動力電池包系統(tǒng)在純電動汽車上的應用

劉 寧，王家雁，吳明瞭，吳 志

（東風汽車股份有限公司 商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

動力電池包系統(tǒng)在純電動汽車上的應用

劉 寧，王家雁，吳明瞭，吳 志

Liu Ning, Wang Jiayan, Wu Mingliao, Wu Zhi

（東風汽車股份有限公司 商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

隨著純電動汽車近年來的快速發(fā)展，動力電池包系統(tǒng)作為汽車上全部能源的供給裝置，其在純電動汽車上的應用顯得格外重要。文中圍繞動力電池包系統(tǒng)的構成、安全防護、功能要求和技術難點分析，結合一款純電動汽車的開發(fā)，對動力電池包系統(tǒng)的設計及應用進行了闡述和研究。

動力電池包；電池管理；安全防護；熱管理；一致性

0 引 言

新能源汽車屬于國家中長期發(fā)展規(guī)劃中重點支持和發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。動力電池包系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是新能源汽車技術和成本上的最大瓶頸，是產(chǎn)業(yè)鏈中最核心的一環(huán)，其發(fā)展將直接影響到電動汽車的產(chǎn)業(yè)化進程。電動汽車對動力電池包系統(tǒng)的要求主要包括安全性、能量密度、一致性、低成本等。動力電池包系統(tǒng)的設計也是一個集電子技術、控制技術、材料科學、工藝過程控制、汽車技術等為一體的綜合科學技術，是一個系統(tǒng)工程。

文中將通過動力電池包系統(tǒng)的設計和研究，介紹系統(tǒng)的構成、功能與設計以及研究應用成果。并結合一款純電動微型客車用動力電池包系統(tǒng)進行闡述和說明。

1 動力電池包系統(tǒng)構成和要求

1.1 構成

動力電池包系統(tǒng)指用來給動力電路提供能量的電池包和相關附件的總稱。它主要包括電池模組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、熱管理系統(tǒng)、電氣及機械連接件、電池包外箱等部件。

1.2 要求

對于動力電池包系統(tǒng)來說，整車的設計、控制策略、部件的匹配、管理系統(tǒng)的功能等都影響到電池的應用狀況和性能。因此在進行匹配的選擇時，應考慮整個系統(tǒng)的性能和特征。

1.2.1 通用性要求

安全性好、高比能量、高比功率、溫度適應性好、長壽命、安裝維護性強、綜合成本低。

1.2.2 表征電池包系統(tǒng)的基本參數(shù)

物理參數(shù)：電池包系統(tǒng)的構成、尺寸、質(zhì)量；

電性能參數(shù)：容量、能量、SOC（荷電狀態(tài)）、電壓、功率、內(nèi)阻、能量效率、自放電、壽命；

環(huán)境參數(shù)：工作溫度范圍、低溫啟動、儲存溫度范圍；

安全性參數(shù)：絕緣電阻、防護等級；一致性：容量差別、內(nèi)阻差別、電壓差別；管理系統(tǒng)參數(shù)：電壓/電流/溫度檢測精度、管理與控制功能。

1.3 純電動微型客車對電池包系統(tǒng)的要求

該款車型作為純電動車型，在安全性、動力性和可靠性方面的要求不低于傳統(tǒng)車，該款車型可利用空間有限，因此要求動力電池包系統(tǒng)要有較小的體積和重量，由于純電動車對比功率性能要求并不高，但要求具有較高的比能量以及較長的循環(huán)壽命和可靠性。目前鋰離子電池的比能量最高可達200Wh/kg性能穩(wěn)定，循環(huán)壽命長，技術也相對比較成熟，應用廣泛，在純電動車領域具有優(yōu)勢，該車采用鋰離子電池作為電源。

2 動力電池包系統(tǒng)的設計

2.1 設計思路

動力電池包系統(tǒng)的設計一般按以下步驟設計：

確定整車設計要求→確定車輛的功率要求→確定電壓范圍→確定所需電池類型→確定能量→確定組合結構形式→確定BMS要求→熱管理系統(tǒng)設計→確定接口→仿真模擬驗證。

2.2 整車設計要求

根據(jù)汽車動力性計算，該款車型選用驅(qū)動電機的額定功率為16 kW，峰值功率30 kW。根據(jù)選型電機情況以及國家標準所推薦的電壓等級序列，確定DC336V電壓等級作為電池包系統(tǒng)額定輸出電壓。

2.3 電池組設計

2.3.1 電池類型

如前所述，根據(jù)純電動車的使用特點，選取鋰離子電池組作為電池的類型，本車型采用的磷酸鐵鋰電池，單體額定電壓為3.2 V，因此采用105串結構，由于單體電壓范圍一般為2.5～3.65 V，電池組的總輸出電壓為DC263～383 V。

2.3.2 電池包能量確定

先計算電池包系統(tǒng)的最大輸出功率和電流能力。電機的峰值功率為 30 kW，電機和控制器的轉(zhuǎn)換效率分別采用0.9和0.95，電子附件、空調(diào)等功率大約5 kW，則最大功率為

額定電壓為DC336V，由于大功率輸出時電壓下降較快，以90%取值要求輸出的最大電流為：

該純電動車能量消耗率為0.16 kWh/km，續(xù)駛里程160 km，則

電池包系統(tǒng)能量=0.16×160=25.6 kWh

電池包系統(tǒng)容量=25.6 kWh/336 V=76 Ah

通過以上初步計算，以及對市場成熟電池模塊總成的了解，選取了75 Ah的磷酸鐵鋰電池模塊總成，該總成已通過國家201所的各項強檢試驗，每個模塊由6個12.5 Ah電芯并聯(lián)而成，結構示意如圖1所示。由于已經(jīng)考慮了峰值功率情況，應該來說冗余值還是足夠的。峰值電流為132/75=1.7 C，電池包的放電能力能夠滿足車輛要求。

該電池包的電池組成結構由105只容量75Ah的磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)而成。

該純電動車的電機功率16 kW，峰值功率30 kW。標稱電壓DC336V，加上其他輔助系統(tǒng)工作電流，電池包系統(tǒng)的峰值電流大約在100A左右。該電池包的容量75Ah，其放電瞬時倍率約1.5C，正常使用電流0.6 C。

2.4 電池管理系統(tǒng)設計

電池管理系統(tǒng)（BMS）保證動力電池包系統(tǒng)安全可靠的工作，它是整車控制策略中重要的組成部分。一般來說，電池管理系統(tǒng)的基本功能包括電池狀態(tài)檢測、電池優(yōu)化控制和電池信息交互。

2.4.1 本系統(tǒng)BMS功能設計

根據(jù)整車功能的要求，結合國際電動學會制定的電池管理系統(tǒng)標準，在該系統(tǒng)中設定動力電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能如下：

電壓檢測：單體電壓測量。電池巡檢周期達到 30 ms，精度 0.3%FSR；且靜態(tài)電流不超過50uA。

溫度采集：采集電池溫度。溫度測量范圍：-40℃～125℃，誤差為≤±1℃。

電流檢測：電流測量。電流檢測的精度達到1%FSR。

絕緣檢測：按照國家電動汽車相關標準進行絕緣狀態(tài)檢測。

SOC估算：實時計算電池組SOC以及電池組可提供的瞬時充放電功率（電流）。使用安時積分法估算電池組 SOC，在試驗數(shù)據(jù)的基礎上對不同區(qū)段的 SOC積分值進行修正，得到較為精確的SOC估算值。SOC測量誤差≤8%。

CAN通訊：共3路CAN通訊，一路保持與整車的通信，根據(jù)整車制定的CAN協(xié)議，通過高速CAN向整車實時提供電池工作狀態(tài)；一路為充電控制CAN；還有一路為內(nèi)部檢測CAN。

放電均衡功能：按照協(xié)定的均衡管理控制策略對電芯進行均衡管理，減少電池在使用過程的不一致性，提高整組電池的使用性能。

系統(tǒng)自檢功能：系統(tǒng)上電后對電壓、溫度、通訊、存儲器等部件進行檢測。

系統(tǒng)檢測功能—電池管理系統(tǒng)對整車電池的離散性進行分析，并根據(jù)不同故障類型進行報警，同時對電池充放電次數(shù)以及歷史數(shù)據(jù)進行記錄。

熱管理：最高溫度＞36℃ 或箱內(nèi)最高溫度-箱內(nèi)最低溫度＞5℃，風扇開啟；最高溫度＜32 ℃且箱內(nèi)最高溫度-箱內(nèi)最低溫度＜3℃，風扇關閉。

充電管理—對電池與充電機之間的充電過程進行管理。

2.4.2 系統(tǒng)故障報警策略

該動力電池包系統(tǒng)設置了 2級故障報警，一級故障為一般故障，BMS會請求降低用電系統(tǒng)功率，減小電池輸出電流；二級為嚴重故障，BMS將通過 CAN總線向整車控制器發(fā)送斷高壓電請求，系統(tǒng)在排除故障后自動恢復。

2.5 熱管理系統(tǒng)設計

動力電池包總成需要進行熱管理設計，使所有電池芯溫度保持在允許和最優(yōu)的工作范圍之內(nèi)。

2.5.1 高溫影響

電池組中有電解液、電極、隔板等各種材料，高溫會加速它們的老化速率。

2.5.2 低溫影響

低溫會使電池活性物質(zhì)降低活性，影響電池實際容量，且溫度越低，電池內(nèi)阻越大。不同溫度環(huán)境下電池的內(nèi)阻和 SOC變化曲線如圖 2所示。

2.5.3 溫差影響

溫差較大時，高溫部分的老化速率會明顯快于低溫部分，隨時間不同電池之間的物性差異將越加明顯，從而破壞了電池組的一致性，最終使整組電池提前失效。

2.5.4 系統(tǒng)熱管理方案

熱管理系統(tǒng)采用空氣調(diào)節(jié)的方式進行加熱和冷卻管理，通過風道設計來調(diào)節(jié)溫差的不均。空氣的來源是駕駛室內(nèi)的空調(diào)風，內(nèi)部通風結構及布局如圖3所示。

對此結構進行了流場分析，通過模擬，左側(cè)入風口平均風速為1.71 m/s，右側(cè)為1.70 m/s；通過對電池框3個方向（X、Y和 Z）系列截面的速度標量統(tǒng)計分析，在電池框內(nèi)部大部分風量是繞過電池組中間從兩側(cè)流過，導致中部風量偏小，速度場的均勻性不是很理想，此處尚需繼續(xù)優(yōu)化。

2.6 機械單元設計

2.6.1 電池包系統(tǒng)的整車布置

動力電池總成在整車上的位置，經(jīng)過3D數(shù)模分析和布置后，裝配在承載式車身底盤的下部，與地面間預留必要的間隙空間，并考慮裝配和維修的方便性。

動力電池包總成的外部組成結構如圖4所示。

動力電池包總成與整車的連接方式，則采用6個M12×40的六角法蘭螺栓（強度等級為12.9級）與車架進行連接，車架上焊接有6個M12螺母。

2.6.2 外箱設計

電池外箱體總成經(jīng)過CAE強度分析及質(zhì)量校核后，在鋼材和鋁合金型材之間最終采用鋁合金材料（包括板材和型材）通過焊接而成。鋁合金板材的種類為 5052H32，型材的種類為 6061 T6和6082 T5。

電池外箱的結構如圖5所示。

經(jīng)對結構和材料進行CAE強度分析，該鋁電池框各部件最大應力均不大于其材料屈服極限，滿足強度要求。

2.6.3 內(nèi)部結構

在外部空間確定后，電池包內(nèi)部將進行電池模塊總成的分布布置，盡量將內(nèi)部空間利用率達到最優(yōu)。

動力電池包的內(nèi)部組成結構如圖6所示。

2.7 系統(tǒng)匹配設計

2.7.1 電氣連接設計

該車型動力電池包系統(tǒng)的電氣連接如圖7所示。

外部接口（包括動力接口和通訊接口）如圖8所示。

2.7.2 高壓安全設計

高壓線路上配置了手動維修開關，自動斷路器、動力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個箱體內(nèi)采用電木和環(huán)氧板進行高壓電絕緣；箱體外部與車底盤可靠連接；電池管理系統(tǒng)對系統(tǒng)絕緣電阻實施監(jiān)控。

2.8 模擬仿真測試

設計完成后，制作好的電池包系統(tǒng)必須經(jīng)過臺架性能測試，驗證是否符合設計要求，再經(jīng)過裝車試驗，對系統(tǒng)進行改進和完善。

3 動力電池包系統(tǒng)的檢測與評價

目前國際國內(nèi)相繼制訂了動力電池包系統(tǒng)的相關標準和評價方法，主要是針對電池或管理系統(tǒng)的，對整個系統(tǒng)尚沒有明確的標準。但是關于動力電池包系統(tǒng)的檢測與評價對整車的應用來說至關重要，對各項現(xiàn)有標準作了很多分析工作，制定出適合本公司車型平臺應用的相關評價標準。

經(jīng)過本公司評價標準的各項試驗驗證，該動力電池包系統(tǒng)的性能基本符合設計要求。

4 結 論

就目前新能源車的發(fā)展現(xiàn)狀來看，對動力電池包系統(tǒng)的成熟應用還需要一個長期的研究過程，需要電池技術、電控技術、系統(tǒng)集成技術、結構技術和熱能分析技術的全面發(fā)展來進行配合，需要相關各行業(yè)的技術人員付出辛苦的努力，通力合作來完成，更需要整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)的實質(zhì)性發(fā)展來支撐。這是一門涉及面廣、專業(yè)知識縱深度強的領域，相信靠大家點滴的積累和努力，一定能將電池包系統(tǒng)發(fā)揮最大的效益，更好地應用于純電動汽車。

[1] 李相哲，蘇芳，林道勇. 電動汽車動力電源系統(tǒng)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2011：223-307.

[2] GB/T 743-2006 電動汽車用鋰離子蓄電池[S].

U469.72+2.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.06.007

2014-06-27

1002-4581（2014）06-0030-04