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(shù)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(gè)性化需求，對動力電池BMS方案、熱管理、空間尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、系統(tǒng)接口、IP 等級和防護(hù)等進(jìn)行定制化研發(fā)與設(shè)計(jì)，通過各種成熟技術(shù)的交互使用實(shí)現(xiàn)動力電池組各模塊的有機(jī)結(jié)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(yīng)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(yùn)用的核心環(huán)節(jié)，需要大量成熟技術(shù)的相互交叉與協(xié)作，其主要的技術(shù)包括電池組、BMS（電池管理系統(tǒng)）、機(jī)械結(jié)構(gòu)件（含箱體、安裝件、導(dǎo)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(jī)、電、熱、化之間的相互關(guān)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(shè)計(jì)指標(biāo)。

機(jī)即機(jī)械，電池包裝載在汽車上，首先得考慮和滿足機(jī)械方面的特征，產(chǎn)品需要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在振動、沖擊等機(jī)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(hù)。

電指電子和電氣，電動汽車依靠電能驅(qū)動車輛行駛，瞬時(shí)功率可能高達(dá)幾百千瓦，電壓范圍從幾十伏特到幾百伏特，電流也可以達(dá)到正負(fù)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(gè)電池包由非常多的電池單體構(gòu)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(yīng)整車層面的功能需求，電池包還有一套非常復(fù)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(gòu)成，采集系統(tǒng)的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，與整車其他部件進(jìn)行通信，完成特定的功能，實(shí)施判定系統(tǒng)的運(yùn)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(dá)到-30℃，甚至更低，而在低緯度地區(qū)，夏季的地面溫度可以達(dá)到50℃以上，電動汽車必須面對嚴(yán)寒和酷暑這兩個(gè)極端的使用環(huán)境溫度要求。目前的電池技術(shù)，還無法應(yīng)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(shè)計(jì)的時(shí)候，為電池裝配“空調(diào)”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(nèi)部熱管理要求，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻和電氣部件阻抗的存在，充放電條件下，電池包內(nèi)部會發(fā)熱，電流越大，發(fā)熱量越大，如果不能及時(shí)把內(nèi)部熱量散出去，輕則影響電池壽命，導(dǎo)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(fù)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(xué)，即電池的電化學(xué)機(jī)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(xué)機(jī)理所決定的。鋰離子在正極和負(fù)極之前來回穿梭，與正極和負(fù)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在正負(fù)極之間表現(xiàn)出充電和放電的物理特性（電子移動）。化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的快慢，決定了充放電速度；化學(xué)反應(yīng)的可控與不可控，決定了電池的安全性；化學(xué)反應(yīng)的可逆程度，決定了電池的壽命。電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，除了跟電池本身的材料相關(guān)之外，還與外部的電氣載荷和溫度有非常大的相關(guān)性。如我們所知的，大倍率的充放電或者高溫度下使用，會導(dǎo)致電池壽命的衰減，短路會導(dǎo)致熱失控等現(xiàn)象。

動力電池系統(tǒng)集成，是復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵，除了對各個(gè)子系統(tǒng)需要有深入的研究之外，還要特別關(guān)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(yīng)用大量的過程分析方法，輔以仿真分析和測試驗(yàn)證，才能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.1.1 電池單體選型設(shè)計(jì)

在電池包產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，電池單體的選型設(shè)計(jì)最為關(guān)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(shè)計(jì)與開發(fā)的內(nèi)容，會基于客戶的要求，開發(fā)一款滿足電池包產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)的電池單體。對于獨(dú)立的電池包企業(yè)而言，在匹配整車需求的時(shí)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(dāng)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(yīng)。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(shè)計(jì)主要根據(jù)輸入的動力電池系統(tǒng)性能要求等信息，轉(zhuǎn)化為對它的設(shè)計(jì)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(diǎn)，并且具有使用電壓范圍寬、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是目前公認(rèn)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(shù)進(jìn)步，現(xiàn)有的鋰離子動力電池產(chǎn)品的技術(shù)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(diǎn)，也是選型考慮和設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)。

電池單體的選型和設(shè)計(jì)主要考慮以下幾方面的因素，包括：

1）電動車輛的應(yīng)用類型和特點(diǎn)，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(diǎn)的差異性，包括動力電池產(chǎn)品性能、安全性、產(chǎn)品技術(shù)和工藝成熟度、產(chǎn)品價(jià)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(diǎn)關(guān)注動力電池特點(diǎn)的差異性，包括不同正負(fù)極材料體系和結(jié)構(gòu)形式的動力電池產(chǎn)品，其對應(yīng)的產(chǎn)品性能、安全性、產(chǎn)品技術(shù)和工藝成熟度、產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)能保證能力，以及環(huán)保因素等方面。按照正負(fù)極材料體系進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(diǎn)要求、接口要求、防護(hù)要求等，確定合適的箱體設(shè)計(jì)和電池包內(nèi)部的電池模組設(shè)計(jì)、電連接設(shè)計(jì)、緊固設(shè)計(jì)等。在電池包產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，最為關(guān)鍵的是電池模組設(shè)計(jì)和箱體設(shè)計(jì)。

電池模組設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)，需要考慮電池包外包絡(luò)尺寸、電池模組尺寸、電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)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(hù)要求、制造工藝、成本等方面的因素。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(hù)、接觸防護(hù)、絕緣防護(hù)、等電位、防火阻燃、泄壓防爆方面的要求。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入輸出要求見表1.2。

1.1.3 高壓電氣設(shè)計(jì)

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(shí)檢測整個(gè)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(guān)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(nèi)。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(yīng)盡量減少動力電池包內(nèi)，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(shí)，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(gòu)的設(shè)計(jì)原則是：

1）各高壓部件盡量都能有獨(dú)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(nèi)部結(jié)構(gòu)隔離，避免熔絲檢修或更換影響電池系統(tǒng)內(nèi)部防護(hù)等級。

3）工作特性相近的部件盡量共用一個(gè)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(shè)計(jì)

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(jìn)行在線監(jiān)控和實(shí)時(shí)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(shí)實(shí)時(shí)判斷動力電池的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。若出現(xiàn)故障，則應(yīng)做出相應(yīng)處理措施，如向整車控制器發(fā)送故障信號并報(bào)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(shí)時(shí)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(gè)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(xué)習(xí)功能，實(shí)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(jì)算；在AUTOSAR基礎(chǔ)上的軟件分層和分布式開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)軟件的快速迭代和OTA遠(yuǎn)程更新；與云服務(wù)和大數(shù)據(jù)結(jié)合，對電池包所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)隱患；完全滿足ISO26262的功能安全要求，進(jìn)一步提升電動汽車的安全等級。

1.1.5 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電池包的熱設(shè)計(jì)有兩個(gè)目標(biāo)：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(yán)重影響整個(gè)電池包的性能和壽命，后者會嚴(yán)重影響電池包內(nèi)部的短板效應(yīng)，導(dǎo)致電池組一致性變差。要達(dá)到這兩個(gè)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)，就要考慮加熱、散熱、熱均衡、保溫4個(gè)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(nèi)部的電池單體溫度差控制在5℃以內(nèi)比較合理。顯然，要把工作溫度和溫差控制在這么嚴(yán)格的范圍內(nèi)，電池包的熱管理系統(tǒng)將會變得非常復(fù)雜，所以通常會把工作溫度范圍放寬到10～40℃，把電池包內(nèi)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(dá)到一個(gè)比較好的平衡狀態(tài)。

對于散熱設(shè)計(jì)而言，可以考慮的散熱方式有自然冷卻、風(fēng)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(dǎo)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(yùn)行工況、電池單體發(fā)熱功率、電氣件發(fā)熱功率等來計(jì)算系統(tǒng)的換熱系數(shù)，再綜合考慮技術(shù)復(fù)雜度、電池包內(nèi)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(shè)計(jì)（包括冷卻方式和冷卻回路等），散熱設(shè)計(jì)的一般流程如圖1.4所示。對于加熱設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的思路與散熱設(shè)計(jì)相似。

1.1.6 仿真分析技術(shù)

仿真分析是通過計(jì)算機(jī)建模和計(jì)算，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)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(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題和缺陷，避免后續(xù)的設(shè)計(jì)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(shù)如圖1.5所示，可以分為結(jié)構(gòu)仿真、熱流體仿真、電化學(xué)仿真三大類。結(jié)構(gòu)仿真的內(nèi)容包括拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、靜強(qiáng)度分析、密封界面分析、模態(tài)分析、隨機(jī)振動分析、機(jī)械沖擊分析、滑車分析、擠壓分析等。熱流體仿真的內(nèi)容包括電化學(xué)熱力學(xué)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(yīng)用不同的仿真分析方法進(jìn)行仿真分析，可以快速查找設(shè)計(jì)問題，避免盲目試錯(cuò)，縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)成本。仿真結(jié)果的精確度，決定了仿真手段可以達(dá)到的效果，這要求產(chǎn)品力學(xué)模型、熱學(xué)模型的建立，工作邊界條件，相關(guān)約束條件等，都要比較準(zhǔn)確，才能獲得比較理想的仿真結(jié)果，接近真實(shí)情況。

1.1.7 安全測試技術(shù)

電池包的安全設(shè)計(jì)，基本上圍繞電池包的內(nèi)部組件構(gòu)成和可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)展開，確定合理的產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)目標(biāo)和框架，指導(dǎo)具體的產(chǎn)品開發(fā)工作。

1．化學(xué)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(yùn)行條件和使用情況下的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，確保不產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)，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(nèi)的正常工況。

?長距離運(yùn)輸和長時(shí)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(shè)計(jì)目標(biāo)，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(xué)安全還涉及電解液或冷卻液泄漏所導(dǎo)致的化學(xué)腐蝕（有可能造成內(nèi)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(nèi)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(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)，都必須考慮到：

?絕緣配合。

?等電位（接地）。

?短路防護(hù)。

?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(hù)，如各種線纜和連接器的絕緣保護(hù)，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(hù)，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(fēng)險(xiǎn)降到最低。

1.1.8 制造工藝技術(shù)

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(dá)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(gè)大的階段。在電池模組裝配階段，關(guān)鍵工藝有分容、清洗、入殼/框、焊接、涂膠、測試等，因?yàn)槟＝M的設(shè)計(jì)相對標(biāo)準(zhǔn)化，且復(fù)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(guān)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(shè)計(jì)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(dá)不到一定程度的電池包產(chǎn)品，做自動化生產(chǎn)的代價(jià)是非常高的，設(shè)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(hù)驗(yàn)證）、容量測試（抽檢）等，主要是為了驗(yàn)證電池包的生產(chǎn)裝配是否可以達(dá)到出貨要求。