最易懂的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池系統(tǒng)指用來給電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)提供能量的一種能量?jī)?chǔ)存裝置，由一個(gè)或多個(gè)電池包以及電池管理(控制)系統(tǒng)組成。動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以滿足整車的動(dòng)力要求和其他設(shè)計(jì)為前提，同時(shí)要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計(jì)等方面。

比如整車廠會(huì)針對(duì)要設(shè)計(jì)的整車，在考慮安全設(shè)計(jì)、線束連接線設(shè)計(jì)、接插件設(shè)計(jì)等相關(guān)要求后，形成一個(gè)有限的動(dòng)力電池系統(tǒng)空間大小。然后在有限的空間約束下，進(jìn)行電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等布置，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命與安全。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到的一些整體和通用性原則包括安全性好、高比能量、高比功率、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)性強(qiáng)、綜合成本低等。

由于不同種類電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和工作模式的不同，導(dǎo)致對(duì)動(dòng)力電池的性能要求也不一樣。純電動(dòng)汽車行駛完全依賴于動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長(zhǎng)，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動(dòng)力汽車對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的容量要求比純電動(dòng)汽車要低，但要能夠在某些時(shí)候提供較大的瞬時(shí)功率。而串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車對(duì)電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

一種典型的動(dòng)力電池系統(tǒng)

因此動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程一般如下：

(1)先確定整車的設(shè)計(jì)要求;

(2)然后確定車輛的功率及能量要求;

(3)選擇所能匹配合適的電芯;

(4)確定電池模塊的組合結(jié)構(gòu)形式;

(5)確定電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求;

(6)仿真模擬及具體試驗(yàn)驗(yàn)證。

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要組成部分，下文主要按其的具體結(jié)構(gòu)及功能來談?wù)勗O(shè)計(jì)要求。分為電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機(jī)械系統(tǒng)這四個(gè)主要部分。

1.電池模組的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池模組是指動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動(dòng)力電池系統(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。動(dòng)力電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。在查閱資料統(tǒng)計(jì)得到的不同材料電芯基本性質(zhì)如下表所示。

按電芯的結(jié)構(gòu)形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了電池模組的性能進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。因此在進(jìn)行動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一定要根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求去選擇電芯的材料及形狀。

那么首先要通過電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求以及各種高電壓機(jī)器配件等所需的消耗電力、時(shí)間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量。然后在進(jìn)行電池模塊設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到動(dòng)力電池的特性。因?yàn)閯?dòng)力電池在不同溫度下輸出/輸入會(huì)發(fā)生變化。容量、輸出性能會(huì)隨使用時(shí)間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，將不能滿足低溫時(shí)的加速性能和爬坡性能，并且當(dāng)電池老化時(shí)還會(huì)給系統(tǒng)性能造成影響。電池模組由多個(gè)動(dòng)力電芯串并聯(lián)組合而成，包括單體電芯、固定框架、電連接裝置，還有溫度傳感器、電壓檢測(cè)線路等。

動(dòng)力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程(電芯→模塊→系統(tǒng))

在結(jié)合整車設(shè)計(jì)要求的前提下對(duì)電池模組進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電池模組設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

·電池成組的固定連接方式要根據(jù)動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體要求對(duì)選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行。

·電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結(jié)構(gòu)部件具有足夠的強(qiáng)度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風(fēng)散熱通道。

·電池單體之間的導(dǎo)電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導(dǎo)電連接部位的導(dǎo)電能力要滿足用電設(shè)備的最大過流能力。

·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護(hù)問題，例如絕緣間隙和爬電距離等。

方形電芯和圓柱電芯的電池模組

2.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)(BMS)，即Battery Management System，通過檢測(cè)電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個(gè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制調(diào)整和策略實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)的基本功能可以分為檢測(cè)、管理、保護(hù)這三大塊。具體來看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、均衡控制、熱管理、安全保護(hù)、信息管理等功能。

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)在硬件上可以分為主課模塊和從控模塊兩大塊。主要由數(shù)據(jù)采集單元(采集模塊)、中央處理單元(主控模塊)、顯示單元、均衡單元檢測(cè)模塊(電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測(cè))、控制部件(熔斷裝置、繼電器)等組成。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成。一般采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互間的信息通訊。

在動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)功能一般包括電壓檢測(cè)、溫度采集、電流檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測(cè)功能、充電管理、熱管理等。整體的設(shè)計(jì)指標(biāo)包括最高可測(cè)量總電壓、最大可測(cè)量電流、SOC估算誤差、單體電壓測(cè)量精度、電流測(cè)量精度、溫度測(cè)量精度、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監(jiān)測(cè)與調(diào)試功能等。

BMS通過通訊接口與整車控制器、電機(jī)控制器、能量管理系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行通訊，整個(gè)工作過程大致為：首先利用數(shù)據(jù)采集模塊采取電池的電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù)→然后采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊→主控模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，發(fā)出對(duì)應(yīng)的程序控制和變更指令→最后對(duì)應(yīng)的模塊做出處理措施，對(duì)電池系統(tǒng)或電池進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元模塊。

在電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求方面要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如QC/T 897-2011：

·電池管理系統(tǒng)與動(dòng)力電池相連的帶電部件和其殼體之間的絕緣電阻值不小于2MΩ。

·電池管理系統(tǒng)應(yīng)能經(jīng)受相關(guān)的絕緣耐壓性能試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中應(yīng)無擊穿或閃絡(luò)等破壞性放電現(xiàn)象。

·SOC的估算精度要求不大于10%。

·電池管理系統(tǒng)應(yīng)能在相關(guān)規(guī)定條件下，比如過電壓運(yùn)行、欠電壓運(yùn)行、高低溫運(yùn)行情況下滿足狀態(tài)參數(shù)測(cè)量精度的要求。

3.熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是從使角度出發(fā)，用來確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng)，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測(cè)設(shè)備等部件構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有如下幾項(xiàng)主要功能：

(1)電池溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)控;

(2)電池組溫度過高時(shí)的有效散熱和通風(fēng);

(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作;

(4)有害氣體產(chǎn)生時(shí)的有效通風(fēng);

(5)保證電池組溫度場(chǎng)的均勻分布。

當(dāng)車輛在不同運(yùn)行工況下，電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻，在輸出功率、電能的同時(shí)產(chǎn)生一定的熱量從而產(chǎn)生熱量累積使電池溫度升高，空間布置的不同使得各處電池溫度并不一致。當(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時(shí)，必須限功率工作，否則會(huì)影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命，車用動(dòng)力電池系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)具有熱管理系統(tǒng)。