠程更新；與云服務和大數(shù)據(jù)結合，對電池包所有數(shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)遠程在線診斷，及時發(fā)現(xiàn)和修復隱患；完全滿足ISO26262的功能安全要求，進一步提升電動汽車的安全等級。

1.1.5 熱管理系統(tǒng)設計

電池包的熱設計有兩個目標：控制電池單體的工作溫度和控制不同電池單體的工作溫度差。前者會嚴重影響整個電池包的性能和壽命，后者會嚴重影響電池包內部的短板效應，導致電池組一致性變差。要達到這兩個熱設計目標，就要考慮加熱、散熱、熱均衡、保溫4個方面的措施。

對于電池單體而言，最佳的工作溫度范圍為20～30℃，電池包內部的電池單體溫度差控制在5℃以內比較合理。顯然，要把工作溫度和溫差控制在這么嚴格的范圍內，電池包的熱管理系統(tǒng)將會變得非常復雜，所以通常會把工作溫度范圍放寬到10～40℃，把電池包內部溫差控制在5～8℃，這樣可以在電池包的性能、壽命和成本之間達到一個比較好的平衡狀態(tài)。

對于散熱設計而言，可以考慮的散熱方式有自然冷卻、風冷、液冷、制冷劑直冷等幾種方式。我們需要根據(jù)外部環(huán)境溫度、電池壽命要求來推導電池單體的工作溫度限值和溫差限值，需要根據(jù)系統(tǒng)運行工況、電池單體發(fā)熱功率、電氣件發(fā)熱功率等來計算系統(tǒng)的換熱系數(shù)，再綜合考慮技術復雜度、電池包內部的安裝空間、散熱速率以及成本等因素，選擇最合理的散熱設計（包括冷卻方式和冷卻回路等），散熱設計的一般流程如圖1.4所示。對于加熱設計而言，可以考慮的加熱方式有加熱膜、PTC、液熱等幾種方式。加熱設計的思路與散熱設計相似。

1.1.6 仿真分析技術

仿真分析是通過計算機建模和計算，對產(chǎn)品設計進行驗證的重要手段。合理利用仿真分析手段，既可以在產(chǎn)品開發(fā)早期，作為主要分析方法，來驗證產(chǎn)品設計的合理性，及時發(fā)現(xiàn)設計存在的問題和缺陷，避免后續(xù)的設計更改成本和周期，也可以在產(chǎn)品開發(fā)后期，作為輔助分析手段，降低對測試工作的依賴，減少測試工作量。

動力電池系統(tǒng)仿真分析技術如圖1.5所示，可以分為結構仿真、熱流體仿真、電化學仿真三大類。結構仿真的內容包括拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、靜強度分析、密封界面分析、模態(tài)分析、隨機振動分析、機械沖擊分析、滑車分析、擠壓分析等。熱流體仿真的內容包括電化學熱力學聯(lián)合仿真、熱場分布、流程分布、熱失控仿真等。

在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，綜合應用不同的仿真分析方法進行仿真分析，可以快速查找設計問題，避免盲目試錯，縮短開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)成本。仿真結果的精確度，決定了仿真手段可以達到的效果，這要求產(chǎn)品力學模型、熱學模型的建立，工作邊界條件，相關約束條件等，都要比較準確，才能獲得比較理想的仿真結果，接近真實情況。

1.1.7 安全測試技術

電池包的安全設計，基本上圍繞電池包的內部組件構成和可能發(fā)生的安全風險展開，確定合理的產(chǎn)品安全設計目標和框架，指導具體的產(chǎn)品開發(fā)工作。

1．化學安全

電池單體發(fā)生熱失控，可能會產(chǎn)生電解液泄漏、起火和燃燒等現(xiàn)象，造成乘客或車輛外部人員受傷。針對電池單體而言，如何確保各種運行條件和使用情況下的化學和熱穩(wěn)定性，確保不產(chǎn)生安全風險，這是必須要考慮和解決的問題。需要考慮的情況包括：

?額定范圍內的正常工況。

?長距離運輸和長時間存儲。

?極端情況，如針對電池單體的過充電、過放電、擠壓、穿刺、火燒等。

在各種情況下，都要為電池單體的安全性確定合理的設計目標，貫穿到電池單體的開發(fā)過程中。針對動力電池系統(tǒng)的其他組件而言，化學安全還涉及電解液或冷卻液泄漏所導致的化學腐蝕（有可能造成內部短路）、鹽霧腐蝕、阻燃能力和有害氣體排放等。

2．電氣安全

針對動力電池包內部的電子電氣系統(tǒng)而言，電氣安全是首要考慮的因素，各種與“電”有關的安全風險，都必須考慮到：

?絕緣配合。

?等電位（接地）。

?短路防護。

?絕緣狀態(tài)監(jiān)控。

?高壓連接器互鎖。

?高低壓隔離。

?電磁兼容性（EMC）。

?故障自診斷。

電氣安全，不僅要考慮被動防護，如各種線纜和連接器的絕緣保護，高低壓連接器的閉鎖裝置，以及良好的電磁兼容性等，還需要考慮如何做到故障的自診斷和主動防護，如絕緣狀態(tài)監(jiān)控、高壓互鎖檢測、接觸阻抗檢測等，確保在故障發(fā)生的初期就主動介入，將風險降到最低。

1.1.8 制造工藝技術

將電池包的所有物料，按照特定的方式和方法，加工成動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品，滿足出貨要求，這就是動力電池系統(tǒng)制造工藝要達到的要求。

動力電池系統(tǒng)的裝配過程，可以分為電池模組裝配、電池包箱體裝配、下線測試三個大的階段。在電池模組裝配階段，關鍵工藝有分容、清洗、入殼/框、焊接、涂膠、測試等，因為模組的設計相對標準化，且復用度高，因此電池模組的裝配過程可以做到高度自動化。在電池包箱體裝配階段，關鍵工藝主要有電池模組安裝、水冷組件安裝、線束連接、緊固件裝配、売體安裝、連接器安裝等，針對設計定型且量產(chǎn)規(guī)模很大的電池包，是可以做到箱體裝配高度自動化的，但是對于量產(chǎn)規(guī)模達不到一定程度的電池包產(chǎn)品，做自動化生產(chǎn)的代價是非常高的，設備折舊成本相對較高。電池包的下線測試包括功能測試（通信、上下電控制等）、安全測試（耐壓等級、絕緣阻抗、等電位、絕緣監(jiān)測精度、高壓互鎖等）、氣密性測試（IP防護驗證）、容量測試（抽檢）等，主要是為了驗證電池包的生產(chǎn)裝配是否可以達到出貨要求。