純電動汽車電池系統(tǒng)的設(shè)計

胡巧聲，宋 偉，楊佼源

（1.上汽大眾汽車有限公司 整車項目控制部，上海 201805；2.南京依維柯汽車有限公司 產(chǎn)品工程部，江蘇 南京 210028）

1 前言

2010年后，中國新能源汽車的發(fā)展，正好趕上新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的機遇。中國把新能源汽車的發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略，是邁向汽車強國的必有之路，是破解汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境和資源約束的有力保障。同時大力補貼和促進(jìn)新能源汽車基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，在電池和電機系統(tǒng)上實現(xiàn)了一定的突破。寧德時代電池和精進(jìn)電機在奔馳和菲克車型上應(yīng)用，也推動了中國創(chuàng)造走向世界。這種特定環(huán)境下，新能源汽車發(fā)展也有其特點，政府大力推動國內(nèi)企業(yè)自主掌握電池、電機、電控技術(shù)，補貼整車和優(yōu)先路權(quán)的推動，造就了傳統(tǒng)車企被迫轉(zhuǎn)型和涌現(xiàn)出一大批造車新勢力。發(fā)展初期，價格仍然偏高，舒適性和可靠性有待提升。同時相關(guān)配套設(shè)施，如充電樁、加電站和新能源汽車售后保障有待提升。

由于國家積極部署和激勵，尋求動力電池技術(shù)突破。中國動力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模已經(jīng)由2013年第3名提升至現(xiàn)在的第1名。國內(nèi)動力電池單體性能指標(biāo)與國外技術(shù)差距相對較小，但在先進(jìn)材料與機理等基礎(chǔ)研究方面，以及一致性、良品率、成組技術(shù)、電池安全性、可靠性、系統(tǒng)管理技術(shù)等方面差距較大。國家戰(zhàn)略要求2020年，隨著電池技術(shù)的突破發(fā)展，國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷200萬輛，整車?yán)m(xù)航里程力爭達(dá)到400km，購置和使用成本與燃油車相當(dāng)。作為占到純電動汽車整車成本一半以上的電池系統(tǒng)，其開發(fā)方案就顯得極其重要。

2 動力電池方案概述

2.1 動力電池系統(tǒng)介紹

動力電池及管理系統(tǒng)是集化學(xué)、電氣和機械特性于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，為新能源車輛提供動力源。主要包含動力電池單體 （或模組）、BMS（電池管理系統(tǒng)）、結(jié)構(gòu)件、高低壓線束、熱管理部件5大部分。其功能通過BMS根據(jù)使用環(huán)境對電池的充放電過程進(jìn)行檢測及控制，從而在保證電池安全的前提下最大限度地利用電池儲存的能量。

汽車動力電池可以分為純電動車電池和混合動力車電池。純電動車電池又可分為大電量、1C充電標(biāo)準(zhǔn)的高能量電池和快充電池；混合動力車電池可以分為較大電量沖放倍率低的高能量電池和較小電量高沖放倍率的高功率電池。本文以高能量電池作為動力源的純電動汽車為例，進(jìn)行相關(guān)介紹。鋰電池作為能量源，為大扭矩永磁同步電機提供能源，直接驅(qū)動橋。整車控制系統(tǒng)基于CAN總線通信管理，實現(xiàn)串聯(lián)式直驅(qū)的純電動的技術(shù)路線。具體方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 開發(fā)模式介紹

純電動汽車產(chǎn)業(yè)化首先要做到的是安全和可靠。提供最安全的電池系統(tǒng)解決方案必須做到從建模開發(fā)、方案評估最終設(shè)計凍結(jié)，始終以安全作為首要指標(biāo)。先進(jìn)的生產(chǎn)管理方法體系確保電氣安全、機械安全、化學(xué)安全與整車功能安全，才能全面杜絕安全隱患的發(fā)生。同時要有售后保障體系，將客戶和用戶的安全負(fù)責(zé)到底。安全是一個相對的概念，世上沒有絕對的安全。系統(tǒng)安全設(shè)計的目的是控制事故發(fā)生的風(fēng)險在可接受的范圍內(nèi)，綜合度量危險3大因素：①危害程度；②事故發(fā)生的頻率；③危害的可探測度 （檢測+控制）。這樣對應(yīng)地找出動力電池安全防護(hù)設(shè)計的3個目標(biāo)：①降低事故的危害程度，降低事故的破壞性；②消除危險，預(yù)防危險發(fā)生或降低其發(fā)生的概率；③阻斷危險變成事故的路徑，盡量不讓事故發(fā)生。不同類型的危險類型，根據(jù)其機理和特性，采取的防范措施會有所不同。系統(tǒng)安全并不只適用于產(chǎn)品開發(fā)過程，而是貫穿產(chǎn)品生命周期的始終。舉一個電池過充保護(hù)的案例，首先必須設(shè)計排氣閥泄壓，降低事故危害程度。采用降電流策略，預(yù)防過充發(fā)生。還需要增加安全策略，如果發(fā)生過充必須切換繼電器，阻斷途徑。動力電池安全防護(hù)設(shè)計的開發(fā)模式具體如圖2所示。

圖2 動力電池安全防護(hù)設(shè)計的開發(fā)模式

相對于手機、Pad等消費電子產(chǎn)品，純電動汽車的能量和功率需求要大很多。為了提高驅(qū)動電路的轉(zhuǎn)換效率，電壓也要高很多。因此，需要很多單體電芯串并聯(lián)在一起，成為電池組，或稱PACK或電池系統(tǒng)。以特斯拉汽車為例，其70kWh電池組，由接近1萬個18650的電芯串并聯(lián)而成。這么多的電芯的一致性直接決定了電池組的性能，遵循木桶原理。其電池系統(tǒng)的能力取決于最短板的電芯的性能，電芯的容量、內(nèi)阻、功率窗口等的一致性和生產(chǎn)過程控制，溫度控制至關(guān)重要。

純電動汽車開發(fā)一般遵循V模型開發(fā)模式，如圖3所示。從整車的性能、安全、質(zhì)量、成本和電池可回收性能等方面的需求進(jìn)行分析，對各系統(tǒng)進(jìn)行匹配計算。根據(jù)整車性能目標(biāo)分解到子系統(tǒng)的性能要求，知道系統(tǒng)設(shè)計和部件選型。細(xì)化各子系統(tǒng)的設(shè)計方案，確認(rèn)開發(fā)實現(xiàn)過程中的測試，重點關(guān)注電池管理、熱管理和機械設(shè)計。子系統(tǒng)完成后，進(jìn)行系統(tǒng)集成開發(fā)。對于之前子系統(tǒng)定義的設(shè)計方案注意進(jìn)行驗證和測試。之后對整車進(jìn)行匹配、標(biāo)定和驗證。系統(tǒng)設(shè)計需要借助于各種仿真分析軟件進(jìn)行優(yōu)化，在系統(tǒng)集成測試時，可以對各系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行驗證和修正?？煽啃缘恼囀请x不開整車的調(diào)試和測試的，電池DVP測試標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)測試規(guī)范編寫，電池性能測試報告及測試結(jié)果分析，電池與整車通信調(diào)試，電池與整車匹配調(diào)試，測試對優(yōu)化設(shè)計反饋報告、可靠性試驗和三高試驗也必不可少。

圖3 V模型開發(fā)模式

3 動力電池系統(tǒng)開發(fā)及驗證

上一章介紹了純電動車的V模型開發(fā)模式。本章按該模式詳細(xì)介紹電池系統(tǒng)各子系統(tǒng)詳細(xì)的開發(fā)和驗證的過程。

3.1 整車動力電池系統(tǒng)的匹配

根據(jù)整車的相關(guān)參數(shù)和性能目標(biāo)，進(jìn)行電機、電池系統(tǒng)匹配計算。匹配計算的原則是協(xié)同已有資源以滿足整車動力性能需求。因為電池系統(tǒng)是給電機系統(tǒng)提供能源的，目標(biāo)是實現(xiàn)整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程，所以電池系統(tǒng)的匹配計算需要和電機系統(tǒng)一起進(jìn)行。

以一輛物流車的整車參數(shù)為例，進(jìn)行相關(guān)計算。其滿載質(zhì)量4490kg，準(zhǔn)備質(zhì)量2890kg。迎風(fēng)面積為4.8m2，風(fēng)阻系數(shù)0.41，輪胎半徑為0.3396m，滾阻系數(shù)0.0076+0.000056V，傳動系統(tǒng)效率為0.95。整車性能目標(biāo)為最高車速超過100km／h，爬坡≥30%。0-100加速時間≤10s，60km等速續(xù)航里程≥200km。

電機額定功率主要用于保證汽車連續(xù)行駛時的30min最高車速和30min爬坡的要求。

1）30min最高車速100km／h對應(yīng)的電機功率需求為平坦路面滿載運行時所需的電機功率：

2）30min爬坡要求電機的額定功率需滿足汽車連續(xù)純電動行駛在9%的坡度上車速達(dá)到15km／h的要求：

計算得到最高車速功率Pe1=43.5kW，爬坡度功率Pe2=20kW。綜上所述：考慮一定的設(shè)計裕量和已有資源，選取電機的額定功率60kW。

根據(jù)最高車速100km／h計算電機最高轉(zhuǎn)速，

計算得到n=3471?？紤]一定的設(shè)計余量和已有資源，選取電機的最高轉(zhuǎn)速為3600r／min，選取基速800r／min。

電機額定功率下的扭矩必須要滿足汽車行駛在9%的坡度上維持車速15km／h的設(shè)計要求。此時所要求的驅(qū)動扭矩為：

此時額定扭矩為346Nm。峰值扭矩必須要滿足汽車以15km／h在20%坡道上行駛的需求。此時需求扭矩為：此時峰值扭矩為719Nm。綜上所述：考慮一定的設(shè)計冗余和已有資源，初步選取額定扭矩為358Nm，峰值扭矩為1000Nm。

根據(jù)電機的峰值扭矩計算的峰值功率

計算得到P=84kW?？紤]一定的設(shè)計裕量和已有資源，選取電機的轉(zhuǎn)速為100kW。

在滿足整車60km等速下續(xù)航里程超過200km和整車電機功率100kW需求的前提下，選取最合適電池電量和電壓范圍。

電池在續(xù)航時的持續(xù)功率是

其他電動附件 （如制動、轉(zhuǎn)向、前照燈等）的功率按2kW計算，所以續(xù)航功率為：

電池的峰值功率為：

根據(jù)電機系統(tǒng)的效能，選取電池電壓平臺要求260V≤U－bat≤408V，動力電池放電深度按80%，計算電池所需電量：

考慮整車的一致性和冬季使用暖風(fēng)等苛刻情況，最終選擇的電池為寧德時代的78kWh的磷酸鐵鋰電池。

將以上選型參數(shù)代入到CRUISE仿真軟件中，計算出整車的性能是否滿足設(shè)定目標(biāo)。系統(tǒng)參數(shù)見表1。

CRUISE仿真軟件計算出來的結(jié)果見表2，達(dá)到了我們的整車性能目標(biāo)。

3.2 關(guān)鍵部件的開發(fā)

首先進(jìn)行電芯的選型。電芯是動力電池系統(tǒng)的基本組成部分，是電動車輛的能量儲存裝置，主要為車輛提供電能的吸收、存儲和供應(yīng)，其比能量、比功率和循環(huán)壽命等參數(shù)，直接影響電動車輛續(xù)駛里程、加速和爬坡能力、使用壽命等性能。根據(jù)其材料不同，主要分為三元材料 （NCM）、磷酸鐵鋰材料 （LFP）和鎳氫電池 （Ni／MH）等。根據(jù)電芯結(jié)構(gòu)，可以分為圓柱形、方形硬殼和鋁塑膜軟包等。圓柱形電芯，主要規(guī)格有18650和21700，殼體以鋼殼為主，結(jié)構(gòu)成熟，工藝制造成本低。自動化生產(chǎn)工藝成熟度高、生產(chǎn)效率高、成品率及電芯一致性高。單個典型能量少，所以一個電池包需要的單體電池量大、成組成本高、電芯壽命較低，對于電池均衡和散熱性能要求較高。典型車型有特斯拉。方形硬殼，殼體以鋁合金為主，結(jié)構(gòu)可靠性高，電芯循環(huán)壽命長，NCM約3000~4000次，LFP約6000次。但殼體較重，能量密度較低，機械結(jié)構(gòu)成本較高。國內(nèi)車型 （主要是寧德時代電池）大量使用。鋁塑膜軟包質(zhì)量輕，較同等容量的鋼殼鋰電池輕20%~40%。體積能量密度高，可節(jié)約體積20%以上，其定制化水平很高。殼體機械性能低，容易發(fā)生漏液，自動化程度低，工藝復(fù)雜，散熱設(shè)計困難。典型車型是奔馳EQC和日產(chǎn)的Leaf等。根據(jù)續(xù)駛里程200km，車速目標(biāo)100km／h，能耗小于0.25ekg，初步設(shè)計總能量為80kWh（上一章節(jié)已經(jīng)推導(dǎo)）。系統(tǒng)容量=總能量／系統(tǒng)額定電壓=80kWh／384V≈208Ah。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有資源，推薦以下3種進(jìn)行綜合對比，見表3。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

表2 CRUISE仿真軟件計算出的結(jié)果

表3 方案綜合對比

根據(jù)電池系統(tǒng)總能量和質(zhì)量需求，其系統(tǒng)比能量要求為大于140Wh／kg，故選擇大電芯容量202Ah的方形LFP電池，根據(jù)其單體電芯額定電壓為3.22V，計算系統(tǒng)的串聯(lián)數(shù)量為：單體電池串聯(lián)數(shù)量n=電池系統(tǒng)額定電壓／單體電池額定電壓（單體電池串聯(lián)數(shù)n=384V／3.22V=119.3≈120）。所以根據(jù)以上對比和計算結(jié)果，結(jié)合整個布置方案，選定的方案1的典型，1并120串，系統(tǒng)額定電壓為386.4V。

動力電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是很關(guān)鍵的因素，直接決定了電池系統(tǒng)的耐久性。該動力電池系統(tǒng)的布置需要沿用電動車平臺化的設(shè)計，底盤采用中置電機直接驅(qū)動后橋，高壓系統(tǒng)全部布置于底盤內(nèi)側(cè)，大大增加了動力電池系統(tǒng)的防碰撞性能。電池位置分為前、后電池箱，分別布置于底盤前橋后部和后橋后部位置，全部位于車架內(nèi)側(cè)?？紤]到高壓線束的長度和充電接口的位置，電池的分流箱布置在車架中部。電池分流箱布置位置見圖4。電池箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足機械沖擊、振動、翻轉(zhuǎn)等國標(biāo)強度要求。因為電池箱布置在車架上，所以需要IP67防護(hù)密封性設(shè)計。

圖4 電池分流箱布置位置

電池箱相關(guān)附件的設(shè)計也很重要，如高壓線、分流箱等。高壓線束布置需考慮整車工況，無振動松脫、折斷等現(xiàn)象，其折彎半徑應(yīng)該大于2.5倍的線束直徑。根據(jù)電箱、分流箱和充電接口等位置，進(jìn)行合理設(shè)計。線束需要依附在車架、車身上，尋找可靠的固定點，固定點的間隔不應(yīng)該超過50cm。線束布置需要預(yù)留插接件操作空間，保證售后維修易操作性。高低壓線束需隔離，走向分開設(shè)計，保證通信可靠。電池管理系統(tǒng)的一些硬件，如電池管理單元BMU、電子鎖、高壓采集HVB、維修開關(guān)MSD、高壓繼電器等應(yīng)該布置在分流箱總成中。分流箱的布置和電池箱布置一樣，需要結(jié)構(gòu)可靠和IP67密封。

下面介紹電池系統(tǒng)中一個重要模塊BMS系統(tǒng)的設(shè)計。這是一個為管理動力電池的電子控制系統(tǒng)，包括傳感器、控制器、各種控制、驅(qū)動開關(guān)以及信息通信儲存模塊等。它是動力電池的指揮官，保證動力電池系統(tǒng)在安全的電壓、電流、溫度范圍內(nèi)運行，并預(yù)防個別電芯早期損壞、在異常情況下采取干預(yù)措施。根據(jù)環(huán)境溫度、電池狀態(tài)及車輛需求，決定電池的充放電功率，盡可能延長電池的使用壽命。提供車輛控制電池系統(tǒng)所需要的狀態(tài)信息等。它具備5大功能如圖5所示。電池狀態(tài)監(jiān)測功能，對電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)實時進(jìn)行梱測，同時對電池系統(tǒng)的絕緣電阻進(jìn)行持續(xù)測量。電池狀態(tài)分析功能，通過電池狀態(tài)監(jiān)測的參數(shù)，以及電芯類型，OSC-SOC曲線、充放電參數(shù)等對電池狀態(tài)SOC和SOH進(jìn)行估算。電池安全保護(hù)功能，通過降低使用電流切斷充放電通路來實現(xiàn)，包括過流保護(hù)、過充過放保護(hù)、過溫保護(hù)。能量控制管理功能，包括充電控制管理、放電控制管理、電池均衡管理。電池信息管理功能，電池信息的顯示，包含電池的電壓、電流、溫度等，剩余電量，報警信息。系統(tǒng)內(nèi)外信息的交互，電池歷史信息存儲。有些車型會將BMS上增加4G數(shù)據(jù)接口模塊，將電池信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

BMS對電池系統(tǒng)的故障進(jìn)行管理并采取不同的應(yīng)對措施，保證整車安全。其基本的故障策略如表4所示。同時BMS系統(tǒng)決定了整車電池系統(tǒng)的電壓原理，并在整車通信矩陣中起著極其重要的作用，與整車控制器 （VCU）、高壓配電箱 （PDCU）、車載充電機 （OBC）之間相互通信并指揮著整車的供電系統(tǒng)。BMS系統(tǒng)中，有很多高低壓元器件。根據(jù)其電壓范圍，最大電流持續(xù)時間，高低邊驅(qū)動和負(fù)載開閉合循環(huán)次數(shù)確認(rèn)這些元器件的型號和功率。

BMS系統(tǒng)根據(jù)電池的熱管理設(shè)計，控制著動力電池的散熱和加熱系統(tǒng)。如磷酸鐵鋰電池，為了保證-10℃以下極寒環(huán)境下的充電性能，采用電加熱膜加熱，加熱膜位于電芯間隙間。電池加熱溫升速率：約0.2℃／min，加熱功率約1.67kW±8%。加熱控制策略設(shè)計按充放電兩個條件管理，當(dāng)放電時，低于12℃啟動加熱，高于15℃關(guān)閉加熱；當(dāng)充電時，低于17℃啟動加熱，高于20℃關(guān)閉加熱。

3.3 仿真驗證設(shè)計

動力電池系統(tǒng)的仿真分析，分別從結(jié)構(gòu)件強度方面和電池系統(tǒng)熱管理方面，對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，從而虛擬驗證系統(tǒng)的可靠性。結(jié)構(gòu)強度仿真，主要通過使用HYPERWORKS、OPTISTRUCT等軟件進(jìn)行仿真，分別從模態(tài)、隨機振動、沖擊分析方面，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度和剛度方面進(jìn)行虛擬驗證。電池?zé)峁芾矸抡?，主要通過對電池系統(tǒng)兩種典型工況 （低溫加熱工況、整車典型使用工況）進(jìn)行模擬，從而驗證電池低溫加熱功能及整車循環(huán)使用壽命。

圖5 5大功能示意圖

表4 故障策略

結(jié)構(gòu)強度仿真，需要對電池箱的模態(tài)和隨機振動沖擊進(jìn)行分析。材料選擇，不但要考慮強度、輕量化的要求，同時也要兼顧成本。一些鈑金支架可以更改為鑄造支架，減少材料壁厚和增加相關(guān)加強筋。表5顯示的是電池箱改進(jìn)前后各階模態(tài)的要求，表6是電池箱改進(jìn)前后各種工況下仿真后的結(jié)果。仿真計算時，不但要對電池箱本體進(jìn)行分析，而且要對分流箱、電池箱支架、分流箱支架等進(jìn)行分析。兩輪電池箱極其支架的建模見圖6。

除了強度分析，電池系統(tǒng)熱管理也可以用軟件進(jìn)行仿真計算。主要有散熱工況驗證，模擬40℃高溫環(huán)境下，車輛的使用工況過程中，動力電池電芯溫升情況。低溫加熱工況，模擬-25℃低溫環(huán)境下，動力電池靜置加熱電芯溫升情況，驗證其溫升速率及溫差要求。Busbar連接鋁巴溫度分析，主要分析靜置加熱結(jié)束時刻電芯JR和Busbar連接鋁巴的溫升情況。仿真結(jié)果見圖7所示，當(dāng)電芯由初始溫度-25℃加熱升溫到20℃時，電芯JR和Busbar連接鋁巴的升溫速率在0.25~0.35℃／min之間，滿足升溫速率要求。電芯JR和Busbar連接鋁巴的溫差在12.1~14.7℃之間，滿足溫差15℃的要求。

表5 電池箱改進(jìn)前后各階模態(tài)要求

表6 電池箱改進(jìn)前后各種工況下仿真后的結(jié)果

圖6 兩輪電池箱極其支架的建模

圖7 仿真結(jié)果

仿真計算十分重要，但不能等同于實物驗證。再好的設(shè)計，都需要通過實物檢驗。電池系統(tǒng)一般分為臺架試驗和整車試驗兩部分。臺架試驗主要對其電性能、機械性能、環(huán)境適應(yīng)性、功能安全等進(jìn)行驗證。試驗通過后，電池系統(tǒng)裝配到整車上需要進(jìn)行兩輪可靠性、一輪電磁兼容試驗和一輪三高試驗。只有這些試驗全部通過后，才能將該電池系統(tǒng)投入生產(chǎn)。當(dāng)然，純電動汽車能否銷售，其電池系統(tǒng)和整車的公告試驗驗證也是必不可少的。

4 總結(jié)

汽車尾氣對環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，已經(jīng)是大氣環(huán)境最突出、最緊迫的問題之一。發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)中國能源安全和環(huán)境保護(hù)以及中國汽車工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。純電動汽車以車載二次電源作為儲能方式，相比混合動力汽車而言，具有零排放、低噪聲且結(jié)構(gòu)簡單等特點，受到了世界各國政府的廣泛關(guān)注。中國在純電動汽車的生產(chǎn)研發(fā)中積累了一定的技術(shù)能力，后續(xù)還需要對純電動汽車，尤其是動力電池系統(tǒng)能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化，提高動力電池的能量密度和系統(tǒng)的平均效率。同時要結(jié)合集成化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化，進(jìn)一步降低整車能耗，提高整車的安全性和可靠性。