最易懂的動力電池系統(tǒng)設(shè)計

動力電池系統(tǒng)指用來給電動汽車的驅(qū)動提供能量的一種能量儲存裝置，由一個或多個電池包以及電池管理(控制)系統(tǒng)組成。動力電池系統(tǒng)設(shè)計要以滿足整車的動力要求和其他設(shè)計為前提，同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計等方面。

比如整車廠會針對要設(shè)計的整車，在考慮安全設(shè)計、線束連接線設(shè)計、接插件設(shè)計等相關(guān)要求后，形成一個有限的動力電池系統(tǒng)空間大小。然后在有限的空間約束下，進(jìn)行電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等布置，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命與安全。設(shè)計時要考慮到的一些整體和通用性原則包括安全性好、高比能量、高比功率、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長、安裝維護(hù)性強(qiáng)、綜合成本低等。

由于不同種類電動汽車的結(jié)構(gòu)和工作模式的不同，導(dǎo)致對動力電池的性能要求也不一樣。純電動汽車行駛完全依賴于動力電池系統(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動力汽車對動力電池系統(tǒng)的容量要求比純電動汽車要低，但要能夠在某些時候提供較大的瞬時功率。而串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車對電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

一種典型的動力電池系統(tǒng)

因此動力電池系統(tǒng)的設(shè)計流程一般如下：

(1)先確定整車的設(shè)計要求;

(2)然后確定車輛的功率及能量要求;

(3)選擇所能匹配合適的電芯;

(4)確定電池模塊的組合結(jié)構(gòu)形式;

(5)確定電池管理系統(tǒng)設(shè)計及熱管理系統(tǒng)設(shè)計要求;

(6)仿真模擬及具體試驗驗證。

動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的重要組成部分，下文主要按其的具體結(jié)構(gòu)及功能來談?wù)勗O(shè)計要求。分為電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機(jī)械系統(tǒng)這四個主要部分。

1.電池模組的結(jié)構(gòu)及設(shè)計

動力電池模組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動力電池系統(tǒng)的次級結(jié)構(gòu)之一。動力電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。在查閱資料統(tǒng)計得到的不同材料電芯基本性質(zhì)如下表所示。

按電芯的結(jié)構(gòu)形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，各自的優(yōu)缺點也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了電池模組的性能進(jìn)而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。因此在進(jìn)行動力電池系統(tǒng)設(shè)計，一定要根據(jù)整車的設(shè)計要求去選擇電芯的材料及形狀。

那么首先要通過電動汽車的動力需求以及各種高電壓機(jī)器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量。然后在進(jìn)行電池模塊設(shè)計時要考慮到動力電池的特性。因為動力電池在不同溫度下輸出/輸入會發(fā)生變化。容量、輸出性能會隨使用時間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現(xiàn)設(shè)計錯誤，將不能滿足低溫時的加速性能和爬坡性能，并且當(dāng)電池老化時還會給系統(tǒng)性能造成影響。電池模組由多個動力電芯串并聯(lián)組合而成，包括單體電芯、固定框架、電連接裝置，還有溫度傳感器、電壓檢測線路等。

動力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程(電芯→模塊→系統(tǒng))

在結(jié)合整車設(shè)計要求的前提下對電池模組進(jìn)行設(shè)計時，電池模組設(shè)計需要考慮以下幾個方面：

·電池成組的固定連接方式要根據(jù)動力電池系統(tǒng)設(shè)計的整體要求對選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行。

·電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結(jié)構(gòu)部件具有足夠的強(qiáng)度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風(fēng)散熱通道。

·電池單體之間的導(dǎo)電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導(dǎo)電連接部位的導(dǎo)電能力要滿足用電設(shè)備的最大過流能力。

·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護(hù)問題，例如絕緣間隙和爬電距離等。

方形電芯和圓柱電芯的電池模組

2.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

電池管理系統(tǒng)(BMS)，即Battery Management System，通過檢測電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的控制調(diào)整和策略實施，實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。電池管理系統(tǒng)的基本功能可以分為檢測、管理、保護(hù)這三大塊。具體來看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、均衡控制、熱管理、安全保護(hù)、信息管理等功能。

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)在硬件上可以分為主課模塊和從控模塊兩大塊。主要由數(shù)據(jù)采集單元(采集模塊)、中央處理單元(主控模塊)、顯示單元、均衡單元檢測模塊(電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測)、控制部件(熔斷裝置、繼電器)等組成。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成。一般采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)相互間的信息通訊。

在動力電池管理系統(tǒng)中的軟件設(shè)計功能一般包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設(shè)計指標(biāo)包括最高可測量總電壓、最大可測量電流、SOC估算誤差、單體電壓測量精度、電流測量精度、溫度測量精度、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監(jiān)測與調(diào)試功能等。

BMS通過通訊接口與整車控制器、電機(jī)控制器、能量管理系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行通訊，整個工作過程大致為：首先利用數(shù)據(jù)采集模塊采取電池的電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù)→然后采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊→主控模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，發(fā)出對應(yīng)的程序控制和變更指令→最后對應(yīng)的模塊做出處理措施，對電池系統(tǒng)或電池進(jìn)行調(diào)控，同時將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元模塊。

在電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求方面要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如QC/T 897-2011：

·電池管理系統(tǒng)與動力電池相連的帶電部件和其殼體之間的絕緣電阻值不小于2MΩ。

·電池管理系統(tǒng)應(yīng)能經(jīng)受相關(guān)的絕緣耐壓性能試驗，在試驗過程中應(yīng)無擊穿或閃絡(luò)等破壞性放電現(xiàn)象。

·SOC的估算精度要求不大于10%。

·電池管理系統(tǒng)應(yīng)能在相關(guān)規(guī)定條件下，比如過電壓運行、欠電壓運行、高低溫運行情況下滿足狀態(tài)參數(shù)測量精度的要求。

3.熱管理系統(tǒng)的設(shè)計

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是從使角度出發(fā)，用來確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng)，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備等部件構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有如下幾項主要功能：

(1)電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控;

(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng);

(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作;

(4)有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng);

(5)保證電池組溫度場的均勻分布。

當(dāng)車輛在不同運行工況下，電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻，在輸出功率、電能的同時產(chǎn)生一定的熱量從而產(chǎn)生熱量累積使電池溫度升高，空間布置的不同使得各處電池溫度并不一致。當(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時，必須限功率工作，否則會影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命，車用動力電池系統(tǒng)一般設(shè)計具有熱管理系統(tǒng)。