純電動轎車用鋰離子電池系統技術研究

王若飛

【摘 要】以某款純電動轎車為研究對象，研究了電池包與整車的匹配集成及電池系統內部布置集成、設計了電池系統的熱管理控制策略、開發了電池系統安全技術，并利用CFD對電池系統溫升進行了分析設計，研究結果表明，電池系統本部布置合理，電池系統安全性高，系統冷卻及控制系統合理。

【關鍵詞】電動轎車；熱管理；優化；安全；鋰離子電池

【Abstract】In a pure electric cars as the research object， the research of battery pack and vehicle matching integration， integration and battery system interior layout design the battery thermal management of system control strategy， developed a battery system security technology， and by using CFD analyses the temperature rise of the battery system design， the results show that the battery system based layout reasonable， battery system has high security， cooling system and control system is reasonable.

【Key words】All-electric car；BTMS；Optimize；Safety；Lithium ion battery

0 引言

出于能源和環境的考慮，電動汽車在各國政府和汽車制造商的共同推動下取得了快速的發展。純電動汽車因能真正的實現“零排放”而成為電動汽車的重要發展方向之一。鋰離子電池以其能量密度大、電壓平臺高等優良的性能成為純電動汽車的理想動力源。然而，鋰離子電池的抗濫用能力較差。鋰離子電池，特別是成組鋰離子電池的的安全性和長壽命成為鋰離子電池使用管理中急需解決的問題。針對目前鋰電池管理中存在的問題，本論文對純電動汽車用鋰電池系統安全性、熱管理、電池管理系統等方面的開發進行了研究。

1 電池系統布置方案

本文研究電池系統采用鋰離子材料，電池系統標稱電壓336V，標稱容量60Ah（25℃@1/3C），系統內從控盒9個，主控盒1個，電池單體電芯3.2V。電池包固定在車身底盤下，利用前后兩個定位銷定位，8個螺栓固定。

電池系統內部將電池模組、主控盒、從控盒、高壓安全模塊、熱管理模塊等部件集成在一起。采用前置35個20pin2S模組和后置9個20pin4S模組，每12串模組采用一個從控盒（見圖1）。每個從控盒負責采集電壓、溫度的采集和均衡。箱體底層和側面鋪設formex阻燃紙進行加強絕緣。

2 電池系統模塊化研究

將2個電池連接在一起組成一個標準的模塊（見圖2），再由這些標準模塊組成整包。采用模塊化設計利于實現電池模組的大規劃生產，降低電池包的成本，便于維修和更換。模組銅片的承載電流能力按照2C設計，并且采用激光焊已達到最可靠的接觸，無外露電極，安全性高，采用短螺釘緊固，電芯正方形排布，便于布置，增大電芯間的風道截面積，利于散熱。

實現電池模塊標準化后，不同車型電池組包可根據需要將幾個標準模塊進行串聯、并聯，達到不同車輛設計的要求，大大有利于電池實現規?；a，大幅度降低電池的成本。同時也便利電池的維修、更換、租賃和回收處理，降低了整個價值鏈的費用。

3 電池熱管理系統設計

電池熱管理系統由加熱膜加熱系統和強制風冷散熱系統構成。熱系統由加熱膜、繼電器、10A保險、線纜等部分組成。采用耐高溫、高導熱、絕緣性能佳、強度好的材料以及金屬發熱膜電路集合而成的軟性電加熱膜元件與動力電池貼合在一起，通過給加熱膜通電使加熱膜發熱，將熱量傳遞給電池。加熱膜由車載充電器提供電源。強制風冷散熱系統由進風道、模組風道、風扇、出風道等組成。風冷散熱系統直接將電池內部的熱空氣排出車體，風冷散熱方式具有結構簡單、零部件數量少、成本低等優點而被廣泛用于電池熱管理設計中。當然在設計過程中需要考慮到模塊的布置和散熱。

加熱回路，在電池溫度過低的情況下采用加熱膜給電池加熱；散熱回路，在電池溫度過高的情況下采用強制風冷給電池散熱（見圖3、4）：

本文基于物理模型，對電池包進行了CFD分析，采用的電芯密度 2261kg/m3，比熱1014J/kg·K，導熱系數0.88w/m·K，等效內阻0.030 Ω。入口選用風機AD 1212HB-A71GL ，速度入口6.518m/s，出口：outflow，壁面無滑移絕熱壁面，電芯體積熱源為10054 w/m3，所用計算模型為流固耦合模型、標準模型、P-1輻射模型 。電池包CFD分析結果（見圖5、6）。

根據以上分析，模組整體溫度最高上升13℃，電芯間最大溫差大約為10℃ ，電芯間溫差符合要求，熱管理滿足相應條件。

針對熱管理系統，在常溫環境充放電測試，測試結果如表1：

在臺架及整車上測試電池包的加熱效果，結論如下：低溫下加熱系統的加熱速率≥0.32℃/min（即溫升25℃約需78min）且加熱結束時電池包溫差≤9℃，滿足設計目標要求；通過-20℃下加熱至5℃與常溫，低溫以及5℃的放電容量對比，通過加熱膜加熱后放電能力已超過常溫下的86%，證明加熱是有效的，同時可以確定加熱至5℃時，電池內外溫度基本平衡。同時加熱是有效的，大大促進低溫的放電容量；從兩次從-20℃加熱至5℃加熱的時間來看，約69min，滿足目標加熱時間90min。

4 電池系統安全設計

車輛在使用和維修過程中，由于外部因素（涉水、暴雨工況，碰撞、翻車事故，維修操作不當等）和高壓部件故障或老化原因可能會導致高壓系統短路、漏電、燃燒和爆炸等安全問題。電池系統的安全性設計主要從碰撞安全、絕緣安全和密封安全等方面考慮。

4.1 碰撞安全設計

4.1.1 安全控制設計

當車輛發生碰撞時，對于純電動汽車來說，除了傳統汽車的相關保護需求之外，還應當滿足以下要求：碰撞過程中避免乘員和行人遭受觸電風險，在保證人員安全的情況下盡量保護關鍵零部件不受損害；碰撞后保證維護和救援人員沒有觸電風險。為此設計碰撞高壓安全保護系統：將慣性開關串聯到高壓接觸器的供電回路中，當發生碰撞時慣性開關斷開，切斷高壓接觸器的供電電源，此時動力蓄電池的高壓輸出便會被斷開，保證了乘員、行人、維護和救援人員的高壓安全。

4.1.2 安全結構設計

（1）電池包支架的材料使用高強度鋼，提高電池包的抗碰撞能力；

（2）優化電池包結構，提高其剛度和強度；

（3）電池包殼體和電池模組之間留有足夠間隙，用于發生碰撞時用于吸收能量，避免對電池的傷害。

4.1.3 碰撞分析模擬和仿真

通過軟件的分析模擬和仿真（見圖7），驗證殼體和支架的強度是否滿足碰撞的需求，并根據分析結果進行相關修改。

4.2 絕緣安全性設計

絕緣電阻檢測系統：為保證人員免遭觸電風險，高壓系統應當設計絕緣電阻檢測系統，若絕緣電阻值過?。蓞⒄誈B/T18384），整車控制器應當發送主接觸器斷開指令。原理（見圖8）：BMS將一交流電壓信號通過隔離電容注入到電池包的負極端，高壓絕緣等效阻抗（含容抗）變化時交流信號的幅值將隨之發生變化，BMS采樣該交流信號的電壓幅值并將其轉變為直流電壓信號與比較器相比較，通過設定電壓閾值來調整絕緣電阻檢測報警值。

4.3 密封安全性設計

1）密封結構設計：電池包上下殼體采用整體沖壓成型，若局部位置無法整體沖壓成型，需要先分段沖壓成型后焊接而成，焊接部位需打密封膠進行密封。電池包上下殼體通過設計法蘭面來密封。

2）密封材料的設計：上下殼體法蘭面之間增加密封材料。

3）防水電器件的設計：電池包殼體上面安裝的電器件，均需選用防水器件，并在安裝時，進行防水處理。

5 電池管理系統設計

BMS控制器對電池單體電壓、溫度、充放電電流、電池輸出高壓、整車系統絕緣電阻的測量，具備SOC、SOH估算、OBD故障診斷功能，且具有掉電數據保存功能，滿足電池包風冷、水冷兩種熱管理系統需求。

5.1 BMB模塊開發

電源管理模塊：提供整個系統電源，具備整車12V供電電源的檢測、單片機工作5V供電電源檢測、看門狗功能、過溫和短路保護功能。

時鐘和外部EEPROM模塊：提供整個系統的實時時鐘和關鍵數據掉電保存。

PWM控制與反饋模塊：對熱管理系統中風扇進行控制和風扇故障信號的診斷。

模擬信號采樣模塊：對系統中模擬信號進行檢測，如：熱管理系統中出水口溫度、進水口溫度、出風口溫度、進水口溫度等。

數字信號采樣模塊：對系統中數字信號進行檢測，如：高低電平信號。

接觸器控制與診斷模塊：對整個系統接觸器進行控制，同時對各接觸器狀態進行診斷。

CAN模塊：CAN模塊分為三部分，整車CAN模塊、內部CAN模塊、快充CAN模塊，整車CAN模塊用于BMS系統與整車CAN系統連接。內部CAN模塊為BMB與BMU、HVMU和絕緣模塊通訊鏈路?？斐銫AN模塊用與BMS系統與快充設備的CAN系統的連。

5.2 IMU開發

IMU（Isolation Measurement unit）絕緣采樣單元以飛思卡爾8位單片機DZ60作為主控芯片，以主控芯片內部AD模塊為采樣單元，通過對相關信號的采樣計算電動汽車動力電池正負極和車殼之間絕緣電阻的一項技術。通過MCU控制信號發生電路產生一個正負對稱的矩形波，此矩形波通過車殼與絕緣電阻以及高壓系統進行連接，產生信號，此信號通過絕緣模塊內部的限流電阻進入絕緣監測模塊內部，MCU對取樣電阻上面電壓信號進行采樣，對采樣的數值通過相應的公式進行計算就可以得到絕緣電阻的阻值。此方案與其他現有絕緣監測的技術相比具有可靠性高，精度高，采樣范圍寬等優點，但是其本身的采樣時間與Y電容大小以及動力電池點波動大小相關。

5.3 單體電池采樣單元開發

BMU（Battery Measurement unit）模塊具有電池組電壓采集、電池組溫度采集、電池組單節電池均衡，擴展可以實現硬件電壓監控、硬件溫度監控。模塊支持6至12節電池電壓采集、模塊最多支持6節電池溫度采集、模塊支持6至12節電池均衡。模塊硬件可以實現過高溫監控、過壓監控、欠壓監控。模塊與主控模塊通訊方式采用CAN通訊模式。模塊采用車輛低壓供電系統電源供電，車輛充電、放電兩種模式時可正常工作，靜態功耗符合整車系統要求。

分布式PBMU系統可分為五個模塊，供電電源模塊、采集均衡模塊、硬件監控模塊、CAN通信模塊與CPU 模塊。供電電源模塊將外部系統提供12V 電源轉換為5V電源供CPU模塊與CAN通信模塊工作使用；采集模塊采用芯片集中采集方式采集電池信號，采集芯片通過隔離芯片接收CPU 指令并將采集電壓信號、溫度信號、均衡信號等通過隔離芯片發送予CPU ，采集芯片采用ADI公司型號為AD7280 芯片； 硬件監控模塊通過采集電池組電壓信號、電池組溫度信號，根據信號的采集來判斷電池組電壓與溫度的狀態，并且向CPU模塊發送狀態與報警；CPU采用飛思卡爾8位 CPU MC9S08DZ60，模塊晶振頻率采用10MHz。

開發的BMS系統達到以下性能指標：

6 結論

本文研究電池包與整車的匹配集成及電池系統內部布置集成、設計了電池系統的熱管理控制策略、開發了電池系統安全技術，并利用CFD對電池系統溫升進行了分析設計，研究結果表明，電池系統本部布置合理，電池系統安全性高，系統冷卻及控制系統合理，并且已經在奇瑞A16EV車型上進行了搭載。

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[責任編輯：薛俊歌]