純電動汽車動力電池系統(tǒng)對標(biāo)技術(shù)研究*

辛明華 郭艷萍 竇汝振 茍毅彤

（天津清源電動車輛有限責(zé)任公司）

伴隨著節(jié)能減排、技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級等多方面要求，以及國家政策的扶持和推廣，純電動汽車已逐步滲透到社會的各個角落，公交車、出租車、物流車、私家車及租賃車等隨處可見，但由于其發(fā)展歷程較短，產(chǎn)品亟待廣泛驗(yàn)證，技術(shù)亟待迅速提升。動力電池作為純電動汽車的唯一高能量載體，其技術(shù)水平、可靠性及安全性在很大程度上決定了整車的技術(shù)狀態(tài)和水平，因此加快動力電池的技術(shù)水平提升非常必要。產(chǎn)品對標(biāo)作為技術(shù)提升和了解行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的重要手段之一，將其與動力電池系統(tǒng)的研究相結(jié)合，系統(tǒng)全面地對標(biāo)國內(nèi)外電池系統(tǒng)是文章研究的重點(diǎn)。

1 汽車產(chǎn)品對標(biāo)方法流程

對標(biāo)方法是建立一套發(fā)現(xiàn)自己缺點(diǎn)、找到別人優(yōu)點(diǎn)的方法體系和指標(biāo)體系，并不斷完善這套體系，使之成為行動指南[1]。汽車產(chǎn)品在自主研發(fā)時，需要參考市場上比較成熟、具有一定競爭力的產(chǎn)品，通過對該產(chǎn)品的拆解、分析，得出對標(biāo)產(chǎn)品的優(yōu)勢和劣勢。通過對對標(biāo)產(chǎn)品的研究，可以為自主產(chǎn)品在研發(fā)過程中提供參考和數(shù)據(jù)依據(jù)，確保開發(fā)的產(chǎn)品具有競爭力。汽車產(chǎn)品的一般對標(biāo)流程為：對標(biāo)產(chǎn)品資料搜集→系統(tǒng)/部件級測試→系統(tǒng)/部件拆解→庫存管理→對標(biāo)數(shù)據(jù)庫建立。

動力電池作為純電動汽車的能量載體，在設(shè)計過程中力爭實(shí)現(xiàn)高能量密度、良好的環(huán)境適應(yīng)性、安全可靠、使用壽命長且成本低。因此在對標(biāo)分析過程中應(yīng)從這些需求入手，找出實(shí)現(xiàn)方法和要達(dá)到的水平，基于此，文章介紹了電池系統(tǒng)對標(biāo)測試和對標(biāo)拆解方法。

2 電池系統(tǒng)對標(biāo)測試

電池系統(tǒng)測試一般在整車上進(jìn)行，主要用來考察電池系統(tǒng)性能、熱管理性能和SOC（荷電狀態(tài)）估算精度等。1）電池系統(tǒng)性能是系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的直接表現(xiàn)，從測試結(jié)果可以看出電池單體集成后整體性能是否衰減，用來判別系統(tǒng)集成技術(shù)的優(yōu)劣。2）為了延長動力電池的壽命、提高電池系統(tǒng)的安全性，電池系統(tǒng)設(shè)計中都采用了不同程度的熱管理設(shè)計。按照換熱介質(zhì)分類，熱管理可分為液體換熱和氣體換熱2種方式；按照熱管理方式分類，可分為強(qiáng)制換熱和自然換熱。熱管理效果的優(yōu)劣直接影響電池的使用安全和壽命。3）SOC是評價電池系統(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)之一，高精度的SOC估算可以使整車更加合理充分地利用車上有限的電能。

在對標(biāo)測試中，測試工況和測試項(xiàng)目設(shè)計應(yīng)考慮同時兼顧以上3個方面的對標(biāo)需求。

2.1 測試工況設(shè)計

測試工況一般選擇典型工況或者依據(jù)電池狀態(tài)設(shè)計工況。典型工況包括標(biāo)準(zhǔn)工況和極限工況。標(biāo)準(zhǔn)工況一般為穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況同時選擇，比如勻速工況、NEDC工況、FTP75工況及W LTC工況等，利用標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行整車?yán)m(xù)駛里程測試；極限工況按照整車模式可以選擇極限加速、極限減速及持續(xù)最高車速等。依據(jù)電池狀態(tài)，可以在不同SOC下，如10%，20%，30%，40%……，設(shè)置相同的依次變化的踏板開度進(jìn)行測試。條件允許時，在高溫和低溫下重復(fù)以上工況。

2.2 測試項(xiàng)目設(shè)計

動力電池系統(tǒng)測試項(xiàng)目，如表1所示。電池性能測試是根據(jù)不同工況分別測試電池系統(tǒng)的容量、峰值放電能力、持續(xù)放電能力及充電能力；熱管理測試是在整車?yán)m(xù)駛里程工況測試過程中，記錄電池包內(nèi)最高溫度、最低溫度和每個電池單體溫度，測試結(jié)束后，分析數(shù)據(jù)，觀察電池的最高和最低溫度是否在電池的理想工作溫度范圍內(nèi)，用每個電池單體的最大溫差來考察電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作效果；SOC估算精度測試是在整車?yán)m(xù)駛里程工況測試過程中，記錄電池管理系統(tǒng)上報的SOC，分析整個測試工況SOC的變化來檢測SOC估算的精確度。

表1 動力電池系統(tǒng)測試項(xiàng)目

3 電池系統(tǒng)對標(biāo)拆解

電池系統(tǒng)拆解用于分析對標(biāo)電池的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、電氣設(shè)計及熱管理設(shè)計。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計對標(biāo)

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計對標(biāo)主要包括電池箱體對標(biāo)和模塊設(shè)計對標(biāo)兩部分。1）箱體對標(biāo)分析包括箱體結(jié)構(gòu)分析、箱體與外部緊固連接方式分析、箱體的材料成分分析、電池箱內(nèi)高低壓電氣部件排布和安裝方式分析及熱管理部件的布置分析等。2）模塊設(shè)計對標(biāo)分析包括模塊固定結(jié)構(gòu)分析、安裝方式分析、支架材料分析及絕緣材料組分分析。

通過對標(biāo)逆向設(shè)計出箱體及內(nèi)部部件的爆炸圖，還原箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)。對于關(guān)鍵受力部分或剛度薄弱部分，進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。

3.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計對標(biāo)

電氣系統(tǒng)包括高壓電路、采樣均衡電路及低壓供電電路。首先，分析電氣系統(tǒng)采用的部件，比如接觸器、預(yù)充電電阻、電流傳感器/分流器、保險絲、手動維修開關(guān)及高低壓接插件等。記錄這些部件的規(guī)格型號，查找技術(shù)參數(shù)。其次，分析各部分電路選用的線纜規(guī)格、電池單體的連接方式、匯流排的形式及過電流能力，繪制線束圖，分析電池系統(tǒng)工作時電流方向和線纜電流通過能力。最后，繪制出電氣原理圖和線束圖，分析電氣設(shè)計特點(diǎn)。

3.3 熱管理系統(tǒng)拆解分析

電池的熱管理系統(tǒng)拆解分為電池系統(tǒng)熱管理拆解和電池模組熱管理拆解。系統(tǒng)層級需要拆解換熱系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的連接接口、換熱管路的形狀及布置形式；模組層級需要注意模組的熱管理接口、導(dǎo)熱材料、換熱管路形狀及布置形式等。

4 對標(biāo)數(shù)據(jù)庫建立

整車對標(biāo)知識庫的數(shù)據(jù)一般以結(jié)構(gòu)圖、特征信息、圖片及圖表清單等形式來表示，這種對標(biāo)數(shù)據(jù)表示形式是當(dāng)前十分主流的表示形式，其優(yōu)點(diǎn)是使用方便、操作簡單、便于檢索與存儲、數(shù)據(jù)形式直觀高效及適用范圍廣等。國外汽車企業(yè)的開發(fā)知識庫也采取了上述形式存儲數(shù)據(jù)[2]。測試與拆解完成后，按照測試數(shù)據(jù)、測試報告、逆向數(shù)據(jù)及分析報告等類別規(guī)劃建立電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，便于對標(biāo)成果的積累和使用。

5 結(jié)論

電池系統(tǒng)對標(biāo)是一個系統(tǒng)工程，文章介紹了汽車產(chǎn)品對標(biāo)的流程，并結(jié)合電池系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)給出了機(jī)械設(shè)計、電氣設(shè)計及熱管理設(shè)計的對標(biāo)分析項(xiàng)目，形成了純電動汽車電池系統(tǒng)對標(biāo)研究體系。該體系有助于快速積累產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對于電池系統(tǒng)新產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和先進(jìn)樣品對標(biāo)分析具有一定的指導(dǎo)意義。