最易懂的動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可以從動力電池系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)組成看到，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時要考慮到電池單體和電池模塊兩個層次的結(jié)構(gòu)。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中就必須要考慮到電池單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時，一般設(shè)計(jì)要求有如下幾個方面：

·電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義及電池降功率工作區(qū)間定義。具備電池低溫啟動性能要求及電池隔熱功能。

·電池制冷和制熱功能：電池系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)在低溫下能夠快速升溫， 以達(dá)到整車大功率和能量的需求， 或者整車熱管理系統(tǒng)采用空調(diào)系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)冷卻水來維持電池系統(tǒng)在最優(yōu)的工作溫度區(qū)間。而采用主動方式還是被動方式的加熱和散熱，效率會有很大差別。

·制冷和制熱方案， 如風(fēng)冷或液冷。風(fēng)冷方案設(shè)計(jì)主要考慮電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 風(fēng)道， 風(fēng)扇的位置及功率的選擇， 風(fēng)扇的控制策略等。液冷方案設(shè)計(jì)主要考慮冷卻管道， 流場， 進(jìn)出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調(diào)壓縮機(jī)的控制策略等。在采用風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)與與液冷冷卻系統(tǒng)時要考慮各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)和液冷式冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

4.電氣及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電氣及機(jī)械系統(tǒng)主要包括高壓系統(tǒng)、電池箱體、連接線束、機(jī)械接插件等，其中高壓系統(tǒng)主要由繼電器、電流傳感器、電阻和熔斷器等器件組成。電氣系統(tǒng)能夠保證設(shè)備運(yùn)行的可靠與安全，實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)控制功能。電池系統(tǒng)的箱體則要固定安裝到整車上，是電動汽車的一個重要的零部件組成。因此，電池箱體必須具備一些基本功能，如與整車的信號通信，電源輸出，增程器充電輸入，維護(hù)開關(guān)設(shè)計(jì)等。

動力電池系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及到高壓部分，在設(shè)計(jì)高電壓系統(tǒng)時，需要考慮電力供給端和輸出端的平衡。電力供給端對于EV指的是驅(qū)動用電池;對于HEV和PHEV則指的是驅(qū)動用電池和發(fā)動機(jī)的發(fā)電電力。車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時改變供給端。輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動的機(jī)器，如用于驅(qū)動的電機(jī)、空調(diào)設(shè)備、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、電動轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)尤為重要，在高壓線路上配置手動維修開關(guān)，自動斷路器、動力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個箱體內(nèi)采用電木和環(huán)氧板進(jìn)行高壓電絕緣;箱體外部與車底盤可靠連接;電池管理系統(tǒng)對系統(tǒng)絕緣電阻實(shí)施監(jiān)控。

A123的動力電池系統(tǒng)及電池箱外觀

電池箱作為電池模塊的承載體，對電池模塊的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用。電池箱的外觀設(shè)計(jì)主要從材質(zhì)、表面防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標(biāo)識等方面進(jìn)行。電池箱體的設(shè)計(jì)目標(biāo)要滿足強(qiáng)度剛度要求和電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級IP67設(shè)計(jì)要求并且提供碰撞保護(hù)，箱內(nèi)電池模塊在底板生根，線束走向合理、美觀且固定可靠。設(shè)計(jì)的通用要求要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如QC/T 989-2014：

(1)一般要求

·具有維護(hù)的方便性。

·在車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進(jìn)入車廂的結(jié)構(gòu)或防護(hù)措施。

·電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標(biāo)志布置位置，給保險、動力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎(chǔ)。

·所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應(yīng)采取加強(qiáng)防護(hù)。在連接件、端子、電觸頭接合后應(yīng)符合GB 4208-2008防護(hù)等級為3的要求。

(2)外觀與尺寸

·外表面無明顯的劃傷、變形等缺陷，表面涂鍍層應(yīng)均勻。

·零部件緊固可靠，無銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。

(3)機(jī)械強(qiáng)度

·耐振動強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度，在試驗(yàn)后不應(yīng)有機(jī)械損壞、變形和緊固部位的松動現(xiàn)象，鎖止裝置不應(yīng)受到損壞。

·采取鎖止裝置固定的蓄電池箱，鎖止裝置應(yīng)可靠，具有防誤操作措施。

(4)安全要求

·在試驗(yàn)后，蓄電池箱防護(hù)等級不低于IP55。

·人員觸電防護(hù)應(yīng)符合相關(guān)要求。

5.相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求

在完成整個動力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，制作好的動力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺架性能測試，驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求，再經(jīng)過裝車試驗(yàn)，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。整個動力電池系統(tǒng)的各個設(shè)計(jì)部分均需要符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，比如電池箱內(nèi)所有連接線阻燃和耐火性能需滿足GB/T 19666-2005的要求，其他一些在動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表所示。

總結(jié)

從目前電動汽車的發(fā)展來看，最大的障礙就是動力電池系統(tǒng)的性能。雖然單體電池的技術(shù)在不斷發(fā)展，性能與以前相比已有很大地提高，但是目前的充放電技術(shù)和電池管理技術(shù)相對不成熟先進(jìn)，導(dǎo)致電池在成組后一致性降低、性能衰減。動力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣是關(guān)鍵影響因素之一，因此需要針對動力電池系統(tǒng)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)分析。

本文簡單地從整體上探討了動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并未深入，因?yàn)檫@是一門涉及面廣、專業(yè)知識縱深度強(qiáng)的領(lǐng)域。動力電池系統(tǒng)是一個綜合電池技術(shù)、電控技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和熱能分析技術(shù)的復(fù)雜體系，需要各個相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員通力合作來完成。