最易懂的動(dòng)力電池系統設計

動(dòng)力電池系統指用來(lái)給電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)提供能量的一種能量?jì)Υ嫜b置，由一個(gè)或多個(gè)電池包以及電池管理(控制)系統組成。動(dòng)力電池系統設計要以滿(mǎn)足整車(chē)的動(dòng)力要求和其他設計為前提，同時(shí)要考慮電池系統自身的內部結構和安全及管理設計等方面。

比如整車(chē)廠(chǎng)會(huì )針對要設計的整車(chē)，在考慮安全設計、線(xiàn)束連接線(xiàn)設計、接插件設計等相關(guān)要求后，形成一個(gè)有限的動(dòng)力電池系統空間大小。然后在有限的空間約束下，進(jìn)行電池模組、電池管理系統、熱管理系統、高壓系統等布置，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統的壽命與安全。設計時(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、溫度適應性強、使用壽命長(cháng)、安裝維護性強、綜合成本低等。

由于不同種類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的結構和工作模式的不同，導致對動(dòng)力電池的性能要求也不一樣。純電動(dòng)汽車(chē)行駛完全依賴(lài)于動(dòng)力電池系統的能量，電池系統容量越大，可以續航里程越長(cháng)，但所需電池系統的體積和重量也越大。雖然混合動(dòng)力汽車(chē)對動(dòng)力電池系統的容量要求比純電動(dòng)汽車(chē)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(chē)對電池系統的要求又有所區別。

一種典型的動(dòng)力電池系統

因此動(dòng)力電池系統的設計流程一般如下：

(1)先確定整車(chē)的設計要求;

(2)然后確定車(chē)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構形式;

(5)確定電池管理系統設計及熱管理系統設計要求;

(6)仿真模擬及具體試驗驗證。

動(dòng)力電池系統作為電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分，下文主要按其的具體結構及功能來(lái)談?wù)勗O計要求。分為電池模組、電池管理系統、熱管理系統、電氣及機械系統這四個(gè)主要部分。

1.電池模組的結構及設計

動(dòng)力電池模組是指動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護線(xiàn)路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動(dòng)力電池系統的次級結構之一。動(dòng)力電池單體即電芯，按正極材料來(lái)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。在查閱資料統計得到的不同材料電芯基本性質(zhì)如下表所示。

按電芯的結構形狀來(lái)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)力電池系統的性能。因此在進(jìn)行動(dòng)力電池系統設計，一定要根據整車(chē)的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。

那么首先要通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力需求以及各種高電壓機器配件等所需的消耗電力、時(shí)間以及使用溫度來(lái)確定電池系統的容量。然后在進(jìn)行電池模塊設計時(shí)要考慮到動(dòng)力電池的特性。因為動(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設計錯誤，將不能滿(mǎn)足低溫時(shí)的加速性能和爬坡性能，并且當電池老化時(shí)還會(huì )給系統性能造成影響。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、電壓檢測線(xiàn)路等。

動(dòng)力電池系統的結構設計流程(電芯→模塊→系統)

在結合整車(chē)設計要求的前提下對電池模組進(jìn)行設計時(shí)，電池模組設計需要考慮以下幾個(gè)方面：

·電池成組的固定連接方式要根據動(dòng)力電池系統設計的整體要求對選定好的電芯結構形狀進(jìn)行。

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

·電芯及電池模塊要有專(zhuān)門(mén)的固定裝置，結構緊湊且要根據電池箱體的散熱情況設置通風(fēng)散熱通道。

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

·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護問(wèn)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.電池管理系統的設計

電池管理系統(BMS)，即Battery Management System，通過(guò)檢測電池組中各單體電池的狀態(tài)來(lái)確定整個(gè)電池系統的狀態(tài)，并根據它們的狀態(tài)對動(dòng)力電池系統進(jìn)行對應的控制調整和策略實(shí)施，實(shí)現對動(dòng)力電池系統及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統安全穩定地運行。電池管理系統的基本功能可以分為檢測、管理、保護這三大塊。具體來(lái)看，包括數據采集、狀態(tài)監測、均衡控制、熱管理、安全保護、信息管理等功能。

電池管理系統

電池管理系統在硬件上可以分為主課模塊和從控模塊兩大塊。主要由數據采集單元(采集模塊)、中央處理單元(主控模塊)、顯示單元、均衡單元檢測模塊(電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測)、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，數據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現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現相互間的信息通訊。

在動(dòng)力電池管理系統中的軟件設計功能一般包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統自檢功能、系統檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設計指標包括最高可測量總電壓、最大可測量電流、SOC估算誤差、單體電壓測量精度、電流測量精度、溫度測量精度、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線(xiàn)監測與調試功能等。

BMS通過(guò)通訊接口與整車(chē)控制器、電機控制器、能量管理系統、車(chē)載顯示系統等進(jìn)行通訊，整個(gè)工作過(guò)程大致為：首先利用數據采集模塊采取電池的電流、電壓和溫度等數據→然后采集到的數據發(fā)送給主控模塊→主控模塊對數據進(jìn)行分析和處理后，發(fā)出對應的程序控制和變更指令→最后對應的模塊做出處理措施，對電池系統或電池進(jìn)行調控，同時(shí)將實(shí)時(shí)數據發(fā)送到顯示單元模塊。

在電池管理系統的技術(shù)要求方面要滿(mǎn)足相關(guān)標準，比如QC/T 897-2011：

·電池管理系統與動(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。

·電池管理系統應能經(jīng)受相關(guān)的絕緣耐壓性能試驗，在試驗過(guò)程中應無(wú)擊穿或閃絡(luò )等破壞性放電現象。

·SOC的估算精度要求不大于10%。

·電池管理系統應能在相關(guān)規定條件下，比如過(guò)電壓運行、欠電壓運行、高低溫運行情況下滿(mǎn)足狀態(tài)參數測量精度的要求。

3.熱管理系統的設計

電池熱管理系統是從使角度出發(fā)，用來(lái)確保電池系統工作在適宜溫度范圍內的一套管理系統，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監測設備等部件構成。電池熱管理系統有如下幾項主要功能：

(1)電池溫度的準確測量和監控;

(2)電池組溫度過(guò)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。

當車(chē)輛在不同運行工況下，電池系統由于其自身有一定的內阻，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。當電池溫度超出其正常工作溫度區間時(shí)，必須限功率工作，否則會(huì )影響電池的壽命。為了保證電池系統的電性能和壽命，車(chē)用動(dòng)力電池系統一般設計具有熱管理系統。