新能源汽車的核心部件大剖析：電池系統(tǒng)篇
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
如前文所介紹的情況，各家車廠面臨油耗和排放的挑戰(zhàn)，不斷推出新能源汽車的情況，電池系統(tǒng)成了當(dāng)前汽車電子電氣系統(tǒng)中，一個最為昂貴也最為受人重視的子系統(tǒng)。本文將從電池系統(tǒng)的需求、車用電池的狀態(tài)，以及當(dāng)前車廠和電池廠的關(guān)系角度來介紹電池系統(tǒng)。
電池系統(tǒng)是在混合動力、插入式混合動力和純電動汽車中用來存儲電能，并提供給電驅(qū)動系統(tǒng)的需要的能量。電池中的電能，其來源主要有三種，電池處在較低的荷電狀態(tài)（SOC）時(shí)，車輛利用發(fā)動機(jī)帶動高壓發(fā)電機(jī)給電池供電；剎車的時(shí)候，能量回收的時(shí)候的電能以及充電模式下，從電網(wǎng)得來的能量，如圖1所示，在電池的不同的狀態(tài)，相應(yīng)的車輛也處在不同的工作模式下。
圖1 電池狀態(tài) vs 車輛模式
電池系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)，很大一部分的參數(shù)來自于設(shè)計(jì)什么樣的車型，不同的車型的規(guī)范，將直接決定電池系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)，如下圖2所示，根據(jù)所需要開發(fā)的新能源車的具體參數(shù)，其電池系統(tǒng)的基本規(guī)范也可以確定下來。而電池系統(tǒng)的基本構(gòu)成，粗略的來說是從電池單體開始，構(gòu)建電池模組，配置合適電子和電氣系統(tǒng)，在電池包層面進(jìn)行布置和安全分析。
圖2 車型規(guī)范對電池系統(tǒng)規(guī)范的轉(zhuǎn)化
1）電池單體的選擇
從基本來看，電池單體選擇是考慮電池容量、化學(xué)體系和單體形狀。
• 單體類型：可選的有鉛酸、鎳鎘(NiCd)、鎳氫（NiMH）、高溫電池（NaS和NaNiCl2）、液流電池和鋰離子電池，從綜合來看，目前只能依靠鋰離子電池來作為儲能單元。而離子電池內(nèi)的化學(xué)體系，其參數(shù)差異也很大。
• 密度：對電池來說，兩個比較重要的參數(shù)是能量密度（決定存儲電能）和功率密度（決定放電能力），這兩者往往不可兼得。值得注意的是，從電極材料理論密度到單體密度再到電池包密度，由于其他不儲能的部分，這兩個參數(shù)往往遞減迅速。
• 壽命：可分為循環(huán)壽命和使用壽命兩個參數(shù)。 循環(huán)壽命取決于充放電深度、電壓、 溫度和電流（負(fù)荷）；使用壽命包括不使用的時(shí)間，與溫度和電壓有較大的關(guān)系。電池老化以后，直接導(dǎo)致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
• 熱特性：主要包括低溫特性和高溫特性。低溫的時(shí)候，放電的能力對寒冷地區(qū)啟動有直接的影響；當(dāng)電池的工作溫度增加，會大大影響其壽命。熱特性基于形狀。圓柱、軟包和方形的影響較大，后面會有分析。
• 安全：不同材料對電池單體的安全性差異明顯，一般會對電池安全性進(jìn)行評估。
• 成本：單體的成本與極片材料有一定的關(guān)聯(lián)，電池單體成本因?yàn)橐陷^高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。
表1 主要鋰離子電池特性
單體形狀相對簡單些，如下表2所示，目前整車企業(yè)在努力推動電池單體的尺寸規(guī)格的統(tǒng)一，長期來看電池單體成為通用件的可能性很大。
表2 不同電池形狀優(yōu)缺點(diǎn)
圓柱電池 | 軟包電池 | 方形電池 | |
示意圖 |
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優(yōu)點(diǎn) | 廣泛于消費(fèi)領(lǐng)域和第一代混合動力汽車中 | 功率/能量密度高 | 堅(jiān)固 |
缺點(diǎn) | 外殼貴 | 脆弱 | 電池內(nèi)壓 |
2）單體成組
電池組的結(jié)構(gòu)拓?fù)涫鞘紫刃枰鉀Q的問題，這是由于單個電池的容量往往存在限制，想要做到100Ah以上 ，往往對電池單體的要求較高；而系統(tǒng)總的電壓由于安全考慮以及與其他系統(tǒng)匹配，是被限制在750V以下的。
圖3 電池管理系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖4 一個典型的電池系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)一般有以下的功能，主要通過電池管理模塊和電池檢測子模塊實(shí)現(xiàn)。
• 監(jiān)測電池參數(shù)：對單體電池（電壓、溫度）和電池系統(tǒng)（電壓、電流、溫度、絕緣電阻）的物理參數(shù)采集，這些數(shù)據(jù)作為對電池系統(tǒng)狀態(tài)判斷的基礎(chǔ)。
• 參數(shù)計(jì)算：測得物理參數(shù)以后，將進(jìn)行荷電狀態(tài)（SOC）、電池健康狀態(tài)（SOH）和電池容量等的計(jì)算；為了對壽命方面進(jìn)行保護(hù)，需要計(jì)算和統(tǒng)計(jì)電池的使用情況，往往需要將單次使用的能量、首次使用后總共使用能量和首次使用后的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以評估汽車電動行駛里程和電池壽命情況。
• 通信：在電池系統(tǒng)內(nèi)部交換數(shù)據(jù)并將核心數(shù)據(jù)傳輸至整車控制器。在電動汽車充電領(lǐng)域中，直流快速充電和車輛和電網(wǎng)電力交換（V2G）和車輛和住宅電力交換（V2H），在這些未來的擴(kuò)展功能中，BMS的通信功能起到至關(guān)重要的功能。
• 電池安全保護(hù)：電池管理是實(shí)現(xiàn)功能安全的最重要的部件，其安全保護(hù)功能涵蓋故障診斷和處理兩方面內(nèi)容，包括電池過壓、欠壓、過流、低溫、高溫和短路。
• 電氣安全保護(hù)：一般需要完成高壓互鎖、絕緣檢測或者其他功能。
由于電池管理系統(tǒng)是整個電池系統(tǒng)的核心管理單元，因此這里的變化也最多一些。有機(jī)會，將會單獨(dú)介紹和敘述。
電氣系統(tǒng)一般包括總線連接和配電系統(tǒng)兩部分。電池模塊之間，是通過總線的方式來連接的，一般還會在之間加入一個維修的開關(guān)來確保在維護(hù)過程中的安全。配電部分，一般由預(yù)充電阻、熔絲、正極主繼電器、負(fù)極主繼電器、預(yù)充繼電器、慢充電繼電器和快充繼電器等部件所組成，如圖5所示。
圖5 簡易的電池系統(tǒng)概覽
4）熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如上所述，由于電池需要在一定的溫度范圍內(nèi)工作，而汽車的工作溫度范圍則完全取決于使用環(huán)境，所以在考慮電池系統(tǒng)的環(huán)境使用條件的之后，往往需要一套相對復(fù)雜的散熱（加熱）系統(tǒng)來保證其全天候工作。從設(shè)計(jì)上考慮，冷卻系統(tǒng)分為單體和電池組兩個層次：
1. 單體級別：考慮的問題是將單體的熱量散步出去，是考慮將單體與冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效連接。單體與冷卻系統(tǒng)中使用的接口材料，需要從電氣絕緣和熱傳導(dǎo)效率兩個方面去考慮。
2. 電池組：從系統(tǒng)層面，液冷和風(fēng)冷是兩個整體性的考慮，需要從系統(tǒng)空間需求、散熱效率和成本等多個方面去綜合考慮。
在熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，日系廠商偏向于風(fēng)冷，歐美企業(yè)偏向于液冷。這方面的細(xì)節(jié)，也是可以單獨(dú)拿出來討論的。
5）安全設(shè)計(jì)
電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，主要分為考慮與整車集成這塊的碰撞考慮還有本身系統(tǒng)的安全評估，測試項(xiàng)目較多，如表3所示。
表3 電池系統(tǒng)安全測試
NO | 分類 | 測試項(xiàng) | 可參考標(biāo)準(zhǔn) | |
1 | 濫用測試 | Overcharge | 過充保護(hù) | SAE J2464 |
2 | External Short Circuit | 短路保護(hù) | ||
3 | Over discharge | 過放保護(hù) | ||
4 | High Rate Discharge w/o Thermal Management | 快速放電 | ||
5 | Immersion | 浸水測試 | ||
6 | Open Flame Test | 外部火焰測試 | ||
7 | Nail Penetration | 針刺測試 | ||
8 | 環(huán)境測試 | Humidity Exposure(Dewing) | 濕熱循環(huán) | |
9 | Thermal Cycling Test | 冷熱沖擊 | ||
10 | High Temperature Stability | 高溫穩(wěn)定性 | ||
11 | 機(jī)械測試 | Vibration | 振動測試 | |
12 | Shock | 機(jī)械沖擊 | ||
13 | Drop | 跌落測試 | ||
14 | Crush | 擠壓測試 | ||
15 | Crash | 碰撞測試 | ||
16 | Roll over | 翻車測試 | ||
以上的內(nèi)容，大致給了電池系統(tǒng)一個全貌。電池系統(tǒng)是目前新能源汽車的核心關(guān)卡，韓國和日本的零部件企業(yè)占得先機(jī)，如下表4所示。另外一個有趣的現(xiàn)象是，由于這個部件較為昂貴，又是核心的一個子系統(tǒng)單元，汽車廠商與電池供應(yīng)商之間，也存在一個博弈過程。如上所述，愿意投入的汽車廠商，是采購電池單體，然后進(jìn)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，甚至完成電池單體成組的一系列工作。不愿意投入的企業(yè)，直接花錢買個解決方案往車上安裝即可。
表4 汽車企業(yè)、車型以及電池廠商對應(yīng)表
汽車企業(yè) | 類型 | 車型 | 電池供應(yīng)商 |
本田 | HEV | Honda Accord Hybrid 2014，Honda Civic Hybrid 2013，Honda CR-Z Hybrid 2014，Acura ILX 2014 | Blue Energy |
HEV | Honda Insight Hybrid 2014 | Sanyo | |
PHEV | Honda Accord Plug-In 2014 | Blue Energy | |
BEV | Honda Fit-EV 2013 | Toshiba | |
大眾 | HEV | Audi Q5 Hybrid 2014，Porsche Cayenne S Hybrid 2013，Volkswagen Jetta Hybrid，Volkswagen Touareg Hybrid | Sanyo |
PHEV | Porsche Panamera S E-Hybrid 2014 | ||
BEV | Volkswagen e-Golf 2014 | ||
寶馬 | HEV | BMW ActiveHybrid 3 2014，BMW ActiveHybrid 5 2014，BMW ActiveHybrid 7 2014 | A123 |
PHEV | BMW i8 2014 | Samsung SDI | |
BEV | BMW i3 2014， | ||
通用 | HEV | Buick LaCrosse eAssist 2014，Buick Regal eAssist 2014，Chevrolet Impala ECO 2014 | Hitachi |
PHEV | Cadillac ELR 2014，Chevrolet Volt 2014 | LG Chem | |
BEV | Chevrolet Spark EV 2014 | A123 | |
福特 | HEV | Ford C-Max Hybrid 2014 1.4 Li-ion，F(xiàn)ord Fusion Hybrid 2014 1.4 Li-ion Panasonic，Lincoln MKZ Hybrid 2014 | Panasonic |
PHEV | Ford C-Max Energi 2014 | Panasonic | |
BEV | Ford Focus Electric 2013 23 Li-ion | LG Chem | |
現(xiàn)代 | HEV | Kia Optima 2013 | LG Chem |
BEV | Kia Soul EV 2015 | SK Innovation | |
日產(chǎn) | HEV | Nissan Pathfinder Hybrid 2014 | Hitachi |
HEV | Infiniti M Hybrid 2014 | AESC | |
BEV | Nissan Leaf 2013 | AESC | |
豐田 | HEV | Lexus CT 200h 2014，Lexus ES 300h 2014，Lexus GS 450h 2014，Lexus LS 600h L 2014，Lexus RX 450h 2014 | Primearth |
PHEV | Toyota Prius Plug-In 2013 | Panasonic | |
BEV | Toyota RAV 4 EV 2013 | Tesla/Panasonic | |
戴姆勒 | HEV | Mercedes-Benz E400 Hybrid 2014 | Johnson Controls |
BEV | Mercedes-Benz B-Class EV 2014 | Tesla/Panasonic | |
BEV | Smart For Two Electric Drive 2013 | Deutsche ACCUmotive | |
菲亞特 | BEV | Fiat 500e 2014 | Bosch/Samsung |
特斯拉 | BEV | Tesla Model S 2013 | Panasonic |
三菱 | BEV | Mitsubishi iMiEV 2014 | Toshiba, Lithium Energy Japan |
PHEV | Mitsubishi Outlander 2015 12 Li-ion | Lithium Energy Japan |
參考文獻(xiàn)
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2. Energy Storage Systems for Electric Vehicles Battery types, System sizing, Design of battery systems Benedikt Lunz, Dirk Uwe Sauer
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