純電動汽車電池系統的設計

胡巧聲，宋 偉，楊佼源

（1.上汽大眾汽車有限公司 整車項目控制部，上海 201805；2.南京依維柯汽車有限公司 產品工程部，江蘇 南京 210028）

1 前言

2010年后，中國新能源汽車的發展，正好趕上新一輪產業技術革命的機遇。中國把新能源汽車的發展提升到國家戰略，是邁向汽車強國的必有之路，是破解汽車產業發展環境和資源約束的有力保障。同時大力補貼和促進新能源汽車基礎技術的發展，在電池和電機系統上實現了一定的突破。寧德時代電池和精進電機在奔馳和菲克車型上應用，也推動了中國創造走向世界。這種特定環境下，新能源汽車發展也有其特點，政府大力推動國內企業自主掌握電池、電機、電控技術，補貼整車和優先路權的推動，造就了傳統車企被迫轉型和涌現出一大批造車新勢力。發展初期，價格仍然偏高，舒適性和可靠性有待提升。同時相關配套設施，如充電樁、加電站和新能源汽車售后保障有待提升。

由于國家積極部署和激勵，尋求動力電池技術突破。中國動力電池產業規模已經由2013年第3名提升至現在的第1名。國內動力電池單體性能指標與國外技術差距相對較小，但在先進材料與機理等基礎研究方面，以及一致性、良品率、成組技術、電池安全性、可靠性、系統管理技術等方面差距較大。國家戰略要求2020年，隨著電池技術的突破發展，國內新能源汽車產銷200萬輛，整車續航里程力爭達到400km，購置和使用成本與燃油車相當。作為占到純電動汽車整車成本一半以上的電池系統，其開發方案就顯得極其重要。

2 動力電池方案概述

2.1 動力電池系統介紹

動力電池及管理系統是集化學、電氣和機械特性于一體的復雜系統，為新能源車輛提供動力源。主要包含動力電池單體 （或模組）、BMS（電池管理系統）、結構件、高低壓線束、熱管理部件5大部分。其功能通過BMS根據使用環境對電池的充放電過程進行檢測及控制，從而在保證電池安全的前提下最大限度地利用電池儲存的能量。

汽車動力電池可以分為純電動車電池和混合動力車電池。純電動車電池又可分為大電量、1C充電標準的高能量電池和快充電池；混合動力車電池可以分為較大電量沖放倍率低的高能量電池和較小電量高沖放倍率的高功率電池。本文以高能量電池作為動力源的純電動汽車為例，進行相關介紹。鋰電池作為能量源，為大扭矩永磁同步電機提供能源，直接驅動橋。整車控制系統基于CAN總線通信管理，實現串聯式直驅的純電動的技術路線。具體方案結構示意圖如圖1所示。

圖1 結構示意圖

2.2 開發模式介紹

純電動汽車產業化首先要做到的是安全和可靠。提供最安全的電池系統解決方案必須做到從建模開發、方案評估最終設計凍結，始終以安全作為首要指標。先進的生產管理方法體系確保電氣安全、機械安全、化學安全與整車功能安全，才能全面杜絕安全隱患的發生。同時要有售后保障體系，將客戶和用戶的安全負責到底。安全是一個相對的概念，世上沒有絕對的安全。系統安全設計的目的是控制事故發生的風險在可接受的范圍內，綜合度量危險3大因素：①危害程度；②事故發生的頻率；③危害的可探測度 （檢測+控制）。這樣對應地找出動力電池安全防護設計的3個目標：①降低事故的危害程度，降低事故的破壞性；②消除危險，預防危險發生或降低其發生的概率；③阻斷危險變成事故的路徑，盡量不讓事故發生。不同類型的危險類型，根據其機理和特性，采取的防范措施會有所不同。系統安全并不只適用于產品開發過程，而是貫穿產品生命周期的始終。舉一個電池過充保護的案例，首先必須設計排氣閥泄壓，降低事故危害程度。采用降電流策略，預防過充發生。還需要增加安全策略，如果發生過充必須切換繼電器，阻斷途徑。動力電池安全防護設計的開發模式具體如圖2所示。

圖2 動力電池安全防護設計的開發模式

相對于手機、Pad等消費電子產品，純電動汽車的能量和功率需求要大很多。為了提高驅動電路的轉換效率，電壓也要高很多。因此，需要很多單體電芯串并聯在一起，成為電池組，或稱PACK或電池系統。以特斯拉汽車為例，其70kWh電池組，由接近1萬個18650的電芯串并聯而成。這么多的電芯的一致性直接決定了電池組的性能，遵循木桶原理。其電池系統的能力取決于最短板的電芯的性能，電芯的容量、內阻、功率窗口等的一致性和生產過程控制，溫度控制至關重要。

純電動汽車開發一般遵循V模型開發模式，如圖3所示。從整車的性能、安全、質量、成本和電池可回收性能等方面的需求進行分析，對各系統進行匹配計算。根據整車性能目標分解到子系統的性能要求，知道系統設計和部件選型。細化各子系統的設計方案，確認開發實現過程中的測試，重點關注電池管理、熱管理和機械設計。子系統完成后，進行系統集成開發。對于之前子系統定義的設計方案注意進行驗證和測試。之后對整車進行匹配、標定和驗證。系統設計需要借助于各種仿真分析軟件進行優化，在系統集成測試時，可以對各系統目標進行驗證和修正。可靠性的整車是離不開整車的調試和測試的，電池DVP測試標準及企業測試規范編寫，電池性能測試報告及測試結果分析，電池與整車通信調試，電池與整車匹配調試，測試對優化設計反饋報告、可靠性試驗和三高試驗也必不可少。

圖3 V模型開發模式

3 動力電池系統開發及驗證

上一章介紹了純電動車的V模型開發模式。本章按該模式詳細介紹電池系統各子系統詳細的開發和驗證的過程。

3.1 整車動力電池系統的匹配

根據整車的相關參數和性能目標，進行電機、電池系統匹配計算。匹配計算的原則是協同已有資源以滿足整車動力性能需求。因為電池系統是給電機系統提供能源的，目標是實現整車的動力性、經濟性和續航里程，所以電池系統的匹配計算需要和電機系統一起進行。

以一輛物流車的整車參數為例，進行相關計算。其滿載質量4490kg，準備質量2890kg。迎風面積為4.8m2，風阻系數0.41，輪胎半徑為0.3396m，滾阻系數0.0076+0.000056V，傳動系統效率為0.95。整車性能目標為最高車速超過100km／h，爬坡≥30%。0-100加速時間≤10s，60km等速續航里程≥200km。

電機額定功率主要用于保證汽車連續行駛時的30min最高車速和30min爬坡的要求。

1）30min最高車速100km／h對應的電機功率需求為平坦路面滿載運行時所需的電機功率：

2）30min爬坡要求電機的額定功率需滿足汽車連續純電動行駛在9%的坡度上車速達到15km／h的要求：

計算得到最高車速功率Pe1=43.5kW，爬坡度功率Pe2=20kW。綜上所述：考慮一定的設計裕量和已有資源，選取電機的額定功率60kW。

根據最高車速100km／h計算電機最高轉速，

計算得到n=3471。考慮一定的設計余量和已有資源，選取電機的最高轉速為3600r／min，選取基速800r／min。

電機額定功率下的扭矩必須要滿足汽車行駛在9%的坡度上維持車速15km／h的設計要求。此時所要求的驅動扭矩為：

此時額定扭矩為346Nm。峰值扭矩必須要滿足汽車以15km／h在20%坡道上行駛的需求。此時需求扭矩為：此時峰值扭矩為719Nm。綜上所述：考慮一定的設計冗余和已有資源，初步選取額定扭矩為358Nm，峰值扭矩為1000Nm。

根據電機的峰值扭矩計算的峰值功率

計算得到P=84kW。考慮一定的設計裕量和已有資源，選取電機的轉速為100kW。

在滿足整車60km等速下續航里程超過200km和整車電機功率100kW需求的前提下，選取最合適電池電量和電壓范圍。

電池在續航時的持續功率是

其他電動附件 （如制動、轉向、前照燈等）的功率按2kW計算，所以續航功率為：

電池的峰值功率為：

根據電機系統的效能，選取電池電壓平臺要求260V≤U－bat≤408V，動力電池放電深度按80%，計算電池所需電量：

考慮整車的一致性和冬季使用暖風等苛刻情況，最終選擇的電池為寧德時代的78kWh的磷酸鐵鋰電池。

將以上選型參數代入到CRUISE仿真軟件中，計算出整車的性能是否滿足設定目標。系統參數見表1。

CRUISE仿真軟件計算出來的結果見表2，達到了我們的整車性能目標。

3.2 關鍵部件的開發

首先進行電芯的選型。電芯是動力電池系統的基本組成部分，是電動車輛的能量儲存裝置，主要為車輛提供電能的吸收、存儲和供應，其比能量、比功率和循環壽命等參數，直接影響電動車輛續駛里程、加速和爬坡能力、使用壽命等性能。根據其材料不同，主要分為三元材料 （NCM）、磷酸鐵鋰材料 （LFP）和鎳氫電池 （Ni／MH）等。根據電芯結構，可以分為圓柱形、方形硬殼和鋁塑膜軟包等。圓柱形電芯，主要規格有18650和21700，殼體以鋼殼為主，結構成熟，工藝制造成本低。自動化生產工藝成熟度高、生產效率高、成品率及電芯一致性高。單個典型能量少，所以一個電池包需要的單體電池量大、成組成本高、電芯壽命較低，對于電池均衡和散熱性能要求較高。典型車型有特斯拉。方形硬殼，殼體以鋁合金為主，結構可靠性高，電芯循環壽命長，NCM約3000~4000次，LFP約6000次。但殼體較重，能量密度較低，機械結構成本較高。國內車型 （主要是寧德時代電池）大量使用。鋁塑膜軟包質量輕，較同等容量的鋼殼鋰電池輕20%~40%。體積能量密度高，可節約體積20%以上，其定制化水平很高。殼體機械性能低，容易發生漏液，自動化程度低，工藝復雜，散熱設計困難。典型車型是奔馳EQC和日產的Leaf等。根據續駛里程200km，車速目標100km／h，能耗小于0.25ekg，初步設計總能量為80kWh（上一章節已經推導）。系統容量=總能量／系統額定電壓=80kWh／384V≈208Ah。根據國內現有資源，推薦以下3種進行綜合對比，見表3。

表1 系統參數

表2 CRUISE仿真軟件計算出的結果

表3 方案綜合對比

根據電池系統總能量和質量需求，其系統比能量要求為大于140Wh／kg，故選擇大電芯容量202Ah的方形LFP電池，根據其單體電芯額定電壓為3.22V，計算系統的串聯數量為：單體電池串聯數量n=電池系統額定電壓／單體電池額定電壓（單體電池串聯數n=384V／3.22V=119.3≈120）。所以根據以上對比和計算結果，結合整個布置方案，選定的方案1的典型，1并120串，系統額定電壓為386.4V。

動力電池組的結構設計也是很關鍵的因素，直接決定了電池系統的耐久性。該動力電池系統的布置需要沿用電動車平臺化的設計，底盤采用中置電機直接驅動后橋，高壓系統全部布置于底盤內側，大大增加了動力電池系統的防碰撞性能。電池位置分為前、后電池箱，分別布置于底盤前橋后部和后橋后部位置，全部位于車架內側。考慮到高壓線束的長度和充電接口的位置，電池的分流箱布置在車架中部。電池分流箱布置位置見圖4。電池箱體的結構設計需滿足機械沖擊、振動、翻轉等國標強度要求。因為電池箱布置在車架上，所以需要IP67防護密封性設計。

圖4 電池分流箱布置位置

電池箱相關附件的設計也很重要，如高壓線、分流箱等。高壓線束布置需考慮整車工況，無振動松脫、折斷等現象，其折彎半徑應該大于2.5倍的線束直徑。根據電箱、分流箱和充電接口等位置，進行合理設計。線束需要依附在車架、車身上，尋找可靠的固定點，固定點的間隔不應該超過50cm。線束布置需要預留插接件操作空間，保證售后維修易操作性。高低壓線束需隔離，走向分開設計，保證通信可靠。電池管理系統的一些硬件，如電池管理單元BMU、電子鎖、高壓采集HVB、維修開關MSD、高壓繼電器等應該布置在分流箱總成中。分流箱的布置和電池箱布置一樣，需要結構可靠和IP67密封。

下面介紹電池系統中一個重要模塊BMS系統的設計。這是一個為管理動力電池的電子控制系統，包括傳感器、控制器、各種控制、驅動開關以及信息通信儲存模塊等。它是動力電池的指揮官，保證動力電池系統在安全的電壓、電流、溫度范圍內運行，并預防個別電芯早期損壞、在異常情況下采取干預措施。根據環境溫度、電池狀態及車輛需求，決定電池的充放電功率，盡可能延長電池的使用壽命。提供車輛控制電池系統所需要的狀態信息等。它具備5大功能如圖5所示。電池狀態監測功能，對電池的電壓、電流和溫度等參數實時進行梱測，同時對電池系統的絕緣電阻進行持續測量。電池狀態分析功能，通過電池狀態監測的參數，以及電芯類型，OSC-SOC曲線、充放電參數等對電池狀態SOC和SOH進行估算。電池安全保護功能，通過降低使用電流切斷充放電通路來實現，包括過流保護、過充過放保護、過溫保護。能量控制管理功能，包括充電控制管理、放電控制管理、電池均衡管理。電池信息管理功能，電池信息的顯示，包含電池的電壓、電流、溫度等，剩余電量，報警信息。系統內外信息的交互，電池歷史信息存儲。有些車型會將BMS上增加4G數據接口模塊，將電池信息進行遠程監控和管理。

BMS對電池系統的故障進行管理并采取不同的應對措施，保證整車安全。其基本的故障策略如表4所示。同時BMS系統決定了整車電池系統的電壓原理，并在整車通信矩陣中起著極其重要的作用，與整車控制器 （VCU）、高壓配電箱 （PDCU）、車載充電機 （OBC）之間相互通信并指揮著整車的供電系統。BMS系統中，有很多高低壓元器件。根據其電壓范圍，最大電流持續時間，高低邊驅動和負載開閉合循環次數確認這些元器件的型號和功率。

BMS系統根據電池的熱管理設計，控制著動力電池的散熱和加熱系統。如磷酸鐵鋰電池，為了保證-10℃以下極寒環境下的充電性能，采用電加熱膜加熱，加熱膜位于電芯間隙間。電池加熱溫升速率：約0.2℃／min，加熱功率約1.67kW±8%。加熱控制策略設計按充放電兩個條件管理，當放電時，低于12℃啟動加熱，高于15℃關閉加熱；當充電時，低于17℃啟動加熱，高于20℃關閉加熱。

3.3 仿真驗證設計

動力電池系統的仿真分析，分別從結構件強度方面和電池系統熱管理方面，對動力電池系統進行模擬分析，從而虛擬驗證系統的可靠性。結構強度仿真，主要通過使用HYPERWORKS、OPTISTRUCT等軟件進行仿真，分別從模態、隨機振動、沖擊分析方面，對產品結構強度和剛度方面進行虛擬驗證。電池熱管理仿真，主要通過對電池系統兩種典型工況 （低溫加熱工況、整車典型使用工況）進行模擬，從而驗證電池低溫加熱功能及整車循環使用壽命。

圖5 5大功能示意圖

表4 故障策略

結構強度仿真，需要對電池箱的模態和隨機振動沖擊進行分析。材料選擇，不但要考慮強度、輕量化的要求，同時也要兼顧成本。一些鈑金支架可以更改為鑄造支架，減少材料壁厚和增加相關加強筋。表5顯示的是電池箱改進前后各階模態的要求，表6是電池箱改進前后各種工況下仿真后的結果。仿真計算時，不但要對電池箱本體進行分析，而且要對分流箱、電池箱支架、分流箱支架等進行分析。兩輪電池箱極其支架的建模見圖6。

除了強度分析，電池系統熱管理也可以用軟件進行仿真計算。主要有散熱工況驗證，模擬40℃高溫環境下，車輛的使用工況過程中，動力電池電芯溫升情況。低溫加熱工況，模擬-25℃低溫環境下，動力電池靜置加熱電芯溫升情況，驗證其溫升速率及溫差要求。Busbar連接鋁巴溫度分析，主要分析靜置加熱結束時刻電芯JR和Busbar連接鋁巴的溫升情況。仿真結果見圖7所示，當電芯由初始溫度-25℃加熱升溫到20℃時，電芯JR和Busbar連接鋁巴的升溫速率在0.25~0.35℃／min之間，滿足升溫速率要求。電芯JR和Busbar連接鋁巴的溫差在12.1~14.7℃之間，滿足溫差15℃的要求。

表5 電池箱改進前后各階模態要求

表6 電池箱改進前后各種工況下仿真后的結果

圖6 兩輪電池箱極其支架的建模

圖7 仿真結果

仿真計算十分重要，但不能等同于實物驗證。再好的設計，都需要通過實物檢驗。電池系統一般分為臺架試驗和整車試驗兩部分。臺架試驗主要對其電性能、機械性能、環境適應性、功能安全等進行驗證。試驗通過后，電池系統裝配到整車上需要進行兩輪可靠性、一輪電磁兼容試驗和一輪三高試驗。只有這些試驗全部通過后，才能將該電池系統投入生產。當然，純電動汽車能否銷售，其電池系統和整車的公告試驗驗證也是必不可少的。

4 總結

汽車尾氣對環境造成的污染日益嚴重，已經是大氣環境最突出、最緊迫的問題之一。發展新能源汽車是實現中國能源安全和環境保護以及中國汽車工業健康可持續發展的必然趨勢。純電動汽車以車載二次電源作為儲能方式，相比混合動力汽車而言，具有零排放、低噪聲且結構簡單等特點，受到了世界各國政府的廣泛關注。中國在純電動汽車的生產研發中積累了一定的技術能力，后續還需要對純電動汽車，尤其是動力電池系統能量管理策略進行優化，提高動力電池的能量密度和系統的平均效率。同時要結合集成化、智能化和網聯化，進一步降低整車能耗，提高整車的安全性和可靠性。