電動汽車可拓展的高壓電池包研究

劉陽勇

摘要：隨著國內新能源汽車技術的發展，以及國家對新能源汽車在政策方面的支持，國內新能源汽車的產銷量呈現逐年增加的趨勢。據中國汽車工業協會統計數據顯示，2020年我國新能源汽車產銷達到了136.6萬輛和136.7萬輛，同比增長7.5%和10.9%。在新能源汽車產品中，純電動汽車和插電式混合動力汽車產銷均呈現增長趨勢。隨著新能源汽車技術的發展和變革，除了影響新能源汽車在銷量方面的增長，也使得新能源汽車的產品種類也越來越多。這使得普通大眾對新能源汽車的認識存在一定的難度。因此，本文作者從新能源汽車的概念出發，一方面介紹不同類型的新能源汽車;另一方面，針對不同類型的新能源汽車的工作原理和結構特點進行說明。

關鍵詞：電動汽車;可拓展高壓電池包;布置位置

引言

近年來環境污染愈發劇烈，能源問題愈發嚴重，傳統燃油汽車的發展逐漸受限。為保證交通運輸能力、改善環境能源，大力發展高效無污染、使用便捷的電動汽車成為有效措施之一。電池包作為電動汽車的唯一動力源，是電動汽車的核心，在其整體的能量密度無法提升的前提下，大多電動車研發公司通過增加電池單體的數量來提高電動車的續航時間和性能，但導致電池包質量增大，動力性不能大幅提高。為改善汽車動力性及安全性，整體結構的輕量化優化改進及新型材料的生產逐漸成為主要研究方向。動力電池包作為電動汽車的核心部件之一，其質量占整車質量的20%～30%，優化車載動力電池包結構是實現電池包輕量化的重要途徑之一。

1汽車低壓蓄電池技術發展歷程

20世紀70年代左右，車用電氣系統進行了一次大規模升級，形成了目前較為普遍的12V系統。20世紀90年代，美國曾試圖主導新一次電氣系統升級，推動42V系統應用。受限于當時的技術水平，這次升級以失敗告終。近年來，由于各種大功率電子器件不斷集成，節能減排技術不斷更新，出現了48V弱混合動力性汽車。目前，主流的純電動汽車低壓系統依然沿用12V鉛酸電池的方案。電動汽車的大功率用電器可從動力電池中取電，而低壓用電系統通常使用動力電池經過DCDC轉換后間接驅動動力電池中的能量。

2動力電池包發展現狀

目前汽車市場上成熟的純電動車型（BEV）均通過固定在車身上的高壓電池包進行能量供給，電池的電量通過高壓充電口外界獲得，如別克微藍、特斯拉Model3等。單體電池無論是從容量還是電壓方面來說，都不能滿足電動汽車對動力源的需求，為了達到電動汽車的使用要求，需要將單體電池進行串聯或者并聯，組成大容量、高電壓的電池包。電池包內單體電池串并聯方式及電池個數的不同，都會導致電池包容量、電壓也不同。通常，由于受限于電池電量密度和車型空間結構，一定體積的電池包內的電量是有限的。補充電量所需的時間較長，而且外界的充電設施分布不均、數量不足，當電池缺電時，普遍缺乏快速補充電量的方法。為了克服車主的里程焦慮，各大整車企業都提出了提升BEV車型續航里程的解決方案。

3可拓展高壓電池包的創新點

3.1材料輕量化

輕量化材料指的是低密度、高強度，在整車上應用后可提升單位面積承載重量的材料，最常用的有高強度鋼、鎂合金、鋁合金及碳纖維等。箱體上蓋不承受側面及底面的沖擊，也不支撐整個電池組的質量，僅僅是密封作用，若下箱體有足夠的剛強度，上蓋可采用PP基材增強塑料，選用3mm厚的PP玻纖增強復合材料來代替1mm厚的沖壓鋼板，降重可達50%。例如全鋁車身的奇瑞EQ1電池箱體上蓋采用了PP+LGF材料進行減重。湖北汽車工業學院的康元春等人采用碳纖維材料對動力電池箱體進行鋪層設計，最終得到的碳纖維電池箱體質量減重52.17%，且其靜、動態性能均滿足設計要求。等采用RBDO方法對電池箱體碳纖維上蓋進行模擬研究，其結果表明碳纖維增強復合材料上蓋相較于Carbon-SMC材料上蓋再次減重4.924Kg，降重比達到22.14%。

3.2可拓展高壓電池包的創新點

（1）一個小型的快速插接高壓電池包，相當于汽車的“充電寶”。本電池包內含6個電池模組，采用獨立高壓電池管理系統（BMS），通過上下鋁制殼體進行電池保護，同時完成電池包的輕量化目標。（2）本高壓電池包布置于行李箱內部，并且對于車身結構的改動較小，可以有效縮短開發周期。（3）本高壓電池包可應用于所有的BEV車型，技術方案的車型可拓

展性強。（4）車主在不需要專業人員幫助的情況下，就能自行完成快速更換該可拓展高壓電池包。

3.3底盤和電池包箱體的集成化

動力電池箱體與底盤安裝位置形成了結構重合區域，是動力電池增重的主要原因之一，因此底盤和動力電池包箱體協同優化設計對電動汽車輕量化開發具有重要意義。寧德時代在公司技術路線規劃中指出：在動力電池電芯能量密度沒有技術性突破的情況下，電池包的能量密度在2022～2023年要達到230～260W.h/Kg，需要與整車廠協同開發底盤與電池包高度集成的新電池箱體構件。美國能源局聯合Stanford大學，進行了純電動汽車底盤—動力電池的研究項目，將電池箱體與底盤集成一體，將電動汽車整車質量降低40%以上，并優化了底盤及相關部件的結構。

3.4合車

目前國內有兩種主流合車工藝：動態式連續合車和靜態啟停式合車。文中介紹的自動合車屬于后者，整體式合裝自動化程度較高，裝配質量更多靠設備來保證，故其對車身、零部件、托盤等精度的要求較高。合車是通過底層設備與吊具的串聯來實現車身孔與托盤銷之間的連接，從而實現電池包與車身的結合。由于該尺寸鏈較長，最終的累積偏差需通過托盤浮動吸收，一般該浮動量設置為單邊5mm。該浮動量可通過三維仿真軟件核算，建議運行次數設置為10000次或以上，以得到的最大偏差值作為評價依據，從而對各工裝設備的公差及過程配合的孔銷浮動量進行適當的優化調整，直至滿足合車需求。

3.5能源管理策略

在車輛行駛的過程中，低壓蓄電池處于放電狀態，且功率相對于動力電池而言更穩定，偶爾出現600W左右的負載。如果電池儲能3.11kWh，則峰值功率也不超過0.25C。因此可以選擇梯次利用電池或者其他高密度低成本鋰電池。在車輛給動力電池充電的同時，通過DCDC為該小電池補電。因此，該方案不能直接降低整車電網端能量消耗率。鋰電池的單體特性區間通常是3.0～4.2V，4個電芯串聯可到達12～16.8V。因低壓系統正常工作電壓一般都設計在9～16V，且梯次利用電池剩余電量及壽命、安全等問題，單體電壓使用范圍為3～4V。

結束語

近些年，隨著一批造車新勢力的加入，不僅推動了國內新能源汽車產品的高端化，更是積極地推進了我國的新能源汽車在智能化和網聯化方面的發展。相信隨著國內新能源汽車市場的不斷擴大，以及國家對新能源汽車產業的持續支持，我國針對新能源汽車的生產制造，不僅在產品種類方面會更加的多元化，而且在技術方面也會越來越領先于傳統的老牌汽車生產強國。

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