插電增程式公交車電池系統(tǒng)設(shè)計

肖寧強 梁晶晶

（浙江吉利新能源商用車有限公司）

一般來說，無論是插電增程式汽車還是純電動汽車使用的電池系統(tǒng)，都是由單體電池組成電池模塊，電池模塊加上管理控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、高壓回路控制系統(tǒng)、高低壓線束系統(tǒng)再組成整個電池包。電池包布置設(shè)計包括高壓電連接設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。電池包在工作中，不可避免地會遇到不同路況的振動和不同倍率充放電產(chǎn)生的熱量，這些會影響電池包的壽命和性能。要設(shè)計合理的電池固定方式和散熱結(jié)構(gòu)，既要使電池包抵抗相關(guān)工況的振動，又要使動力電池包處于工作溫度范圍內(nèi)，使其散熱均勻，盡量保持單體電池的溫度一致性。基于此，文章對某款插電增程式公交車的動力電池系統(tǒng)進行了設(shè)計。

1 電池包電連接布置設(shè)計

1.1 電池包成組方案設(shè)計

根據(jù)整車提供的電量及電壓平臺要求，結(jié)合已有的單體電池，采取合理的串并聯(lián)組合，來滿足整車對電池包的標(biāo)稱電壓要求（576 V）和能量要求（30 kW·h左右）。已知現(xiàn)有單體電池的標(biāo)稱電壓為3.2 V，額定容量為 50 A·h。

根據(jù)整車對電池系統(tǒng)的電壓要求，大概需要900個單體電池，將60（5p12s）只單體作為一個電池模塊（如圖1所示），大約需要15個電池模塊串聯(lián)連接，使整個電池包的標(biāo)稱電壓達到3.2 V×12×15=576 V。

圖1 電池單體串并聯(lián)組合連接示意圖

如果電池系統(tǒng)的成組方案為：15（5p12s）個電池模塊組成的電池包串聯(lián)連接而成（如圖2所示），這樣，整個電池包的能量為576 V×50 A·h=28.8 kW·h，基本滿足了整車的能量需求。

圖2 動力電池模塊連接方式

1.2 電池模塊電連接設(shè)計

1.2.1 單體電池電連接設(shè)計

單體電池電連接的好壞，直接影響電池模塊和電池包的性能，單體電池的串并聯(lián)是電池模塊設(shè)計的一個重要內(nèi)容[2]。

一般情況下，單體電池的連接方式有螺栓連接和焊接2種。螺栓連接過松或過緊，都會對連接電阻造成影響，從而影響電池模塊的充放電效率。在汽車運行中，電池包會產(chǎn)生振動，容易使螺栓松動，所以，螺栓連接的穩(wěn)定性不是很好。對于焊接連接來說，只要焊接強度足夠，單體電池連接就能達到很好的穩(wěn)定性。另外，焊接連接省去很多螺栓，減輕了整個電池包的質(zhì)量。

文章的電池系統(tǒng)中，單體電池之間，先用銅片和鋁片采用超聲波焊接，然后銅片和單體電池負(fù)極用激光焊接，鋁片和單體電池正極用激光焊接，如圖3所示。加入超聲波焊接，解決了異種材料焊接困難的問題。此方案，經(jīng)焊接試驗后，證明效果良好。并且，成組焊接后產(chǎn)生的直流阻抗以及焊接強度滿足設(shè)計需求。

圖3 單體電池焊接方案

1.2.2 電池模塊間電連接設(shè)計

當(dāng)相鄰模塊電池距離近的電極之間距離≥80 mm時，距離近的串聯(lián)連接的異性電極通過高壓動力電纜連接。當(dāng)相鄰模塊電池的電極距離相對較遠(yuǎn)時，采用高壓動力電纜的連接方式可以有效減少模塊電池之間因為距離造成的電能損失。動力電纜的可靠性直接關(guān)系到整個電池系統(tǒng)的安全性，故動力電纜優(yōu)先選擇國外生產(chǎn)且已推廣使用的車載高壓動力電纜。根據(jù)控制策略限制的充放電電流大小，確定使用50 mm2高壓橡膠動力電纜。由于電池內(nèi)部只存在直流電壓，故選擇不帶屏蔽層的高壓動力電纜。

當(dāng)相鄰模塊電池距離近的電極間距離<80 mm時，距離近的電極通過編織金屬連接片BB（BUSBAR）連接。當(dāng)相鄰模塊電池的異性電極距離較近時，編織金屬連接片BB作為模塊電池間的連接導(dǎo)體，具有良好的導(dǎo)通性，同時相比高壓電纜降低了成本。電池模塊之間采用軟連接結(jié)構(gòu)，代替剛性連接或很長的線束連接，如圖4所示。這樣，既提高了電連接的安全性，防止了振動發(fā)生的危險[3-5]，避免了近距離動力電纜連接的不方便性，又降低了電池模塊之間的連接電阻，保證了電池包的電性能。

圖4 電池模塊編織金屬連接片

1.3 電池高壓回路控制系統(tǒng)設(shè)計

1.3.1 高壓電器盒的設(shè)計

在電池高壓回路控制系統(tǒng)中設(shè)計了1個高壓電器盒，內(nèi)部設(shè)置有2個高壓繼電器、1個預(yù)充電繼電器、1個預(yù)充電電阻、電流傳感器、加熱回路及其接觸器和與之相連的高壓輸出插座。在高壓電器盒中設(shè)置高壓繼電器可以實現(xiàn)模塊電池與外界高壓直流動力電纜連接關(guān)系的切換，起到安全保護的作用。

通過閉合或斷開電器盒內(nèi)的高壓繼電器實現(xiàn)蓄電池組與對外高壓直流動力電纜的連接與斷開。預(yù)充電回路的設(shè)計主要實現(xiàn)了保護負(fù)載電容、保護電池本體和保護繼電器（防止電弧產(chǎn)生）3個功能。

電流傳感器設(shè)計主要實現(xiàn)了電池包輸出電流的監(jiān)測，因為電流值的監(jiān)測正確性直接影響SOC（荷電狀態(tài)）的估算精度，最終會影響到電池包使用性能和壽命。采用大小雙通道的霍爾電流傳感器設(shè)計就更進一步保證了電流采集精度的可靠性[6]。

電器件設(shè)計選型原則是首先滿足額定電壓及電流的要求，即保證電性能上的可靠性。其次考慮的是滿足振動要求、機械壽命和電氣壽命。電器件嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計選型[7]。

1.3.2 高壓互鎖的設(shè)計

電池包的安全性是電池包設(shè)計的首要考慮因素?；赟AE J2344中對車載動力電源的設(shè)計要求，高壓互鎖是必不可少的一個安全需求。電池包與整車對接接口有高壓連接器和低壓通訊連接器，設(shè)計在存在危險電壓的回路中使用細(xì)微的信號對電連接進行檢查。一旦出現(xiàn)電連續(xù)性損失，例如某個連接器斷開，自動斷開裝置就會啟動，斷開暴露的危險電壓[8]。

圖5示出電池高壓互鎖連接示意圖?，F(xiàn)行的設(shè)計方案是將電器盒中高壓繼電器線圈供電回路與高壓連接器、維護開關(guān)（MSD）和低壓通訊連接器的高壓互鎖信號線串聯(lián)在一個回路里，任何一個插頭不是處于連通的狀態(tài)，就會出現(xiàn)電連續(xù)性斷開的情況，直接導(dǎo)致繼電器的控制線圈處于斷路的狀態(tài)，高壓繼電器就不會閉合，這樣就將電池包的高壓與外部斷開，從而保證人身的安全性。

圖5 電池高壓互鎖連接示意圖

1.3.3 維護開關(guān)（MSD）及保險的設(shè)計

在電池模塊7和電池模塊8之間設(shè)計了一個MSD。此產(chǎn)品集成了一個熔斷器于其內(nèi)部，既起到在危險狀況，手動斷開電池包高壓維護開關(guān)的作用，又起到熔斷器作用（在電池包意外出現(xiàn)嚴(yán)重過載或者短路的情況下，斷開電池模塊間的串連接）。將其設(shè)計布置在模塊7和模塊8之間的目的就是在出現(xiàn)危險狀況的情況下，最大限度地斷開電池包的高壓，使斷開兩側(cè)電壓均勻。

其中熔斷器額定電壓和額定電流的選擇也要充分考慮其在電池包中功能實現(xiàn)的可靠性及熔斷的及時性。根據(jù)電池包內(nèi)部的使用環(huán)境溫度應(yīng)在60℃之內(nèi)，電池包最大放電電流為250 A，綜合各種不同熔斷器的參數(shù)曲線，最終確定熔斷器的額定電壓應(yīng)≥700 V，圓整后熔斷器的額定電流選擇為350 A。

1.4 電池包高低壓線束系統(tǒng)設(shè)計

線束系統(tǒng)的布置設(shè)計充分利用了空間優(yōu)勢，將高低壓線束嚴(yán)格區(qū)分開布置，實行高壓在低、低壓在高的平行布線。將高壓動力電纜通過線夾固定在殼體地板上，并滿足電氣間隙的要求。低壓通訊線束則通過在電池模塊頂部的線槽，與各個系統(tǒng)產(chǎn)生電連接關(guān)系。這樣的布置提高了整個電池包高低壓線束系統(tǒng)布置的安全性和可靠性，在視覺上也顯得更加美觀，并且方便維護。電池內(nèi)部高低壓線束系統(tǒng)布置示意圖，如圖6所示。

圖6 電池內(nèi)部高低壓線束系統(tǒng)布置示意圖

系統(tǒng)的設(shè)計方法為：

1）電池內(nèi)部的低壓用電部件通過低壓線束連接至電池包管理系統(tǒng)內(nèi)，管理系統(tǒng)根據(jù)模塊電池控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及高壓回路控制系統(tǒng)控制線束傳送來的信號發(fā)送相應(yīng)的指令，使各用電設(shè)備進行正常工作。低壓線束通過在模塊電池頂部殼壁預(yù)留的線槽，將電池內(nèi)部的模塊電池控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及高壓回路控制系統(tǒng)與電池包管理系統(tǒng)連接。

2）根據(jù)各用電器件的功率不同，確定各種導(dǎo)線的線徑及規(guī)格型號。電池內(nèi)部的使用環(huán)境較好，故電源、普通信號線最后選擇使用汽車級的德標(biāo)導(dǎo)線FLRY-B，耐溫等級達到-40～120℃；CAN通訊導(dǎo)線采用帶屏蔽層的雙絞導(dǎo)線。

3）電池包的高壓部分通過高壓動力電纜連接至電池對外輸出高壓電器盒，通過閉合或斷開電器盒內(nèi)的高壓繼電器來實現(xiàn)蓄電池組與對外高壓直流動力電纜的連接與斷開。高壓動力電纜部分通過電池包內(nèi)殼壁的線扣固定在箱體地板上，最后連接至高壓電器盒。高壓動力電纜的布置需充分考慮到彎曲半徑，最小半徑一般≥5倍的電纜直徑[9]，避免彎曲電纜脫離連接端的電連接。

1.5 電池管理系統(tǒng)布置設(shè)計

電池的管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)了3個方面的功能：準(zhǔn)確估算電池包的SOC，保證電池不會出現(xiàn)過充電和過放電而影響電池包的壽命；動態(tài)監(jiān)測電池包內(nèi)各個電池單體的電壓、電流及溫度狀態(tài)，實現(xiàn)與整車的實時通訊功能；實現(xiàn)電池內(nèi)部的均衡功能。

由于管理系統(tǒng)包括金屬外殼和內(nèi)部電子器件，布置應(yīng)充分考慮散熱性和屏蔽隔離性。布置設(shè)計時將其固定于風(fēng)機的殼體上，這樣金屬的直接接觸有利于熱量的散失；遠(yuǎn)離大電流的器件有利于抗干擾能力的加強。這樣的布置更加有利于拆卸且便于維護。

2 電池包結(jié)構(gòu)布置設(shè)計

2.1 電池包箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池包位于公交車的底盤上，裝載空間有限，由于受整車空間尺寸以及電池模塊尺寸的限制，采用將電池包中15個電池模塊分2層放置。電池箱上下層框架示意圖，如圖7所示。

圖7 電池箱上下層框架示意圖

電池包箱體結(jié)構(gòu)必須保證在最大容納空間的基礎(chǔ)上具有足夠的強度。電池箱采用框架結(jié)構(gòu)，框架采用型材焊接而成，框架外圍由5塊鋼板拼接而成，這樣有利于裝配。然而，相對于電池箱外圍焊接成一個整體而言，鋼板拼接容易使電池箱外圍與電池箱內(nèi)部框架之間形成間隙，影響通風(fēng)散熱、防塵及防水的效果，所以還要加強電池箱的密封設(shè)計[3-4]。

2.2 電池包密封與防振設(shè)計

2.2.1 電池包密封設(shè)計

由于動力電池包安裝在汽車底盤上，因此要對電池包進行防水和防塵的設(shè)計。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計電池包的防護等級為IP55。

采取的密封措施是在電池箱外圍鋼板上粘貼密封墊。后續(xù)工作中，需參考相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，對電池包進行防水試驗，以驗證電池包的防水性能。

2.2.2 電池包防振設(shè)計

公交車在運行過程中，汽車的振動會引起電池包在X，Y，Z 3個方向的振動，影響電池包的性能[5]。

電池包在量產(chǎn)前，需進行振動試驗。試驗后應(yīng)實現(xiàn)：絕緣性能良好，振動前后電阻變化量小于0.5 MΩ；振動前后電池包電壓之差小于300 mV；無共振及機械連接和電連接失效現(xiàn)象；散熱風(fēng)機能正常工作；電池管理系統(tǒng)正常工作。

文章通過在電池箱底部與整車接口處安裝8個橡膠減振座，來緩沖汽車在運行過程中電池包產(chǎn)生的振動。減振座布置圖，如圖8所示。

圖8 電池包減振座布置圖

2.3 電池包冷卻系統(tǒng)布置設(shè)計

鋰離子電池包，特別是汽車上裝載的大容量、高功率的鋰離子電池包，對溫度變化較敏感。文章中的插電增程式公交車的鋰離子電池包，在實際工作中的充放電電流在200 A左右。汽車在行駛過程中，電池包頻繁地充放電產(chǎn)生的熱量是明顯的。太高或太低的溫度都會影響電池包的充放電性能和許多特性參數(shù)，如內(nèi)阻、電壓、SOC、可用容量、充放電效率及電池壽命等。因此，要設(shè)計合理的散熱結(jié)構(gòu)，使電池工作在所允許的溫度范圍內(nèi)，且單體間的相互溫差不超過某一數(shù)值。一般，鋰離子電池的使用溫度范圍為-20～60℃，通常將它的工作溫度控制在0～55℃。參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)法將單體電池間的相互溫差控制在5℃以內(nèi)[10]。

考慮到動力電池包是用于插電增程式公交車，一般情況下，采用風(fēng)冷散熱即可。若是乘用車用電池包，由于空間的密封性，則要考慮是否需要采用水冷散熱。此設(shè)計中采用并行通風(fēng)散熱的方式對電池進行風(fēng)機抽風(fēng)冷卻。

15個電池模塊分2層放置在電池箱中。為了盡量使各個電池模塊散熱均勻[7]，將從進風(fēng)口過來的冷風(fēng)分成3股風(fēng)流，對電池模塊進行散熱，如圖9所示。

圖9 電池包散熱結(jié)構(gòu)示意圖

電池包安裝在汽車底盤上行李艙的位置，通過車身側(cè)門將電池包進出風(fēng)口與乘客艙隔離，避免了乘客無意間將水或其他臟物投入進風(fēng)口。

在出風(fēng)口處，留出了一定的空間，是為了便于空氣流通，使電池包內(nèi)的熱風(fēng)盡快排出，不影響散熱效果。另外，出風(fēng)口不能豎直沖向地面，以免地面灰塵倒吸入電池包內(nèi)部。

3 結(jié)論

文章對插電增程式公交車用鋰離子電池包的整體布置設(shè)計進行了分析說明。從單體電池間及模塊電池2個方面說明了所涉及的電連接設(shè)計理念；從高壓電器盒、高壓互鎖、手動維護開關(guān)及保險方面進行了安全設(shè)計，以確定電池包高壓電安全的設(shè)計方法及考慮因素；對電池包冷卻系統(tǒng)設(shè)計了電池包散熱風(fēng)道，盡量使各個單體處于所允許的工作溫度范圍內(nèi)，并且使電池包散熱均勻。文章介紹了本電池包中熱管理的功能及布置方式，而未對其具體策略和電路進行說明。熱管理的設(shè)計是整個電池系統(tǒng)的核心，接下來的工作中，會對電池包進行功能和性能測試，根據(jù)試驗結(jié)果，對電池包的熱設(shè)計進行優(yōu)化。