基于整車動力需求的動力電池系統方案設計

劉寶泉

（威馬汽車科技集團有限公司，浙江 溫州 325000）

1 整車動力及續航里程需求

1.1 首先確定整車續航里程要求

不同的車型，例如純電動汽車 （BEV）、插電式混合動力汽車 （PHEV）、混合動力汽車 （HEV）等，在NEDC綜合工況或WLTP工況下，純電續航里程均不同，整車質量及百公里能耗水平也不盡相同。

1.2 功率和工作電流

整車在急加速情況下，動力電池系統需要提供短時脈沖放電功率，對應工作電流為峰值放電電流［1］；在緊急制動情況下，需要提供短時能量回收功率，對應回饋電流為峰值充電電流。

在平路持續加速或長坡道時，需要提供持續穩定的放電功率，對應的電流為持續放電工作電流。

峰值放電工作電流=蜂值放電功率／電池系統端電壓，峰值充電工作電流=峰值回充功率／電池系統端電壓，持續放電工作電流=持續放電功率／電池系統端電壓。

1.3 額定電壓及電壓應用范圍

參照GB／T31466—2015《電動車輛高壓系統電壓等級》，對于高速電動車輛動力電池系統的額定電壓等級可選擇144V、288V、320V、346V、400V、576V等，且需要與整車的電機控制器及電機的工作電壓相匹配，例如三元電池系統電壓范圍上下限各為系統額定電壓的115%和77%。

1.4 溫度應用范圍

動力電池系統要求在-20～60℃外部環境溫度中能正常工作，在-40～60℃范圍內能進行存儲。

1.5 電池系統質量限制

要滿足GB／T28382—2012《純電動乘用車技術條件》動力蓄電池 （包含電池箱及箱內部件）總質量與整車整備質量的比值不宜大于30%的要求。

1.6 動力電池系統容量

依據整車的續駛里程、整車性能 （加速時間、最高車速、爬坡度等）要求，推算出總能量需求。動力電池系統容量主要基于總能量和額定電壓來進行計算。電池系統容量=總能量／電池系統額定電壓，電池系統可用容量=總能量×可用SOC（%）／電池系統額定電壓。

1.7 可用SOC范圍

在SOC范圍內電池系統必須滿足峰值放電功率大于整車最大負載功率，峰值充電功率大于最大能量回饋功率。這是受單體電池功率能力所限制，例如：在低SOC、低溫條件下，放電功率受限；在低溫、高SOC條件下，充電功率受限。

為了保護動力電池系統，延長其使用壽命，充電時不能充滿電 （接近100%SOC），放電時不能完全放電 （低于5%SOC），通常BEV動力電池系統SOC可用窗口5%～95%；PHEV產品SOC窗口15%～95%；HEV產品SOC窗口25%～75%。

2 單體電池的選型與設計

單體電池的選型和設計遵從動力電池系統性能要求及輸入。

2.1 單體電池容量選型依據

1）單體電池的技術成熟度。優先選擇已經穩定量產的電芯容量規格。

2）單體電池質量能量密度、體積能量密度。優先選擇質量能量密度、體積能量密度較高的單體電池。有助于提升動力電池系統級的能量密度，相應整車續航里程提升一定程度。

3）單體電池的安全性。單體電池容量越大，對應能量越高，散熱量增大，安全風險越高。

4）單體電池串并聯組合后總能量與設計容量差別。基于現有的單體電池進行選型，單體電池容量是固定的，因此成組之后的總能量可能與理論計算的電池總能量有差別，所以要選擇成組后能最接近目標總電量的單體電池。

5）電池系統電池包體積及內部空間限制。盡可能不占用乘坐空間或有效載荷空間。選擇合適尺寸的單體電池，充分利用電池箱內有限空間，提高空間體積利用率。同時，為了兼顧不同整車廠不同車型的布置需求，單體電池尺寸設計要做到通用性和標準化。

2.2 單體電池類型選擇依據

相比鉛酸蓄電池、鎳氫電池，鋰離子電池具有工作電壓高、比能量高、循環壽命長、自放電率低等優點，并且具有使用電壓范圍寬、無記憶效應、環境友好等優點，是主流的電動車輛動力電池類型。

主要考慮因素如下：①不同類型電動車輛對動力電池需求的差異性；②不同電化學體系電池的優劣勢，磷酸鐵鋰LiFePO4／C、鎳鉆錳三元NCM／C、錳酸鋰LMO／C等均不相同；③不同結構動力電池自身的差異性 （圓柱形、方形硬殼、軟包等），包括電化學電氣性能、安全性、技術和工藝成熟度、成本價格等。

3 動力電池系統設計示例

3.1 純電動乘用車系統參數和方案設計

某綜合工況條件下達到500km續駛里程的純電動乘用車，百公里耗電量約15kWh，為其設計的動力電池系統性能參數見表1［2］。

表1 500km續駛里程的純電動乘用車動力電池系統參數表

動力電池系統總能量約為75kWh，可用能量約為67.5kWh。整車選用的電機和電機控制器額定工作電壓約為400V，則電池系統總容量為：電池系統總容量=總能量／電池系統額定電壓，75000Wh／400V=187.5A，進而推算出單體電池串并聯方案［3］，見表2。

表2 單體電池容量選型、設計與并聯方案

電池系統質量能量密度=總能量／總質量=166Wh／kg，因此應選用具有高能量密度的三元體系鋰離子動力電池。

單體電池額定電壓3.65V，則系統的單體電池串聯數量：單體電池串聯數量=電池系統額定電壓／單體電池額定電壓=400V／3.65V=109.6≈110。單體串聯方案及系統電壓參數見表3。

表3 單體電池串聯方案示例

電池系統峰值功率與總能量比值 （P／E）約為3，所以應選用偏能量型的單體電池。以系統集成效率約為70%計算，單體電池的比能量應不小于237Wh／kg。按電池系統使用壽命 （10年或24萬km）和循環壽命 （1500次）要求，選用的單體電池循環壽命應不小于1800次。由于續駛里程需求的差異性及相關政策驅動等因素影響，整車的純電續駛里程不盡相同，例如400km、500km、600km等。系統的總容量、單體電池的容量設計和系統串并聯方案見表4。

表4 不同續航里程的電池系統容量設計和系統串并聯方案

3.2 插電式混合動力乘用車系統參數和方案設計

某綜合工況條件下達到80km續駛里程的插電式混合動力乘用車［4］，百公里耗電量約20kWh，我們為其設計的動力電池系統性能參數見表5。

表5 80km續駛里程的插電式混合動力乘用車動力電池系統參數表

電池系統峰值功率與總能量比值 （P／E）約為6.5，所以應選用偏功率型的單體電池，按系統集成效率約為70%計算，則單體電池的比能量應不小于205Wh／kg。按電池系統使用壽命 （10年）和循環壽命 （3000次）要求，選用的單體電池循環壽命應不小于4000次。由于不同用戶群體需求的差異性及政策驅動等因素，整車純電續駛里程也存在不同設計需求，例如60km、80km、100km、120km等。系統的總容量、單體電池的容量設計和系統串并聯方案見表6。

表6 不同續航里程的電池系統容量設計和系統串并聯方案

4 總結

通過將整車動力需求、續航里程需求、國標要求等信息作為動力電池系統設計輸入，結合理論計算，完成電池系統參數制定、串并聯方案設計、單體電池類型及容量選型等工作。并以純電動汽車、插電混動汽車為例，給出了兩類動力電池系統的正向設計思路及方法。對于提高電池系統設計效率、提升整車動力匹配性具有指導意義。