新能源汽車(chē)的核心部件大剖析：電池系統篇

如前文所介紹的情況，各家車(chē)廠(chǎng)面臨油耗和排放的挑戰，不斷推出新能源汽車(chē)的情況，電池系統成了當前汽車(chē)電子電氣系統中，一個(gè)最為昂貴也最為受人重視的子系統。本文將從電池系統的需求、車(chē)用電池的狀態(tài)，以及當前車(chē)廠(chǎng)和電池廠(chǎng)的關(guān)系角度來(lái)介紹電池系統。

電池系統是在混合動(dòng)力、插入式混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)中用來(lái)存儲電能，并提供給電驅動(dòng)系統的需要的能量。電池中的電能，其來(lái)源主要有三種，電池處在較低的荷電狀態(tài)（SOC）時(shí)，車(chē)輛利用發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)高壓發(fā)電機給電池供電；剎車(chē)的時(shí)候，能量回收的時(shí)候的電能以及充電模式下，從電網(wǎng)得來(lái)的能量，如圖1所示，在電池的不同的狀態(tài)，相應的車(chē)輛也處在不同的工作模式下。

圖1 電池狀態(tài) vs 車(chē)輛模式

電池系統的選擇和設計，很大一部分的參數來(lái)自于設計什么樣的車(chē)型，不同的車(chē)型的規范，將直接決定電池系統和電驅動(dòng)系統的參數，如下圖2所示，根據所需要開(kāi)發(fā)的新能源車(chē)的具體參數，其電池系統的基本規范也可以確定下來(lái)。而電池系統的基本構成，粗略的來(lái)說(shuō)是從電池單體開(kāi)始，構建電池模組，配置合適電子和電氣系統，在電池包層面進(jìn)行布置和安全分析。

圖2 車(chē)型規范對電池系統規范的轉化

1）電池單體的選擇
從基本來(lái)看，電池單體選擇是考慮電池容量、化學(xué)體系和單體形狀。
• 單體類(lèi)型：可選的有鉛酸、鎳鎘(NiCd)、鎳氫（NiMH）、高溫電池（NaS和NaNiCl2）、液流電池和鋰離子電池，從綜合來(lái)看，目前只能依靠鋰離子電池來(lái)作為儲能單元。而離子電池內的化學(xué)體系，其參數差異也很大。
• 密度：對電池來(lái)說(shuō)，兩個(gè)比較重要的參數是能量密度（決定存儲電能）和功率密度（決定放電能力），這兩者往往不可兼得。值得注意的是，從電極材料理論密度到單體密度再到電池包密度，由于其他不儲能的部分，這兩個(gè)參數往往遞減迅速。
• 壽命：可分為循環(huán)壽命和使用壽命兩個(gè)參數。 循環(huán)壽命取決于充放電深度、電壓、 溫度和電流（負荷）；使用壽命包括不使用的時(shí)間，與溫度和電壓有較大的關(guān)系。電池老化以后，直接導致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
• 熱特性：主要包括低溫特性和高溫特性。低溫的時(shí)候，放電的能力對寒冷地區啟動(dòng)有直接的影響；當電池的工作溫度增加，會(huì )大大影響其壽命。熱特性基于形狀。圓柱、軟包和方形的影響較大，后面會(huì )有分析。
• 安全：不同材料對電池單體的安全性差異明顯，一般會(huì )對電池安全性進(jìn)行評估。
• 成本：?jiǎn)误w的成本與極片材料有一定的關(guān)聯(lián)，電池單體成本因為要符合較高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。

表1 主要鋰離子電池特性

單體形狀相對簡(jiǎn)單些，如下表2所示，目前整車(chē)企業(yè)在努力推動(dòng)電池單體的尺寸規格的統一，長(cháng)期來(lái)看電池單體成為通用件的可能性很大。

表2 不同電池形狀優(yōu)缺點(diǎn)

2）單體成組
電池組的結構拓撲是首先需要解決的問(wèn)題，這是由于單個(gè)電池的容量往往存在限制，想要做到100Ah以上 ，往往對電池單體的要求較高；而系統總的電壓由于安全考慮以及與其他系統匹配，是被限制在750V以下的。

圖3 電池組拓撲結構

所以構成電池組的拓撲可分為：
1. 先并后串：由于電池單體的初期差異性小，所以通過(guò)匹配容量、內阻和自放電后，將電池并聯(lián)后串聯(lián)是種比較理想的辦法。走的更遠的是很多個(gè)小單體，通過(guò)熔絲連接成模組后進(jìn)行串聯(lián)，如Tesla的電池系統。
2. 先串后并：將電池單體進(jìn)行串聯(lián)連接以后，在系統上將多個(gè)電池模組進(jìn)行并聯(lián)使用。這種方法適用于較大容量需求的情況下，比如電動(dòng)大巴等較大容量的電池系統。由于電池組內單體差異累積，使得電池組的電壓差異較大，并聯(lián)連接需要更多的考慮。 并聯(lián)連接的硬連接方式，通常是共享DC/DC轉換器，對電流分配無(wú)控制（重新連接困然，有可能斷開(kāi)一個(gè)電池包），必須使用同一種電池；獨立電池組整合，可使用獨立轉換器，能進(jìn)行控制電流分配（有可能斷開(kāi)一個(gè)電池包、重新連接容易），可使用不同電池 。
3. 混聯(lián)：將電池并聯(lián)之后串聯(lián)，再通過(guò)并聯(lián)或者串聯(lián)的方式進(jìn)行連接。比如LEAF的2P2S的基本模塊結構
將電池連接在一起，可以承受總線(xiàn)電流，這又是一項考慮；目前可選的有兩種連接類(lèi)型：
1） 螺絲連接：主要應用在圓柱和方形電池中，較為著(zhù)名的改裝Prius的自然，也是源于螺紋連接質(zhì)量不太可靠，導致連接阻抗過(guò)高發(fā)熱所致，車(chē)用不可取。
2） 焊接連接：可用在所有類(lèi)型的使用上，由于直接將電池單體的導體焊接直連，其連接是穩定的，由于可能存在不同金屬焊接，目前成本較高。
3）電池管理系統和電氣系統設計

圖4 一個(gè)典型的電池系統

電池管理系統一般有以下的功能，主要通過(guò)電池管理模塊和電池檢測子模塊實(shí)現。
• 監測電池參數：對單體電池（電壓、溫度）和電池系統（電壓、電流、溫度、絕緣電阻）的物理參數采集，這些數據作為對電池系統狀態(tài)判斷的基礎。
• 參數計算：測得物理參數以后，將進(jìn)行荷電狀態(tài)（SOC）、電池健康狀態(tài)（SOH）和電池容量等的計算；為了對壽命方面進(jìn)行保護，需要計算和統計電池的使用情況，往往需要將單次使用的能量、首次使用后總共使用能量和首次使用后的時(shí)間進(jìn)行統計，以評估汽車(chē)電動(dòng)行駛里程和電池壽命情況。
• 通信：在電池系統內部交換數據并將核心數據傳輸至整車(chē)控制器。在電動(dòng)汽車(chē)充電領(lǐng)域中，直流快速充電和車(chē)輛和電網(wǎng)電力交換（V2G）和車(chē)輛和住宅電力交換（V2H），在這些未來(lái)的擴展功能中，BMS的通信功能起到至關(guān)重要的功能。
• 電池安全保護：電池管理是實(shí)現功能安全的最重要的部件，其安全保護功能涵蓋故障診斷和處理兩方面內容，包括電池過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、低溫、高溫和短路。
• 電氣安全保護：一般需要完成高壓互鎖、絕緣檢測或者其他功能。

由于電池管理系統是整個(gè)電池系統的核心管理單元，因此這里的變化也最多一些。有機會(huì )，將會(huì )單獨介紹和敘述。

電氣系統一般包括總線(xiàn)連接和配電系統兩部分。電池模塊之間，是通過(guò)總線(xiàn)的方式來(lái)連接的，一般還會(huì )在之間加入一個(gè)維修的開(kāi)關(guān)來(lái)確保在維護過(guò)程中的安全。配電部分，一般由預充電阻、熔絲、正極主繼電器、負極主繼電器、預充繼電器、慢充電繼電器和快充繼電器等部件所組成，如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)易的電池系統概覽

4）熱系統設計
如上所述，由于電池需要在一定的溫度范圍內工作，而汽車(chē)的工作溫度范圍則完全取決于使用環(huán)境，所以在考慮電池系統的環(huán)境使用條件的之后，往往需要一套相對復雜的散熱（加熱）系統來(lái)保證其全天候工作。從設計上考慮，冷卻系統分為單體和電池組兩個(gè)層次：
1. 單體級別：考慮的問(wèn)題是將單體的熱量散步出去，是考慮將單體與冷卻系統進(jìn)行有效連接。單體與冷卻系統中使用的接口材料，需要從電氣絕緣和熱傳導效率兩個(gè)方面去考慮。
2. 電池組：從系統層面，液冷和風(fēng)冷是兩個(gè)整體性的考慮，需要從系統空間需求、散熱效率和成本等多個(gè)方面去綜合考慮。

在熱系統設計的角度，日系廠(chǎng)商偏向于風(fēng)冷，歐美企業(yè)偏向于液冷。這方面的細節，也是可以單獨拿出來(lái)討論的。

5）安全設計
電池系統的安全設計，主要分為考慮與整車(chē)集成這塊的碰撞考慮還有本身系統的安全評估，測試項目較多，如表3所示。

表3 電池系統安全測試

以上的內容，大致給了電池系統一個(gè)全貌。電池系統是目前新能源汽車(chē)的核心關(guān)卡，韓國和日本的零部件企業(yè)占得先機，如下表4所示。另外一個(gè)有趣的現象是，由于這個(gè)部件較為昂貴，又是核心的一個(gè)子系統單元，汽車(chē)廠(chǎng)商與電池供應商之間，也存在一個(gè)博弈過(guò)程。如上所述，愿意投入的汽車(chē)廠(chǎng)商，是采購電池單體，然后進(jìn)行子系統設計，甚至完成電池單體成組的一系列工作。不愿意投入的企業(yè)，直接花錢(qián)買(mǎi)個(gè)解決方案往車(chē)上安裝即可。

表4 汽車(chē)企業(yè)、車(chē)型以及電池廠(chǎng)商對應表

參考文獻
1. Battery Requirements for Plug-In Hybrid Electric Vehicles Analysis and Rationale Ahmad Pesaran
2. Energy Storage Systems for Electric Vehicles Battery types, System sizing, Design of battery systems Benedikt Lunz, Dirk Uwe Sauer
3. Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance Daniel H. Doughty, Ph.D. Battery Safety Consulting
4. 2013 Vehicle Technologies Market Report Oak Ridge National Laboratory

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