動(dòng)力電池系統(tǒng)簡(jiǎn)介
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)電池包以及電池管理（控制）系統(tǒng)組成。
動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部，除了作為能量載體的動(dòng)力電池之外，還包括電池管理系統(tǒng)（BMS）、電壓/ 電流/ 溫度傳感器（也可能有煙霧/ 化學(xué)/ 濕度傳感器）、熱管理系統(tǒng)、高低壓線束/ 連接器、開關(guān)器件（繼電器、保險(xiǎn)絲、MSD等）、安裝組件（支架，托盤、壓桿、螺栓等）、殼體、輔助組件（密封圈、橡膠墊、密封膠、卡扣、扎帶）等。動(dòng)力電池系統(tǒng)產(chǎn)品，涉及的專業(yè)領(lǐng)域包括電子、電氣、信息、軟件工程、半導(dǎo)體、電磁學(xué)、材料、電化學(xué)、化學(xué)工程、機(jī)械工程、傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)、流體力學(xué)等眾多學(xué)科（圖1），技術(shù)整合難度和系統(tǒng)集復(fù)雜度可想而知。
圖1 動(dòng)力電池系統(tǒng)構(gòu)成與相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域
動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計(jì)等方面。
比如整車廠會(huì)針對(duì)要設(shè)計(jì)的整車，在考慮安全設(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，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命與安全。設(shè)計(jì)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(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)性強(qiáng)、綜合成本低等。
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及能量要求
?。?）選擇所能匹配合適的電芯
?。?）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)及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求
動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解
動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要組成部分，下文主要按其的具體結(jié)構(gòu)及功能來談?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)、電氣及機(jī)械系統(tǒng)這四個(gè)主要部分。
一、電池模組的結(jié)構(gòu)及設(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(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。動(dòng)力電池單體即電芯，按正極材料來分，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(tǒng)計(jì)得到的不同材料電芯基本性質(zhì)如下表所示。
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(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及形狀。
那么首先要通過電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求以及各種高電壓機(jī)器配件等所需的消耗電力、時(shí)間以及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，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→模塊→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：
1、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。
2、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，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。
3、電芯及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。
4、電池單體之間的導(dǎo)電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，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。
5、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
二、電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
電池管理系統(tǒng)（BMS），即Battery Management System，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)及各單體的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)的基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、安全保護(hù)、信息管理等功能。
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、SOC估算誤差、單體電壓測(cè)量精度、電流測(cè)量精度、溫度測(cè)量精度、工作溫度范圍、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。
BMS通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)→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→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)，比如QC/T 897-2011：
? 1、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的絕緣電阻值不小于2MΩ。
? ? ? ? 2、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。
? ?3、SOC的估算精度要求不大于10%。
4、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能在相關(guān)規(guī)定條件下，比如過電壓運(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。
三、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)工作在適宜溫度范圍內(nèi)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；
?。?）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(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內(nèi)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，否則會(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)。
可以從動(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)，一般設(shè)計(jì)要求有如下幾個(gè)方面：
1、電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義及電池降功率工作區(qū)間定義。具備電池低溫啟動(dòng)性能要求及電池隔熱功能。
2、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， 以達(dá)到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)有很大差別。
3、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)扇的位置及功率的選擇， 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。水泵及整車空調(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)。
風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)和液冷式冷卻結(jié)構(gòu)示意圖
四、電氣及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
電氣及機(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)行的可靠與安全，實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)控制功能。電池系統(tǒng)的箱體則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基本功能，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)主要涉及到高壓部分，在設(shè)計(jì)高電壓系統(tǒng)時(shí)，需要考慮電力供給端和輸出端的平衡。電力供給端對(duì)于EV指的是驅(qū)動(dòng)用電池；對(duì)于HEV和PHEV則指的是驅(qū)動(dòng)用電池和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電電力。車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時(shí)改變供給端。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)換器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的安全設(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)箱體內(nèi)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)及電池箱外觀
電池箱作為電池模塊的承載體，對(duì)電池模塊的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用。電池箱的外觀設(shè)計(jì)主要從材質(zhì)、表面防腐蝕、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)，箱內(nèi)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)，比如QC/T 989-2014：
?。?）一般要求
1、具有維護(hù)的方便性。
2、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。
3、電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標(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基礎(chǔ)。
4、所有無級(jí)基本絕緣的連接件、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 4208-2008防護(hù)等級(jí)為3的要求。
?。?）外觀與尺寸
1、外表面無明顯的劃傷、變形等缺陷，表面涂鍍層應(yīng)均勻。
2、零部件緊固可靠，無銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。
?。?）機(jī)械強(qiáng)度
1、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，鎖止裝置不應(yīng)受到損壞。
2、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。
?。?）安全要求
1、在試驗(yàn)后，蓄電池箱防護(hù)等級(jí)不低于IP55。
2、人員觸電防護(hù)應(yīng)符合相關(guān)要求。
五、相關(guān)規(guī)范標(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)行改進(jìn)和完善。整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)部分均需要符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，比如電池箱內(nèi)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)過程中涉及到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表所示。
總結(jié)
從目前電動(dòng)汽車的發(fā)展來看，最大的障礙就是動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。雖然單體電池的技術(shù)在不斷發(fā)展，性能與以前相比已有很大地提高，但是目前的充放電技術(shù)和電池管理技術(shù)相對(duì)不成熟先進(jìn)，導(dǎo)致電池在成組后一致性降低、性能衰減。動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣是關(guān)鍵影響因素之一，因此需要針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)分析。