新能源汽車的核心部件大剖析：電池系統(tǒng)篇

1、新能源汽車的核心部件大剖析：電池系統(tǒng)篇電池系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì) 如前文所介紹的情況，各家車廠面臨油耗和排放的挑戰(zhàn)，不斷推出新能源汽車的情況，電池系統(tǒng)成了當(dāng)前汽車電子電氣系統(tǒng)中，一個(gè)最為昂貴也最為受人重視的子系統(tǒng)。本文將從電池系統(tǒng)的需求、車用電池的狀態(tài)，以及當(dāng)前車廠和電池廠的關(guān)系角度來介紹電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)是在混合動(dòng)力、插入式混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車中用來存儲(chǔ)電能，并提供給電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需要的能量。電池中的電能，其來源主要有三種，電池處在較低的荷電狀態(tài)（SOC）時(shí)，車輛利用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)高壓發(fā)電機(jī)給電池供電；剎車的時(shí)候，能量回收的時(shí)候的電能以及充電模式下，從電網(wǎng)得來的能量，如圖1所示，在電池的不同的

2、狀態(tài)，相應(yīng)的車輛也處在不同的工作模式下。圖1 電池狀態(tài) vs 車輛模式電池系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)，很大一部分的參數(shù)來自于設(shè)計(jì)什么樣的車型，不同的車型的規(guī)范，將直接決定電池系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，如下圖2所示，根據(jù)所需要開發(fā)的新能源車的具體參數(shù)，其電池系統(tǒng)的基本規(guī)范也可以確定下來。而電池系統(tǒng)的基本構(gòu)成，粗略的來說是從電池單體開始，構(gòu)建電池模組，配置合適電子和電氣系統(tǒng)，在電池包層面進(jìn)行布置和安全分析。圖2 車型規(guī)范對(duì)電池系統(tǒng)規(guī)范的轉(zhuǎn)化電池單體的選擇1）電池單體的選擇從基本來看，電池單體選擇是考慮電池容量、化學(xué)體系和單體形狀。    單體類型：可選的有鉛酸、鎳鎘(NiCd)、

3、鎳氫（NiMH）、高溫電池（NaS和NaNiCl2）、液流電池和鋰離子電池，從綜合來看，目前只能依靠鋰離子電池來作為儲(chǔ)能單元。而離子電池內(nèi)的化學(xué)體系，其參數(shù)差異也很大。 密度：對(duì)電池來說，兩個(gè)比較重要的參數(shù)是能量密度（決定存儲(chǔ)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(chǔ)能的部分，這兩個(gè)參數(shù)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(shù)。 循環(huán)壽命取決于充放電深度、電壓、 溫度和電流（負(fù)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(dǎo)致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。

4、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(duì)寒冷地區(qū)啟動(dòng)有直接的影響；當(dāng)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(duì)電池單體的安全性差異明顯，一般會(huì)對(duì)電池安全性進(jìn)行評(píng)估。 成本：單體的成本與極片材料有一定的關(guān)聯(lián)，電池單體成本因?yàn)橐陷^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(duì)簡單些，如下表2所示，目前整車企業(yè)在努力推動(dòng)電池單體的尺寸規(guī)格的統(tǒng)一，長期來看電池單體成為通用件的可能性很大。不同電池形狀優(yōu)缺點(diǎn)表2 不同電池形

5、狀優(yōu)缺點(diǎn) 圓柱電池軟包電池方形電池示意圖優(yōu)點(diǎn)廣泛于消費(fèi)領(lǐng)域和第一代混合動(dòng)力汽車中 內(nèi)在安全性高 不會(huì)受潮濕影 響功率 /能量密度高 冷卻容易（表面）     連接容 易堅(jiān)固 連接 &組裝簡單 圓柱 &軟包的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合缺點(diǎn)外殼貴 冷卻困難 成組起來較為困難 電池組能量密度可能較 低脆弱 密封泄漏存 疑電池內(nèi)壓 冷卻困難 單體成本較 高2）單體成組電池組的結(jié)

6、構(gòu)拓?fù)涫鞘紫刃枰鉀Q的問題，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(duì)電池單體的要求較高；而系統(tǒng)總的電壓由于安全考慮以及與其他系統(tǒng)匹配，是被限制在750V以下的。圖3 電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所以構(gòu)成電池組的拓?fù)淇煞譃椋?. 先并后串：由于電池單體的初期差異性小，所以通過匹配容量、內(nèi)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(yuǎn)的是很多個(gè)小單體，通過熔絲連接成模組后進(jìn)行串聯(lián)，如Tesla的電池系統(tǒng)。2. 先串后并：將電池單體進(jìn)行串聯(lián)連接以后，在系統(tǒng)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(tǒng)。由于電池組內(nèi)單體差異

7、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(zhuǎn)換器，對(duì)電流分配無控制（重新連接困然，有可能斷開一個(gè)電池包），必須使用同一種電池；獨(dú)立電池組整合，可使用獨(dú)立轉(zhuǎn)換器，能進(jìn)行控制電流分配（有可能斷開一個(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(jié)構(gòu)   將電池連接在一起，可以承受總線電流，這又是一項(xiàng)考慮；目前可選的有兩種連接類型：1） 螺絲連接：主要應(yīng)用在圓柱和方形電池中，較為著名的改裝Prius的自然，也是源于螺紋連接質(zhì)量不太

8、可靠，導(dǎo)致連接阻抗過高發(fā)熱所致，車用不可取。2） 焊接連接：可用在所有類型的使用上，由于直接將電池單體的導(dǎo)體焊接直連，其連接是穩(wěn)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(tǒng)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖4 一個(gè)典型的電池系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)的功能電池管理系統(tǒng)一般有以下的功能，主要通過電池管理模塊和電池檢測(cè)子模塊實(shí)現(xiàn)。 監(jiān)測(cè)電池參數(shù)：對(duì)單體電池（電壓、溫度）和電池系統(tǒng)（電壓、電流、溫度、絕緣電阻）的物理參數(shù)采集，這些數(shù)據(jù)作為對(duì)電池系統(tǒng)狀態(tài)判斷的基礎(chǔ)。 參數(shù)計(jì)算：測(cè)得物理參數(shù)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(jì)算；為了對(duì)壽命方面進(jìn)行保護(hù)，需要計(jì)算和統(tǒng)計(jì)電池的使用情

9、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(tǒng)計(jì)，以評(píng)估汽車電動(dòng)行駛里程和電池壽命情況。 通信：在電池系統(tǒng)內(nèi)部交換數(shù)據(jù)并將核心數(shù)據(jù)傳輸至整車控制器。在電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域中，直流快速充電和車輛和電網(wǎng)電力交換（V2G）和車輛和住宅電力交換（V2H），在這些未來的擴(kuò)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(hù)：電池管理是實(shí)現(xiàn)功能安全的最重要的部件，其安全保護(hù)功能涵蓋故障診斷和處理兩方面內(nèi)容，包括電池過壓、欠壓、過流、低溫、高溫和短路。 電氣安全保護(hù)：一般需要完成高壓互鎖、絕緣檢測(cè)或者其他功能。由于電池管理系統(tǒng)是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心管理單元，因此這里的變化也最

10、多一些。有機(jī)會(huì)，將會(huì)單獨(dú)介紹和敘述。電氣系統(tǒng)一般包括總線連接和配電系統(tǒng)兩部分。電池模塊之間，是通過總線的方式來連接的，一般還會(huì)在之間加入一個(gè)維修的開關(guān)來確保在維護(hù)過程中的安全。配電部分，一般由預(yù)充電阻、熔絲、正極主繼電器、負(fù)極主繼電器、預(yù)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 簡易的電池系統(tǒng)概覽電池系統(tǒng)安全測(cè)試4）熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)如上所述，由于電池需要在一定的溫度范圍內(nèi)工作，而汽車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(tǒng)的環(huán)境使用條件的之后，往往需要一套相對(duì)復(fù)雜的散熱（加熱）系統(tǒng)來保證其全天候工作。從設(shè)計(jì)上考慮，冷卻系統(tǒng)分為單體和電池組兩個(gè)層次：1. 單體級(jí)別

11、：考慮的問題是將單體的熱量散步出去，是考慮將單體與冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有效連接。單體與冷卻系統(tǒng)中使用的接口材料，需要從電氣絕緣和熱傳導(dǎo)效率兩個(gè)方面去考慮。2. 電池組：從系統(tǒng)層面，液冷和風(fēng)冷是兩個(gè)整體性的考慮，需要從系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，日系廠商偏向于風(fēng)冷，歐美企業(yè)偏向于液冷。這方面的細(xì)節(jié)，也是可以單獨(dú)拿出來討論的。5）安全設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，主要分為考慮與整車集成這塊的碰撞考慮還有本身系統(tǒng)的安全評(píng)估，測(cè)試項(xiàng)目較多，如表3所示。表3 電池系統(tǒng)安全測(cè)試NO分 類測(cè)試 項(xiàng)可參考標(biāo) 準(zhǔn)1濫用測(cè) 試Overcharge

12、過充保 護(hù)SAE J2464SAE J2929FreedomCAR EESS Abuse Test ManualIEC 62660-2ISO/CD 12405UL 25802External Short Circuit短路保 護(hù)3Over discharge過放保 護(hù)4High  Rate Discharge w/o Thermal Management快速放 電5Immersion浸水測(cè) 試6Open Flame  Test外部火焰測(cè) 試7Nail Penetration針刺測(cè) 試8環(huán)境測(cè) 試

13、Humidity Exposure(Dewing)濕熱循 環(huán)9Thermal Cycling Test冷熱沖 擊10High Temperature Stability高溫穩(wěn)定 性11機(jī)械測(cè) 試Vibration振動(dòng)測(cè) 試12Shock機(jī)械沖 擊13Drop跌落測(cè) 試14Crush擠壓測(cè) 試15Crash碰撞測(cè) 試16Roll over翻車測(cè) 試汽車企業(yè)、車型以及電池廠商對(duì)比以上的內(nèi)容，大致給了電池系統(tǒng)一個(gè)全貌。電池系統(tǒng)是目前新能源汽車的核心關(guān)卡，韓國和日本的零部件企業(yè)占得先機(jī)，如下表4所示。另

14、外一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，由于這個(gè)部件較為昂貴，又是核心的一個(gè)子系統(tǒng)單元，汽車廠商與電池供應(yīng)商之間，也存在一個(gè)博弈過程。如上所述，愿意投入的汽車廠商，是采購電池單體，然后進(jìn)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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)，直接花錢買個(gè)解決方案往車上安裝即可。 表4 汽車企業(yè)、車型以及電池廠商對(duì)應(yīng)表汽車企 業(yè)類 型車 型電池供應(yīng) 商本田HEVHonda Accord Hybrid 2014 ，Honda Civic Hybrid 2013 ，Honda CR-Z Hybrid 2014 ，Acura ILX

15、 2014Blue EnergyHEVHonda Insight Hybrid 2014SanyoPHEVHonda Accord Plug-In 2014 Blue EnergyBEVHonda Fit-EV 2013Toshiba大眾HEVAudi Q5 Hybrid 2014 ，Porsche Cayenne S Hybrid 2013 ，Volkswagen Jetta Hybrid ，Volkswagen Touareg HybridSanyoPHEVPorsche Panamera S E-Hybrid 2014BEVVolkswagen e

16、-Golf 2014 Volkswagen e-Up 2014寶馬HEVBMW ActiveHybrid 3 2014 ，BMW ActiveHybrid 5 2014 ，BMW ActiveHybrid 7 2014A123PHEVBMW i8 2014Samsung SDIBEVBMW i3 2014 ，通用HEVBuick LaCrosse eAssist 2014 ，Buick Regal eAssist 2014 ，Chevrolet Impala ECO 2014HitachiPHEVCadillac ELR 2014&#

17、160;，Chevrolet Volt 2014LG ChemBEVChevrolet Spark EV 2014A123福特HEVFord C-Max Hybrid 2014 1.4 Li-ion ，F(xiàn)ord Fusion Hybrid 2014 1.4 Li-ion Panasonic， Lincoln MKZ Hybrid 2014PanasonicPHEVFord C-Max Energi 2014Ford Fusion Energi 2014PanasonicBEVFord Focus Electric 2013 23 Li-ionLG Chem現(xiàn)代HEVKia

18、Optima 2013 Hyundai Sonata Hybrid 2013LG ChemBEVKia Soul EV 2015SK Innovation日產(chǎn)HEVNissan Pathfinder Hybrid 2014Infiniti QX60 Hybrid 2014Hitachi HEVInfiniti M Hybrid 2014Infiniti Q50 Hybrid 2014AESC BEVNissan Leaf 2013AESC豐田HEVLexus CT 200h 2014 ，Lexus ES 300h 2014 ，Lexus GS

19、450h 2014，Lexus LS 600h L 2014， Lexus RX 450h 2014Toyota Avalon Hybrid 2014， Toyota Camry Hybrid 2014 ，Toyota Highlander Hybrid 2014 ，Toyota Prius 2014 Toyota Prius c 2014， Toyota Prius v 2014Primearth EV EnergyPHEVToyota Prius Plug-In 2013PanasonicBEVToyota RAV 4 EV 2013Tesla/Panasonic戴姆勒HEVMercedes-Benz E400 Hybrid 2014Johnson ControlsBEVMercedes-Benz B-Class EV 2014Tesla/PanasonicBEVSmart For Two Electric Drive 2013Deutsch