動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)講解

1、深入淺出史上最易懂的動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)講解2摘要?jiǎng)恿﹄姵叵到y(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)自身的部結(jié)構(gòu)和平安與管理設(shè)計(jì)等方面。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)電池包以與電池管理控制系統(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)自身的部結(jié)構(gòu)和平安與管 理設(shè)計(jì)等方面。比方整車廠會(huì)針對(duì)要設(shè)計(jì)的整車，在考慮平安設(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

2、與模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命與平安。設(shè) 計(jì)時(shí)要考慮到的一些整體和通用性原那么包括平安性好、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)、綜合本錢低等。頂蓋1IE7.COM第一電動(dòng)入鳳管配電盒冷卻鳳尿低壓線束底座電池:模塊維修開關(guān)電池管理系純高壓線束出風(fēng)管一種典型的動(dòng)力電池系統(tǒng)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

3、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。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與能量要求3選擇所能匹配適宜的電芯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)與熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求6仿真 模擬與具體試驗(yàn)驗(yàn)證。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要組成局部，下文主要按其的具體結(jié)構(gòu)與功能來談?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)、電氣與機(jī)械系 統(tǒng)這四個(gè)主要局部。1. 電池模組的結(jié)構(gòu)與設(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)線路板與外 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)

4、之一。 動(dòng)力 電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鉆酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以與鎳 鉆錳酸鋰三元材料等。在查閱資料統(tǒng)計(jì)得到的不同材料電芯根本性質(zhì)如下表所 示。LFPLMOLTOLCONCANCM(Wh/kg)80-130105-12070120-15080-220140-180(W/kg)1400-240010007506001500-1900500-3000(V)3.83.61000-2000> 500> 4000> 700> 10001000-4000()-20 到 +60-20 到 +60-40 到 +60-20 到 +60-20 到 +60-20 到 +55工

5、藝成熟度高、生產(chǎn)效率高、 過程控制嚴(yán)格，成品率與電芯 一致性高。殼體結(jié)構(gòu)成熟，工 藝制造本錢低。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與軟包這三種，各 自的優(yōu)缺點(diǎn)也十清楚顯。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與形狀。對(duì)電芯的保護(hù)作用要高，可以 通過減少單體電池的厚度保證 部熱量的快速傳導(dǎo)，電芯的安 全性能有較大的改善。外部結(jié)構(gòu)對(duì)電芯的影響小，電 芯性能能優(yōu)良；封裝采用的材 質(zhì)質(zhì)量要小，電池的能量密度 最高。殼體在電芯總重中所占的比重大容量電池密封工藝難度增較大，導(dǎo)致單體

6、電池的能量密力口、可靠性相對(duì)較差；所采用度較低，部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動(dòng)化的鋁塑復(fù)合封裝膜機(jī)械強(qiáng)度工藝成熟度相對(duì)較低。低，鋁塑復(fù)合膜的壽命制約了電池的使用壽命。集流體上電流密度分布不均 勻，造成部各局部反響程度不 一致；電芯部產(chǎn)生的熱量很難 得到快速釋放，累積會(huì)造成電 池的平安隱患。那么首先要通過電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求以與各種高電壓機(jī)器配件等所需的消 耗電力、時(shí)間以與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，

7、 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)流程電芯一模塊一系統(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 池外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。電芯與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

8、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 ManagemenSystem,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)與各單體的充放電管理 以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)平安穩(wěn)定地運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)的根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、 平安保護(hù)、信息管理等功能。馴嘛充

9、枝電軟電池管理系統(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、S

10、OC古算誤差、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。BMSS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)一然后采集到的數(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T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)，比方QC/T 897-2021: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

11、的絕緣電阻值不 小于2MQ0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。 sock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，比方過電壓運(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)工作在適宜溫度圍的一 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)；(

12、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，否那么會(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)?？梢詮膭?dòng)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(shí)要考慮到電池單 體和電池模塊兩個(gè)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(shí)，般設(shè)計(jì)要求有如下幾個(gè)方面:電池滿功率工作的

13、溫度區(qū)間定義與電池降功率工作區(qū)間定義。具備電池低溫啟動(dòng)性能要求與電池隔熱功能。以到達(dá)-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 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(dòng)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(dòng)方式還是被動(dòng)方式的加熱和 散熱，效率會(huì)有很大差異。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)扇的位置與功率的選擇，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(chǎng)，進(jìn)出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵與整車空調(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(shí)要考慮各自的優(yōu)缺 點(diǎn)。I

14、結(jié)構(gòu)配置相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)重量相對(duì)較輕，工藝與電池接觸壁面之間的熱交換系統(tǒng)相對(duì)較大,本錢低。不會(huì)岀現(xiàn)漏液的可能，能夠與時(shí)通風(fēng)冷卻或加熱的速度要快。排除有害氣體。與電池接觸壁面之間的熱交換系統(tǒng)低，冷卻或系統(tǒng)重量相對(duì)較大，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，零部件多。加熱速度相對(duì)液體較慢。維修和包養(yǎng)本錢高。存在漏液的可能性，電池模塊鋁制上部外殼I1EY.COM重一電動(dòng)鑄鋁;I 口曰 i>口 I中部冷卻管路I流入冷卻液溫度傳感器流出冷卻液溫度傳感器冷卻液分流高壓連線風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)和液冷式冷卻結(jié)構(gòu)示意圖4. 電氣與機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電氣與機(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

15、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)行的可靠與平安，實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)控制功能。電池系統(tǒng)的箱體那么要固定 安裝到整車上，是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要的零部件組成。 因此，電池箱體必須具備 一些根本功能，如與整車的信號(hào)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(dòng)力電池系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉與到高壓局部，在設(shè)計(jì)高電壓系統(tǒng)時(shí)，需要考慮電力供應(yīng)端和輸出端的平衡。電力供應(yīng)端對(duì)于EV指的是驅(qū)動(dòng)用電池；對(duì)于HEV和PHEV那么指的是驅(qū)動(dòng)用電池和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電電力。車輛那么需要根據(jù)車 輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時(shí)改變供應(yīng)端。 輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器， 如用 于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)、空調(diào)設(shè)備、DC-DC電源轉(zhuǎn)換

16、器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的 平安設(shè)計(jì)尤為重要，在高壓線路上配置手動(dòng)維修開關(guān)，自動(dòng)斷路器、動(dòng)力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個(gè)箱體采用電木和環(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(duì)系統(tǒng)絕緣電阻實(shí)施監(jiān)控。A123的動(dòng)力電池系統(tǒng)與電池箱外觀電池箱作為電池模塊的承載體，對(duì)電池模塊的平安工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作 用。電池箱的外觀設(shè)計(jì)主要從材質(zhì)、外表防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)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(jí)IP67設(shè)計(jì)要求并且提供碰撞保護(hù)，箱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)，比方QC/

17、T 989-2021:1一般要求具有維護(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)留有銘牌與平安標(biāo)志布置位置，給保險(xiǎn)、動(dòng)力線、采集線、各種 傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定根底。所有無級(jí)根本絕緣的連接件、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 4208-2021防護(hù)等級(jí)為3的要求。(2) 外觀與尺寸外外表無明顯的劃傷、變形等缺陷，外表涂鍍層應(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(dòng)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(dòng)現(xiàn)象，鎖

18、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) 平安要求在試驗(yàn)后，蓄電池箱防護(hù)等級(jí)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)標(biāo)準(zhǔn)要求在完成整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后， 制作好的動(dòng)力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺(tái)架性 能測(cè)試，驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求，再經(jīng)過裝車試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改良和完善。整 個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)局部均需要符合相關(guān)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，比方電池箱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(dòng)力電池系 統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉與到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表所示。GB/T 31484-2021電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求與試驗(yàn)方法GB/T 31485-2021電動(dòng)汽車用