電動汽車可拓展的高壓電池包研究

劉陽勇

摘要：隨著國內(nèi)新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，以及國家對新能源汽車在政策方面的支持，國內(nèi)新能源汽車的產(chǎn)銷量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年我國新能源汽車產(chǎn)銷達到了136.6萬輛和136.7萬輛，同比增長7.5%和10.9%。在新能源汽車產(chǎn)品中，純電動汽車和插電式混合動力汽車產(chǎn)銷均呈現(xiàn)增長趨勢。隨著新能源汽車技術(shù)的發(fā)展和變革，除了影響新能源汽車在銷量方面的增長，也使得新能源汽車的產(chǎn)品種類也越來越多。這使得普通大眾對新能源汽車的認識存在一定的難度。因此，本文作者從新能源汽車的概念出發(fā)，一方面介紹不同類型的新能源汽車;另一方面，針對不同類型的新能源汽車的工作原理和結(jié)構(gòu)特點進行說明。

關(guān)鍵詞：電動汽車;可拓展高壓電池包;布置位置

引言

近年來環(huán)境污染愈發(fā)劇烈，能源問題愈發(fā)嚴重，傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)展逐漸受限。為保證交通運輸能力、改善環(huán)境能源，大力發(fā)展高效無污染、使用便捷的電動汽車成為有效措施之一。電池包作為電動汽車的唯一動力源，是電動汽車的核心，在其整體的能量密度無法提升的前提下，大多電動車研發(fā)公司通過增加電池單體的數(shù)量來提高電動車的續(xù)航時間和性能，但導(dǎo)致電池包質(zhì)量增大，動力性不能大幅提高。為改善汽車動力性及安全性，整體結(jié)構(gòu)的輕量化優(yōu)化改進及新型材料的生產(chǎn)逐漸成為主要研究方向。動力電池包作為電動汽車的核心部件之一，其質(zhì)量占整車質(zhì)量的20%～30%，優(yōu)化車載動力電池包結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)電池包輕量化的重要途徑之一。

1汽車低壓蓄電池技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀70年代左右，車用電氣系統(tǒng)進行了一次大規(guī)模升級，形成了目前較為普遍的12V系統(tǒng)。20世紀90年代，美國曾試圖主導(dǎo)新一次電氣系統(tǒng)升級，推動42V系統(tǒng)應(yīng)用。受限于當(dāng)時的技術(shù)水平，這次升級以失敗告終。近年來，由于各種大功率電子器件不斷集成，節(jié)能減排技術(shù)不斷更新，出現(xiàn)了48V弱混合動力性汽車。目前，主流的純電動汽車低壓系統(tǒng)依然沿用12V鉛酸電池的方案。電動汽車的大功率用電器可從動力電池中取電，而低壓用電系統(tǒng)通常使用動力電池經(jīng)過DCDC轉(zhuǎn)換后間接驅(qū)動動力電池中的能量。

2動力電池包發(fā)展現(xiàn)狀

目前汽車市場上成熟的純電動車型（BEV）均通過固定在車身上的高壓電池包進行能量供給，電池的電量通過高壓充電口外界獲得，如別克微藍、特斯拉Model3等。單體電池?zé)o論是從容量還是電壓方面來說，都不能滿足電動汽車對動力源的需求，為了達到電動汽車的使用要求，需要將單體電池進行串聯(lián)或者并聯(lián)，組成大容量、高電壓的電池包。電池包內(nèi)單體電池串并聯(lián)方式及電池個數(shù)的不同，都會導(dǎo)致電池包容量、電壓也不同。通常，由于受限于電池電量密度和車型空間結(jié)構(gòu)，一定體積的電池包內(nèi)的電量是有限的。補充電量所需的時間較長，而且外界的充電設(shè)施分布不均、數(shù)量不足，當(dāng)電池缺電時，普遍缺乏快速補充電量的方法。為了克服車主的里程焦慮，各大整車企業(yè)都提出了提升BEV車型續(xù)航里程的解決方案。

3可拓展高壓電池包的創(chuàng)新點

3.1材料輕量化

輕量化材料指的是低密度、高強度，在整車上應(yīng)用后可提升單位面積承載重量的材料，最常用的有高強度鋼、鎂合金、鋁合金及碳纖維等。箱體上蓋不承受側(cè)面及底面的沖擊，也不支撐整個電池組的質(zhì)量，僅僅是密封作用，若下箱體有足夠的剛強度，上蓋可采用PP基材增強塑料，選用3mm厚的PP玻纖增強復(fù)合材料來代替1mm厚的沖壓鋼板，降重可達50%。例如全鋁車身的奇瑞EQ1電池箱體上蓋采用了PP+LGF材料進行減重。湖北汽車工業(yè)學(xué)院的康元春等人采用碳纖維材料對動力電池箱體進行鋪層設(shè)計，最終得到的碳纖維電池箱體質(zhì)量減重52.17%，且其靜、動態(tài)性能均滿足設(shè)計要求。等采用RBDO方法對電池箱體碳纖維上蓋進行模擬研究，其結(jié)果表明碳纖維增強復(fù)合材料上蓋相較于Carbon-SMC材料上蓋再次減重4.924Kg，降重比達到22.14%。

3.2可拓展高壓電池包的創(chuàng)新點

（1）一個小型的快速插接高壓電池包，相當(dāng)于汽車的“充電寶”。本電池包內(nèi)含6個電池模組，采用獨立高壓電池管理系統(tǒng)（BMS），通過上下鋁制殼體進行電池保護，同時完成電池包的輕量化目標。（2）本高壓電池包布置于行李箱內(nèi)部，并且對于車身結(jié)構(gòu)的改動較小，可以有效縮短開發(fā)周期。（3）本高壓電池包可應(yīng)用于所有的BEV車型，技術(shù)方案的車型可拓

展性強。（4）車主在不需要專業(yè)人員幫助的情況下，就能自行完成快速更換該可拓展高壓電池包。

3.3底盤和電池包箱體的集成化

動力電池箱體與底盤安裝位置形成了結(jié)構(gòu)重合區(qū)域，是動力電池增重的主要原因之一，因此底盤和動力電池包箱體協(xié)同優(yōu)化設(shè)計對電動汽車輕量化開發(fā)具有重要意義。寧德時代在公司技術(shù)路線規(guī)劃中指出：在動力電池電芯能量密度沒有技術(shù)性突破的情況下，電池包的能量密度在2022～2023年要達到230～260W.h/Kg，需要與整車廠協(xié)同開發(fā)底盤與電池包高度集成的新電池箱體構(gòu)件。美國能源局聯(lián)合Stanford大學(xué)，進行了純電動汽車底盤—動力電池的研究項目，將電池箱體與底盤集成一體，將電動汽車整車質(zhì)量降低40%以上，并優(yōu)化了底盤及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)。

3.4合車

目前國內(nèi)有兩種主流合車工藝：動態(tài)式連續(xù)合車和靜態(tài)啟停式合車。文中介紹的自動合車屬于后者，整體式合裝自動化程度較高，裝配質(zhì)量更多靠設(shè)備來保證，故其對車身、零部件、托盤等精度的要求較高。合車是通過底層設(shè)備與吊具的串聯(lián)來實現(xiàn)車身孔與托盤銷之間的連接，從而實現(xiàn)電池包與車身的結(jié)合。由于該尺寸鏈較長，最終的累積偏差需通過托盤浮動吸收，一般該浮動量設(shè)置為單邊5mm。該浮動量可通過三維仿真軟件核算，建議運行次數(shù)設(shè)置為10000次或以上，以得到的最大偏差值作為評價依據(jù)，從而對各工裝設(shè)備的公差及過程配合的孔銷浮動量進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整，直至滿足合車需求。

3.5能源管理策略

在車輛行駛的過程中，低壓蓄電池處于放電狀態(tài)，且功率相對于動力電池而言更穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)600W左右的負載。如果電池儲能3.11kWh，則峰值功率也不超過0.25C。因此可以選擇梯次利用電池或者其他高密度低成本鋰電池。在車輛給動力電池充電的同時，通過DCDC為該小電池補電。因此，該方案不能直接降低整車電網(wǎng)端能量消耗率。鋰電池的單體特性區(qū)間通常是3.0～4.2V，4個電芯串聯(lián)可到達12～16.8V。因低壓系統(tǒng)正常工作電壓一般都設(shè)計在9～16V，且梯次利用電池剩余電量及壽命、安全等問題，單體電壓使用范圍為3～4V。

結(jié)束語

近些年，隨著一批造車新勢力的加入，不僅推動了國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)品的高端化，更是積極地推進了我國的新能源汽車在智能化和網(wǎng)聯(lián)化方面的發(fā)展。相信隨著國內(nèi)新能源汽車市場的不斷擴大，以及國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)支持，我國針對新能源汽車的生產(chǎn)制造，不僅在產(chǎn)品種類方面會更加的多元化，而且在技術(shù)方面也會越來越領(lǐng)先于傳統(tǒng)的老牌汽車生產(chǎn)強國。

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