純電動(dòng)轎車用鋰離子電池系統(tǒng)技術(shù)研究

王若飛

【摘 要】以某款純電動(dòng)轎車為研究對(duì)象，研究了電池包與整車的匹配集成及電池系統(tǒng)內(nèi)部布置集成、設(shè)計(jì)了電池系統(tǒng)的熱管理控制策略、開(kāi)發(fā)了電池系統(tǒng)安全技術(shù)，并利用CFD對(duì)電池系統(tǒng)溫升進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明，電池系統(tǒng)本部布置合理，電池系統(tǒng)安全性高，系統(tǒng)冷卻及控制系統(tǒng)合理。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)轎車；熱管理；優(yōu)化；安全；鋰離子電池

【Abstract】In a pure electric cars as the research object， the research of battery pack and vehicle matching integration， integration and battery system interior layout design the battery thermal management of system control strategy， developed a battery system security technology， and by using CFD analyses the temperature rise of the battery system design， the results show that the battery system based layout reasonable， battery system has high security， cooling system and control system is reasonable.

【Key words】All-electric car；BTMS；Optimize；Safety；Lithium ion battery

0 引言

出于能源和環(huán)境的考慮，電動(dòng)汽車在各國(guó)政府和汽車制造商的共同推動(dòng)下取得了快速的發(fā)展。純電動(dòng)汽車因能真正的實(shí)現(xiàn)“零排放”而成為電動(dòng)汽車的重要發(fā)展方向之一。鋰離子電池以其能量密度大、電壓平臺(tái)高等優(yōu)良的性能成為純電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力源。然而，鋰離子電池的抗濫用能力較差。鋰離子電池，特別是成組鋰離子電池的的安全性和長(zhǎng)壽命成為鋰離子電池使用管理中急需解決的問(wèn)題。針對(duì)目前鋰電池管理中存在的問(wèn)題，本論文對(duì)純電動(dòng)汽車用鋰電池系統(tǒng)安全性、熱管理、電池管理系統(tǒng)等方面的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究。

1 電池系統(tǒng)布置方案

本文研究電池系統(tǒng)采用鋰離子材料，電池系統(tǒng)標(biāo)稱電壓336V，標(biāo)稱容量60Ah（25℃@1/3C），系統(tǒng)內(nèi)從控盒9個(gè)，主控盒1個(gè)，電池單體電芯3.2V。電池包固定在車身底盤下，利用前后兩個(gè)定位銷定位，8個(gè)螺栓固定。

電池系統(tǒng)內(nèi)部將電池模組、主控盒、從控盒、高壓安全模塊、熱管理模塊等部件集成在一起。采用前置35個(gè)20pin2S模組和后置9個(gè)20pin4S模組，每12串模組采用一個(gè)從控盒（見(jiàn)圖1）。每個(gè)從控盒負(fù)責(zé)采集電壓、溫度的采集和均衡。箱體底層和側(cè)面鋪設(shè)formex阻燃紙進(jìn)行加強(qiáng)絕緣。

2 電池系統(tǒng)模塊化研究

將2個(gè)電池連接在一起組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模塊（見(jiàn)圖2），再由這些標(biāo)準(zhǔn)模塊組成整包。采用模塊化設(shè)計(jì)利于實(shí)現(xiàn)電池模組的大規(guī)劃生產(chǎn)，降低電池包的成本，便于維修和更換。模組銅片的承載電流能力按照2C設(shè)計(jì)，并且采用激光焊已達(dá)到最可靠的接觸，無(wú)外露電極，安全性高，采用短螺釘緊固，電芯正方形排布，便于布置，增大電芯間的風(fēng)道截面積，利于散熱。

實(shí)現(xiàn)電池模塊標(biāo)準(zhǔn)化后，不同車型電池組包可根據(jù)需要將幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)，達(dá)到不同車輛設(shè)計(jì)的要求，大大有利于電池實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，大幅度降低電池的成本。同時(shí)也便利電池的維修、更換、租賃和回收處理，降低了整個(gè)價(jià)值鏈的費(fèi)用。

3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)由加熱膜加熱系統(tǒng)和強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)構(gòu)成。熱系統(tǒng)由加熱膜、繼電器、10A保險(xiǎn)、線纜等部分組成。采用耐高溫、高導(dǎo)熱、絕緣性能佳、強(qiáng)度好的材料以及金屬發(fā)熱膜電路集合而成的軟性電加熱膜元件與動(dòng)力電池貼合在一起，通過(guò)給加熱膜通電使加熱膜發(fā)熱，將熱量傳遞給電池。加熱膜由車載充電器提供電源。強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)由進(jìn)風(fēng)道、模組風(fēng)道、風(fēng)扇、出風(fēng)道等組成。風(fēng)冷散熱系統(tǒng)直接將電池內(nèi)部的熱空氣排出車體，風(fēng)冷散熱方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件數(shù)量少、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)中。當(dāng)然在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮到模塊的布置和散熱。

加熱回路，在電池溫度過(guò)低的情況下采用加熱膜給電池加熱；散熱回路，在電池溫度過(guò)高的情況下采用強(qiáng)制風(fēng)冷給電池散熱（見(jiàn)圖3、4）：

本文基于物理模型，對(duì)電池包進(jìn)行了CFD分析，采用的電芯密度 2261kg/m3，比熱1014J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)0.88w/m·K，等效內(nèi)阻0.030 Ω。入口選用風(fēng)機(jī)AD 1212HB-A71GL ，速度入口6.518m/s，出口：outflow，壁面無(wú)滑移絕熱壁面，電芯體積熱源為10054 w/m3，所用計(jì)算模型為流固耦合模型、標(biāo)準(zhǔn)模型、P-1輻射模型 。電池包CFD分析結(jié)果（見(jiàn)圖5、6）。

根據(jù)以上分析，模組整體溫度最高上升13℃，電芯間最大溫差大約為10℃ ，電芯間溫差符合要求，熱管理滿足相應(yīng)條件。

針對(duì)熱管理系統(tǒng)，在常溫環(huán)境充放電測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1：

在臺(tái)架及整車上測(cè)試電池包的加熱效果，結(jié)論如下：低溫下加熱系統(tǒng)的加熱速率≥0.32℃/min（即溫升25℃約需78min）且加熱結(jié)束時(shí)電池包溫差≤9℃，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求；通過(guò)-20℃下加熱至5℃與常溫，低溫以及5℃的放電容量對(duì)比，通過(guò)加熱膜加熱后放電能力已超過(guò)常溫下的86%，證明加熱是有效的，同時(shí)可以確定加熱至5℃時(shí)，電池內(nèi)外溫度基本平衡。同時(shí)加熱是有效的，大大促進(jìn)低溫的放電容量；從兩次從-20℃加熱至5℃加熱的時(shí)間來(lái)看，約69min，滿足目標(biāo)加熱時(shí)間90min。

4 電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

車輛在使用和維修過(guò)程中，由于外部因素（涉水、暴雨工況，碰撞、翻車事故，維修操作不當(dāng)?shù)龋┖透邏翰考收匣蚶匣蚩赡軙?huì)導(dǎo)致高壓系統(tǒng)短路、漏電、燃燒和爆炸等安全問(wèn)題。電池系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)主要從碰撞安全、絕緣安全和密封安全等方面考慮。

4.1 碰撞安全設(shè)計(jì)

4.1.1 安全控制設(shè)計(jì)

當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，對(duì)于純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，除了傳統(tǒng)汽車的相關(guān)保護(hù)需求之外，還應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：碰撞過(guò)程中避免乘員和行人遭受觸電風(fēng)險(xiǎn)，在保證人員安全的情況下盡量保護(hù)關(guān)鍵零部件不受損害；碰撞后保證維護(hù)和救援人員沒(méi)有觸電風(fēng)險(xiǎn)。為此設(shè)計(jì)碰撞高壓安全保護(hù)系統(tǒng)：將慣性開(kāi)關(guān)串聯(lián)到高壓接觸器的供電回路中，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)慣性開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，切斷高壓接觸器的供電電源，此時(shí)動(dòng)力蓄電池的高壓輸出便會(huì)被斷開(kāi)，保證了乘員、行人、維護(hù)和救援人員的高壓安全。

4.1.2 安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）電池包支架的材料使用高強(qiáng)度鋼，提高電池包的抗碰撞能力；

（2）優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，提高其剛度和強(qiáng)度；

（3）電池包殼體和電池模組之間留有足夠間隙，用于發(fā)生碰撞時(shí)用于吸收能量，避免對(duì)電池的傷害。

4.1.3 碰撞分析模擬和仿真

通過(guò)軟件的分析模擬和仿真（見(jiàn)圖7），驗(yàn)證殼體和支架的強(qiáng)度是否滿足碰撞的需求，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相關(guān)修改。

4.2 絕緣安全性設(shè)計(jì)

絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)：為保證人員免遭觸電風(fēng)險(xiǎn)，高壓系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)，若絕緣電阻值過(guò)?。蓞⒄誈B/T18384），整車控制器應(yīng)當(dāng)發(fā)送主接觸器斷開(kāi)指令。原理（見(jiàn)圖8）：BMS將一交流電壓信號(hào)通過(guò)隔離電容注入到電池包的負(fù)極端，高壓絕緣等效阻抗（含容抗）變化時(shí)交流信號(hào)的幅值將隨之發(fā)生變化，BMS采樣該交流信號(hào)的電壓幅值并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)與比較器相比較，通過(guò)設(shè)定電壓閾值來(lái)調(diào)整絕緣電阻檢測(cè)報(bào)警值。

4.3 密封安全性設(shè)計(jì)

1）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：電池包上下殼體采用整體沖壓成型，若局部位置無(wú)法整體沖壓成型，需要先分段沖壓成型后焊接而成，焊接部位需打密封膠進(jìn)行密封。電池包上下殼體通過(guò)設(shè)計(jì)法蘭面來(lái)密封。

2）密封材料的設(shè)計(jì)：上下殼體法蘭面之間增加密封材料。

3）防水電器件的設(shè)計(jì)：電池包殼體上面安裝的電器件，均需選用防水器件，并在安裝時(shí)，進(jìn)行防水處理。

5 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BMS控制器對(duì)電池單體電壓、溫度、充放電電流、電池輸出高壓、整車系統(tǒng)絕緣電阻的測(cè)量，具備SOC、SOH估算、OBD故障診斷功能，且具有掉電數(shù)據(jù)保存功能，滿足電池包風(fēng)冷、水冷兩種熱管理系統(tǒng)需求。

5.1 BMB模塊開(kāi)發(fā)

電源管理模塊：提供整個(gè)系統(tǒng)電源，具備整車12V供電電源的檢測(cè)、單片機(jī)工作5V供電電源檢測(cè)、看門狗功能、過(guò)溫和短路保護(hù)功能。

時(shí)鐘和外部EEPROM模塊：提供整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和關(guān)鍵數(shù)據(jù)掉電保存。

PWM控制與反饋模塊：對(duì)熱管理系統(tǒng)中風(fēng)扇進(jìn)行控制和風(fēng)扇故障信號(hào)的診斷。

模擬信號(hào)采樣模塊：對(duì)系統(tǒng)中模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如：熱管理系統(tǒng)中出水口溫度、進(jìn)水口溫度、出風(fēng)口溫度、進(jìn)水口溫度等。

數(shù)字信號(hào)采樣模塊：對(duì)系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如：高低電平信號(hào)。

接觸器控制與診斷模塊：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)接觸器進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)各接觸器狀態(tài)進(jìn)行診斷。

CAN模塊：CAN模塊分為三部分，整車CAN模塊、內(nèi)部CAN模塊、快充CAN模塊，整車CAN模塊用于BMS系統(tǒng)與整車CAN系統(tǒng)連接。內(nèi)部CAN模塊為BMB與BMU、HVMU和絕緣模塊通訊鏈路?？斐銫AN模塊用與BMS系統(tǒng)與快充設(shè)備的CAN系統(tǒng)的連。

5.2 IMU開(kāi)發(fā)

IMU（Isolation Measurement unit）絕緣采樣單元以飛思卡爾8位單片機(jī)DZ60作為主控芯片，以主控芯片內(nèi)部AD模塊為采樣單元，通過(guò)對(duì)相關(guān)信號(hào)的采樣計(jì)算電動(dòng)汽車動(dòng)力電池正負(fù)極和車殼之間絕緣電阻的一項(xiàng)技術(shù)。通過(guò)MCU控制信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生一個(gè)正負(fù)對(duì)稱的矩形波，此矩形波通過(guò)車殼與絕緣電阻以及高壓系統(tǒng)進(jìn)行連接，產(chǎn)生信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)絕緣模塊內(nèi)部的限流電阻進(jìn)入絕緣監(jiān)測(cè)模塊內(nèi)部，MCU對(duì)取樣電阻上面電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)采樣的數(shù)值通過(guò)相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算就可以得到絕緣電阻的阻值。此方案與其他現(xiàn)有絕緣監(jiān)測(cè)的技術(shù)相比具有可靠性高，精度高，采樣范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但是其本身的采樣時(shí)間與Y電容大小以及動(dòng)力電池點(diǎn)波動(dòng)大小相關(guān)。

5.3 單體電池采樣單元開(kāi)發(fā)

BMU（Battery Measurement unit）模塊具有電池組電壓采集、電池組溫度采集、電池組單節(jié)電池均衡，擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)硬件電壓監(jiān)控、硬件溫度監(jiān)控。模塊支持6至12節(jié)電池電壓采集、模塊最多支持6節(jié)電池溫度采集、模塊支持6至12節(jié)電池均衡。模塊硬件可以實(shí)現(xiàn)過(guò)高溫監(jiān)控、過(guò)壓監(jiān)控、欠壓監(jiān)控。模塊與主控模塊通訊方式采用CAN通訊模式。模塊采用車輛低壓供電系統(tǒng)電源供電，車輛充電、放電兩種模式時(shí)可正常工作，靜態(tài)功耗符合整車系統(tǒng)要求。

分布式PBMU系統(tǒng)可分為五個(gè)模塊，供電電源模塊、采集均衡模塊、硬件監(jiān)控模塊、CAN通信模塊與CPU 模塊。供電電源模塊將外部系統(tǒng)提供12V 電源轉(zhuǎn)換為5V電源供CPU模塊與CAN通信模塊工作使用；采集模塊采用芯片集中采集方式采集電池信號(hào)，采集芯片通過(guò)隔離芯片接收CPU 指令并將采集電壓信號(hào)、溫度信號(hào)、均衡信號(hào)等通過(guò)隔離芯片發(fā)送予CPU ，采集芯片采用ADI公司型號(hào)為AD7280 芯片； 硬件監(jiān)控模塊通過(guò)采集電池組電壓信號(hào)、電池組溫度信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的采集來(lái)判斷電池組電壓與溫度的狀態(tài)，并且向CPU模塊發(fā)送狀態(tài)與報(bào)警；CPU采用飛思卡爾8位 CPU MC9S08DZ60，模塊晶振頻率采用10MHz。

開(kāi)發(fā)的BMS系統(tǒng)達(dá)到以下性能指標(biāo)：

6 結(jié)論

本文研究電池包與整車的匹配集成及電池系統(tǒng)內(nèi)部布置集成、設(shè)計(jì)了電池系統(tǒng)的熱管理控制策略、開(kāi)發(fā)了電池系統(tǒng)安全技術(shù)，并利用CFD對(duì)電池系統(tǒng)溫升進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明，電池系統(tǒng)本部布置合理，電池系統(tǒng)安全性高，系統(tǒng)冷卻及控制系統(tǒng)合理，并且已經(jīng)在奇瑞A16EV車型上進(jìn)行了搭載。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]