純電動汽車動力電池系統對標技術研究*

辛明華 郭艷萍 竇汝振 茍毅彤

（天津清源電動車輛有限責任公司）

伴隨著節能減排、技術進步、產業升級等多方面要求，以及國家政策的扶持和推廣，純電動汽車已逐步滲透到社會的各個角落，公交車、出租車、物流車、私家車及租賃車等隨處可見，但由于其發展歷程較短，產品亟待廣泛驗證，技術亟待迅速提升。動力電池作為純電動汽車的唯一高能量載體，其技術水平、可靠性及安全性在很大程度上決定了整車的技術狀態和水平，因此加快動力電池的技術水平提升非常必要。產品對標作為技術提升和了解行業技術發展水平的重要手段之一，將其與動力電池系統的研究相結合，系統全面地對標國內外電池系統是文章研究的重點。

1 汽車產品對標方法流程

對標方法是建立一套發現自己缺點、找到別人優點的方法體系和指標體系，并不斷完善這套體系，使之成為行動指南[1]。汽車產品在自主研發時，需要參考市場上比較成熟、具有一定競爭力的產品，通過對該產品的拆解、分析，得出對標產品的優勢和劣勢。通過對對標產品的研究，可以為自主產品在研發過程中提供參考和數據依據，確保開發的產品具有競爭力。汽車產品的一般對標流程為：對標產品資料搜集→系統/部件級測試→系統/部件拆解→庫存管理→對標數據庫建立。

動力電池作為純電動汽車的能量載體，在設計過程中力爭實現高能量密度、良好的環境適應性、安全可靠、使用壽命長且成本低。因此在對標分析過程中應從這些需求入手，找出實現方法和要達到的水平，基于此，文章介紹了電池系統對標測試和對標拆解方法。

2 電池系統對標測試

電池系統測試一般在整車上進行，主要用來考察電池系統性能、熱管理性能和SOC（荷電狀態）估算精度等。1）電池系統性能是系統設計結果的直接表現，從測試結果可以看出電池單體集成后整體性能是否衰減，用來判別系統集成技術的優劣。2）為了延長動力電池的壽命、提高電池系統的安全性，電池系統設計中都采用了不同程度的熱管理設計。按照換熱介質分類，熱管理可分為液體換熱和氣體換熱2種方式；按照熱管理方式分類，可分為強制換熱和自然換熱。熱管理效果的優劣直接影響電池的使用安全和壽命。3）SOC是評價電池系統設計的重要指標之一，高精度的SOC估算可以使整車更加合理充分地利用車上有限的電能。

在對標測試中，測試工況和測試項目設計應考慮同時兼顧以上3個方面的對標需求。

2.1 測試工況設計

測試工況一般選擇典型工況或者依據電池狀態設計工況。典型工況包括標準工況和極限工況。標準工況一般為穩態工況和瞬態工況同時選擇，比如勻速工況、NEDC工況、FTP75工況及W LTC工況等，利用標準工況進行整車續駛里程測試；極限工況按照整車模式可以選擇極限加速、極限減速及持續最高車速等。依據電池狀態，可以在不同SOC下，如10%，20%，30%，40%……，設置相同的依次變化的踏板開度進行測試。條件允許時，在高溫和低溫下重復以上工況。

2.2 測試項目設計

動力電池系統測試項目，如表1所示。電池性能測試是根據不同工況分別測試電池系統的容量、峰值放電能力、持續放電能力及充電能力；熱管理測試是在整車續駛里程工況測試過程中，記錄電池包內最高溫度、最低溫度和每個電池單體溫度，測試結束后，分析數據，觀察電池的最高和最低溫度是否在電池的理想工作溫度范圍內，用每個電池單體的最大溫差來考察電池熱管理系統的工作效果；SOC估算精度測試是在整車續駛里程工況測試過程中，記錄電池管理系統上報的SOC，分析整個測試工況SOC的變化來檢測SOC估算的精確度。

表1 動力電池系統測試項目

3 電池系統對標拆解

電池系統拆解用于分析對標電池的機械結構設計、電氣設計及熱管理設計。

3.1 機械結構設計對標

機械結構設計對標主要包括電池箱體對標和模塊設計對標兩部分。1）箱體對標分析包括箱體結構分析、箱體與外部緊固連接方式分析、箱體的材料成分分析、電池箱內高低壓電氣部件排布和安裝方式分析及熱管理部件的布置分析等。2）模塊設計對標分析包括模塊固定結構分析、安裝方式分析、支架材料分析及絕緣材料組分分析。

通過對標逆向設計出箱體及內部部件的爆炸圖，還原箱體結構設計，分析箱體結構設計特點。對于關鍵受力部分或剛度薄弱部分，進行強度和剛度分析。

3.2 電氣系統設計對標

電氣系統包括高壓電路、采樣均衡電路及低壓供電電路。首先，分析電氣系統采用的部件，比如接觸器、預充電電阻、電流傳感器/分流器、保險絲、手動維修開關及高低壓接插件等。記錄這些部件的規格型號，查找技術參數。其次，分析各部分電路選用的線纜規格、電池單體的連接方式、匯流排的形式及過電流能力，繪制線束圖，分析電池系統工作時電流方向和線纜電流通過能力。最后，繪制出電氣原理圖和線束圖，分析電氣設計特點。

3.3 熱管理系統拆解分析

電池的熱管理系統拆解分為電池系統熱管理拆解和電池模組熱管理拆解。系統層級需要拆解換熱系統與外部系統的連接接口、換熱管路的形狀及布置形式；模組層級需要注意模組的熱管理接口、導熱材料、換熱管路形狀及布置形式等。

4 對標數據庫建立

整車對標知識庫的數據一般以結構圖、特征信息、圖片及圖表清單等形式來表示，這種對標數據表示形式是當前十分主流的表示形式，其優點是使用方便、操作簡單、便于檢索與存儲、數據形式直觀高效及適用范圍廣等。國外汽車企業的開發知識庫也采取了上述形式存儲數據[2]。測試與拆解完成后，按照測試數據、測試報告、逆向數據及分析報告等類別規劃建立電池系統數據庫，便于對標成果的積累和使用。

5 結論

電池系統對標是一個系統工程，文章介紹了汽車產品對標的流程，并結合電池系統設計要點給出了機械設計、電氣設計及熱管理設計的對標分析項目，形成了純電動汽車電池系統對標研究體系。該體系有助于快速積累產品開發經驗，對于電池系統新產品設計開發和先進樣品對標分析具有一定的指導意義。