【干货】分析动力电池系统设计

动力电池系统指用来给电动汽车的驱动提供能量的一种能量储存装置，由一个或多个电池包以及电池管理系统组成。动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提，同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。

　　一种典型的动力电池系统
　　由于不同种类电动汽车的结构和工作模式的不同，导致对动力电池的性能要求也不一样。纯电动汽车行驶完全依赖于动力电池系统的能量，电池系统容量越大，可以续航里程越长，但所需电池系统的体积和重量也越大。虽然混合动力汽车对动力电池系统的容量要求比纯电动汽车要低，但要能够在某些时候提供较大的瞬时功率。而串联式和并联式混合动力汽车对电池系统的要求又有所区别。
　　因此动力电池系统的设计流程一般如下：（1）首先确定整车的设计要求（2）然后确定车辆的功率及能量要求（3）选择所能匹配合适的电芯（4）确定电池模块的组合结构形式（5）确定电池管理系统设计及热管理系统设计要求（6）仿真模拟及具体试验验证。
　　动力电池系统作为电动汽车的重要组成部分，下文主要按其具体结构及功能来谈谈设计要求。分为电池模组、电池管理系统、热管理系统、电气及机械系统这四个主要部分。
　　1.电池模组的结构及设计
　　动力电池模组是指动力电池单体经由串并联方式组合并加保护线路板及外壳后，能够直接提供电能的组合体，是组成动力电池系统的次级结构之一。动力电池单体即电芯，按正极材料来分，主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。
　　按电芯的结构形状来分，主要分为圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种，各自的优缺点也十分明显。在一定程度上，电芯的性能决定了电池模组的性能进而影响整个动力电池系统的性能。因此在进行动力电池系统设计，一定要根据整车的设计要求去选择电芯的材料及形状。
　　那么首先要通过电动汽车的动力需求以及各种高电压机器配件等所需的消耗电力、时间以及使用温度来确定电池系统的容量。然后在进行电池模块设计时要考虑到动力电池的特性。因为动力电池在不同温度下输出/输入会发生变化。容量、输出性能会随使用时间逐渐退化。电池的性能与选择一旦出现设计错误，将不能满足低温时的加速性能和爬坡性能，并且当电池老化时还会给系统性能造成影响。电池模组由多个动力电芯串并联组合而成，包括单体电芯、固定框架、电连接装置，还有温度传感器、电压检测线路等。

　　动力电池系统的结构设计流程（电芯→模块→系统）
在结合整车设计要求的前提下对电池模组进行设计时，电池模组设计需要考虑以下几个方面：
　　·电池成组的固定连接方式要根据动力电池系统设计的整体要求对选定好的电芯结构形状进行。
　　·电池模块的装配要求松紧度适中，各结构部件具有足够的强度，防止因电池内外部力的作用而发生变形或破坏。
　　·电芯及电池模块要有专门的固定装置，结构紧凑且要根据电池箱体的散热情况设置通风散热通道。
　　·电池单体之间的导电连接距离尽量短，连接可靠，最好是柔性连接，各导电连接部位的导电能力要满足用电设备的最大过流能力。
　　·充分考虑电池串并联高压连接之间的绝缘保护问题，例如绝缘间隙和爬电距离等。
　　2.电池管理系统的设计
　　电池管理系统（BMS），即Battery Management System，主要检测电池的状态以及电池组中各单体电池的状态，并根据电池（组）的状态对电池（组）进行适当的控制策略调整，可以接受上层控制模块的控制信息并做出必要的响应，实现对动力电池（组）的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。

　　电池管理系统
　　电池管理系统设计涉及软件设计及硬件设计两个方面。硬件主要由数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块）、显示单元、均衡单元检测模块（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。

　　电池管理系统的拓扑图
　　在动力电池管理系统中的软件设计功能一般包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC估算、CAN通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。硬件设计则对软件设计的功能提供支持，比如MCU模块用来采集、分析数据、收发控制信号；电流检测模块则是采集电池组充放电过程中的充放电电流。
　　3.热管理系统的设计
　　当车辆在不同运行工况下,电池系统由于其自身有一定的内阻,在输出功率、电能的同时产生一定的热量从而产生热量累积使电池温度升高,空间布置的不同使得各处电池温度并不一致。当电池温度超出其正常工作温度区间时,必须限功率工作,否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命,车用动力电池系统一般设计具有热管理系统，主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。
　　可以从动力电池系统本身结构组成看到，热管理系统设计时要考虑到电池单体和电池模块两个层次的结构。因此在电池系统的整体设计中就必须要考虑到电池单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。在进行电池热管理系统设计时，一般设计要求有如下几个方面：
　　·电池满功率工作的温度区间定义及电池降功率工作区间定义。具备电池低温启动性能要求及电池隔热功能。
·电池制冷和制热功能：电池系统需要设计在低温下能够快速升温,以达到整车大功率和能量的需求,或者整车热管理系统采用空调系统或发动机冷却水来维持电池系统在最优的工作温度区间。而采用主动方式还是被动方式的加热和散热，效率会有很大差别。
　　·制冷和制热方案,如风冷或液冷。在采用风冷冷却系统与与液冷冷却系统时要考虑各自的优缺点。

　　风冷冷却结构和液冷式冷却结构示意图
　　4.电气及机械系统的设计
　　电气及机械系统主要包括高压系统、电池箱体、连接线束、机械接插件等。
　　电气系统设计主要涉及到高压部分，其中高压系统主要由继电器、电流传感器、电阻和熔断器等器件组成。在设计高电压系统时，需要考虑电力供给端和输出端的平衡。电力供给端对于EV指的是驱动用电池；对于HEV和PHEV则指的是驱动用电池和发动机的发电电力。车辆则需要根据车辆状态和行驶状态随时改变供给端。输出端是指由高电压电力驱动的机器，如用于驱动的电机、空调设备、DC-DC电源转换器、电动转向助力器等。高压系统的安全设计尤为重要，在高压线路上配置手动维修开关，自动断路器、动力控制继电器、系统互锁和高压熔断器。整个箱体内采用电木和环氧板进行高压电绝缘；箱体外部与车底盘可靠连接；电池管理系统对系统绝缘电阻实施监控。
　　电池箱体作为电池模块的承载体，对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。电池箱的外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理、产品标识等方面进行。设计的通用要求要满足相关标准，比如：
　　·具有维护的方便性。
　　·在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。
　　·电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置，给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。
　　·所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后应符合GB4208-2008防护等级为3的要求
　　·在试验后，蓄电池箱防护等级不低于IP55。
　　·人员触电防护应符合相关要求。

　　A123的动力电池系统及电池箱外观
　　5.相关规范标准要求
　　在完成整个动力电池系统的设计后，制作好的动力电池系统必须经过台架性能测试，验证是否符合设计要求，再经过装车试验，对系统进行改进和完善。整个动力电池系统的各个设计部分均需要符合相关规范标准要求，一些在动力电池系统设计过程中涉及到的相关标准如表所示。

　　总结
　　从目前电动汽车的发展来看，最大的障碍就是动力电池系统的性能，动力电池系统的设计优劣是关键影响因素之一，因此需要针对动力电池系统不断进行结构优化和设计分析。本文简单地从整体上探讨了动力电池系统设计，并未深入，因为这是一门涉及面广、专业知识纵深度强的领域。动力电池系统是一个综合电池技术、电控技术、结构设计技术和热能分析技术的复杂体系，需要各个相关行业的技术人员通力合作来完成。