一種混合動力特種車輛的電池系統(tǒng)設(shè)計與研究

楊兵 張玉榮 肖峰

摘要：經(jīng)過10余年的研究開發(fā)和發(fā)展，我國新能源汽車行業(yè)已經(jīng)形成了從原材料供應(yīng)、動力電池、整車控制器等關(guān)鍵零部件自主研發(fā)和創(chuàng)新制造;市場分析預計到2025年新能源汽車銷售量將超過1000萬臺，動力電池系統(tǒng)是新能源汽車動力核心，隨著國家政策和對新能源汽車技術(shù)要求不斷提高，對動力電池系統(tǒng)安全性要求更高，指導和推進企業(yè)研發(fā)出更加安全的電池系統(tǒng)以滿足國家政策要求和市場需求。同時軍民一體化發(fā)展在新能源汽車領(lǐng)域也得到長足發(fā)展，目前有多家企業(yè)正在承接混合動力特種車輛新能源汽車和關(guān)鍵零部件的研發(fā)和制造;為推進新能源汽車發(fā)展起著非常重要作用。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;電池包;電池管理系統(tǒng);熱管理系統(tǒng)

中圖分類號：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0190-02

0? 引言

新能源汽車是國家發(fā)展戰(zhàn)略重要一部分，新能源汽車軍民一體化發(fā)展得到充分應(yīng)用，本項目中一款混合動力特種車輛用電池系統(tǒng)設(shè)計與研究，主要依據(jù)混合動力特種車輛的需求，搭載在一款6x6 全地形車上，此車具備復雜戰(zhàn)場環(huán)境的全天候、全地域空地一體化作戰(zhàn)能力，能夠執(zhí)行快速部署、地面突擊、要點奪控等重要任務(wù)，具備靜默行駛能力，良好的高低溫、高海拔低氣壓適應(yīng)性，可適合全天候、全地域使用。目前，尚沒有滿足特殊專用車需求的同類產(chǎn)品，本項目研發(fā)的成果，將填補技術(shù)和產(chǎn)品空白。

混合動力特種車輛與傳統(tǒng)乘車最大區(qū)別在于重量大、高機動性、工況惡劣。該項目設(shè)計研究的高比能電池系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)品特殊性要求與規(guī)定的的產(chǎn)品六性要求，必須滿足可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性。因而混合動力特種車輛電池系統(tǒng)開發(fā)要求遠高于行業(yè)內(nèi)同性能的電池系統(tǒng)。

考慮到此款電池系統(tǒng)搭載在軍用突擊戰(zhàn)車上，由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境，需空降到敵對區(qū)域靜默行駛以達到突擊效果，因此軍用混合動力汽車用電池系統(tǒng)不是單純的追求高續(xù)航里程，設(shè)計的突出重點應(yīng)該放在高比功率和安全性上。在滿足軍標六性要求的前提下，進行全新的整包結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計需考慮到BDU 集成及輕量化處理等因素，且整包結(jié)構(gòu)的合理性將直接關(guān)聯(lián)到BMS 及熱管理系統(tǒng)的工作效果，熱管理系統(tǒng)內(nèi)部集成冷板，因而對材料和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計要求更高。高功率放電能力，持續(xù)放電電流達到15C（225A），峰值放電電流達20C（300A），BMS 的SOC 估算技術(shù)及電池組均衡技術(shù)成為研究關(guān)鍵，模組溫差控制在4℃以內(nèi)，遠高于行業(yè)10℃的標準，使得電池系統(tǒng)設(shè)計安全、可靠。

1? 一種混合動力特種車輛電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究

該電池系統(tǒng)面向混合動力特種車輛，其車身重，加速要求高，爬坡能力強，基于此，模組作為電池系統(tǒng)最核心的單元，作為整車的動力來源，成組方式及性能參數(shù)至關(guān)重要。系統(tǒng)電芯為軟包封裝技術(shù)，能量密度高，具備高功率放電能力，持續(xù)放電電流：RT@15C（225A），峰值放電電流：RT@20C（300A），安全性好。除此以外，還需依據(jù)CAE 分析情況，對整包殼體進行輕量化設(shè)計與研究，在保障結(jié)構(gòu)強度滿足安全性的前提下，最大限度的減輕重量;為保障系統(tǒng)高壓安全性，在高壓盒（BDU）內(nèi)部的有限空間內(nèi)集成7類繼電器，并充分分析和研究更加穩(wěn)妥的安全控制策略，保證高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)絕緣性達到極限值，保障了整車高壓安全和人員安全。

電池整包結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

具體研究方案：

第一步，依據(jù)該項目混合動力特種車輛的規(guī)格及電池包預留空間，確定整板的基本尺寸和各固定點及進出水口方向;

第二步，依據(jù)動力需求確定電池模組數(shù)量及位置;

第三步，確定BDU 的尺寸及位置;鑒于前期樣件需求，BDU 前期驗證使用3D 打印技術(shù)，BDU 內(nèi)部在有限的空間的集成各種繼電器以及采取合適的安全控制策略，以保證高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)絕緣，防止高壓漏電及保證維修人員安全;

第四步，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，包括水道走板方式及設(shè)計方式的確定，冷卻介質(zhì)選擇50%乙二醇兌水;低溫加熱方案選擇4 塊PTC 板，其中PTC 加熱板與高溫散熱的水冷板為一體式集成板，如圖2所示。此方案在國內(nèi)尚屬先例。

最后，結(jié)合CAE 軟件分析，確定整體方案，并在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度滿足整車安全性能前提下，最大限度減輕重量，結(jié)合理論技術(shù)及仿真優(yōu)化分析，樣件重量小于80kg。

2? 電池管理系統(tǒng)策略設(shè)計與研究

BMS 設(shè)計工作任務(wù)繁多，涉及到整個電池系統(tǒng)的監(jiān)控。主要設(shè)計研究集中在SOC 估計算法和均衡電流方法兩個方面。

常規(guī)SOC 估算方法多為單一方法，本設(shè)計將安時法與開路電壓法相結(jié)合，通過開路電壓法對安時法的SOC 結(jié)果進行校正，保障SOC 誤差控制在3%以內(nèi)。通過電池的初始電量，利用電池的充放電電流對一段時間內(nèi)的電池沖入或放出的電荷量進行計算，即可得到當前時刻的電池荷電狀態(tài)，除此以外，還需考慮庫倫效率、電池壽命補償以及溫度補償?shù)纫蛩貙Π矔r積分法的估算結(jié)果就行修正，即便如此，考慮到電池出狀態(tài)、自放電以及電流精度影響等問題，安時法的SOC 估算誤差是固有的，因此，我們考慮到在SOC 的中間區(qū)間（10%

在均衡電流研究方面，主要是被動均衡和主動均衡兩種方案。被動均衡方法簡單，實用效果較好，主動均衡更節(jié)能，但相對復雜。對BMS 來講，均衡策略很重要。在電池單體的一致性差異在一定范圍內(nèi)時，電池的電量和電壓成正相關(guān);但是當電池的一致性差的遠，也就是有電池處于受損狀態(tài)時，電量和電壓相關(guān)性就沒那么強了，這時的均衡依據(jù)，就不能單以電壓這一數(shù)據(jù)來判斷。如果意識不到有電池損壞到臨界狀態(tài)以下，依然根據(jù)電壓均衡，反而會對電池造成傷害，尤其是主動均衡，因其電流大造成的傷害會比被動均衡更大。

3? 熱管理系統(tǒng)的設(shè)計研究

通過溫度傳感器，對每個電芯進行實時監(jiān)控，通過創(chuàng)新性的熱管理總成結(jié)構(gòu)，基于實驗計算好冷卻介質(zhì)的流速，及時吸收電池的多余熱量，使電池一直處在最佳的充放電區(qū)間，由于對每個電芯均進行了監(jiān)測，可保證電池組溫度分布的一致性，各電芯溫差控制在4℃以內(nèi)，避免了由于個別電池高溫而引發(fā)的爆炸或者火災，能夠及時的排除電池組內(nèi)電池單體發(fā)生溫度失控現(xiàn)象的可能;能夠監(jiān)測因為電池內(nèi)部發(fā)生化學反應(yīng)而產(chǎn)生的有害氣體，保障有效通風，提高了電池使用過程中的安全性。以安全性為出發(fā)點，保障電池系統(tǒng)的性能和壽命，使電池工作在一定的溫度范圍內(nèi)，從而維持最佳工作狀態(tài)。該項目設(shè)計研究的高比能電池系統(tǒng)需滿足工作環(huán)境在-40℃至70℃之間，并保證模組溫差小于4℃（行業(yè)內(nèi)是10℃），確保模組高效穩(wěn)定運行。因此需致力于冷卻方案和加熱方案的結(jié)合設(shè)計研究。創(chuàng)造性的將PTC 加熱板與高溫散熱的水冷板實現(xiàn)一體式集成，在低溫條件下加熱溫升快，效率高，PTC 停止工作后，集成板內(nèi)介質(zhì)（防凍液）可以起到保溫作用，如圖3 所示。

目前國內(nèi)市場主要的熱管理方式是通過介質(zhì)實現(xiàn)加熱與冷卻，此種方式對整車能量消耗較高，我司的設(shè)計考慮到電池自身的溫升速度安全性，采用慢充方式，可通過采取市電實現(xiàn)PTC 加熱，其次電池加熱來源于慢充，整車無需再單獨設(shè)計整包加熱模塊，從而節(jié)約整車能源，簡化整車的結(jié)構(gòu)。

4? 結(jié)論

本款混合動力特種車輛電池系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)成功應(yīng)用于混合動力特種車輛，為在混合動力特種車輛特殊領(lǐng)域推進混合動力汽車發(fā)展提供了參考依據(jù)。同時提升動力電池系統(tǒng)通過傳統(tǒng)技術(shù)開發(fā)向更高層級發(fā)展提供基礎(chǔ)，也為電池系統(tǒng)放電倍率由目前3C提升到15C提供了詳細實驗數(shù)據(jù)，也為多種新技術(shù)、新材料在電池系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用提供實驗基礎(chǔ)和實驗方案和數(shù)據(jù)分析。為以后開發(fā)出更安全、更可靠混合動力特種車輛電池系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]徐曉明，胡東海，等.動力電池系統(tǒng)設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社.

[2]許慧娟，畢艷軍，于敏麗.基于TEC的鋰電池液冷系統(tǒng)建模及熱力學特性分析[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學院學報，2020（03）：74-77.

[3]王博.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計[D].長春，吉林大學，2016.

[4]符興鋒，李罡，曾維權(quán)，等.動力電池包抗振安全性設(shè)計研究[J].汽車技術(shù)，2018（5）.

[5]王君君.鋰離子動力電池系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[6]楊國亮，齊同啟，等.純電動汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計[J].汽車工程師，2015（11）：41-44.