動力電池包系統在純電動汽車上的應用

劉 寧，王家雁，吳明瞭，吳 志

（東風汽車股份有限公司 商品研發院，湖北 武漢 430057）

動力電池包系統在純電動汽車上的應用

劉 寧，王家雁，吳明瞭，吳 志

Liu Ning, Wang Jiayan, Wu Mingliao, Wu Zhi

（東風汽車股份有限公司 商品研發院，湖北 武漢 430057）

隨著純電動汽車近年來的快速發展，動力電池包系統作為汽車上全部能源的供給裝置，其在純電動汽車上的應用顯得格外重要。文中圍繞動力電池包系統的構成、安全防護、功能要求和技術難點分析，結合一款純電動汽車的開發，對動力電池包系統的設計及應用進行了闡述和研究。

動力電池包；電池管理；安全防護；熱管理；一致性

0 引 言

新能源汽車屬于國家中長期發展規劃中重點支持和發展的產業。動力電池包系統是電動汽車的核心，也是新能源汽車技術和成本上的最大瓶頸，是產業鏈中最核心的一環，其發展將直接影響到電動汽車的產業化進程。電動汽車對動力電池包系統的要求主要包括安全性、能量密度、一致性、低成本等。動力電池包系統的設計也是一個集電子技術、控制技術、材料科學、工藝過程控制、汽車技術等為一體的綜合科學技術，是一個系統工程。

文中將通過動力電池包系統的設計和研究，介紹系統的構成、功能與設計以及研究應用成果。并結合一款純電動微型客車用動力電池包系統進行闡述和說明。

1 動力電池包系統構成和要求

1.1 構成

動力電池包系統指用來給動力電路提供能量的電池包和相關附件的總稱。它主要包括電池模組、電池管理系統（BMS）、熱管理系統、電氣及機械連接件、電池包外箱等部件。

1.2 要求

對于動力電池包系統來說，整車的設計、控制策略、部件的匹配、管理系統的功能等都影響到電池的應用狀況和性能。因此在進行匹配的選擇時，應考慮整個系統的性能和特征。

1.2.1 通用性要求

安全性好、高比能量、高比功率、溫度適應性好、長壽命、安裝維護性強、綜合成本低。

1.2.2 表征電池包系統的基本參數

物理參數：電池包系統的構成、尺寸、質量；

電性能參數：容量、能量、SOC（荷電狀態）、電壓、功率、內阻、能量效率、自放電、壽命；

環境參數：工作溫度范圍、低溫啟動、儲存溫度范圍；

安全性參數：絕緣電阻、防護等級；一致性：容量差別、內阻差別、電壓差別；管理系統參數：電壓/電流/溫度檢測精度、管理與控制功能。

1.3 純電動微型客車對電池包系統的要求

該款車型作為純電動車型，在安全性、動力性和可靠性方面的要求不低于傳統車，該款車型可利用空間有限，因此要求動力電池包系統要有較小的體積和重量，由于純電動車對比功率性能要求并不高，但要求具有較高的比能量以及較長的循環壽命和可靠性。目前鋰離子電池的比能量最高可達200Wh/kg性能穩定，循環壽命長，技術也相對比較成熟，應用廣泛，在純電動車領域具有優勢，該車采用鋰離子電池作為電源。

2 動力電池包系統的設計

2.1 設計思路

動力電池包系統的設計一般按以下步驟設計：

確定整車設計要求→確定車輛的功率要求→確定電壓范圍→確定所需電池類型→確定能量→確定組合結構形式→確定BMS要求→熱管理系統設計→確定接口→仿真模擬驗證。

2.2 整車設計要求

根據汽車動力性計算，該款車型選用驅動電機的額定功率為16 kW，峰值功率30 kW。根據選型電機情況以及國家標準所推薦的電壓等級序列，確定DC336V電壓等級作為電池包系統額定輸出電壓。

2.3 電池組設計

2.3.1 電池類型

如前所述，根據純電動車的使用特點，選取鋰離子電池組作為電池的類型，本車型采用的磷酸鐵鋰電池，單體額定電壓為3.2 V，因此采用105串結構，由于單體電壓范圍一般為2.5～3.65 V，電池組的總輸出電壓為DC263～383 V。

2.3.2 電池包能量確定

先計算電池包系統的最大輸出功率和電流能力。電機的峰值功率為 30 kW，電機和控制器的轉換效率分別采用0.9和0.95，電子附件、空調等功率大約5 kW，則最大功率為

額定電壓為DC336V，由于大功率輸出時電壓下降較快，以90%取值要求輸出的最大電流為：

該純電動車能量消耗率為0.16 kWh/km，續駛里程160 km，則

電池包系統能量=0.16×160=25.6 kWh

電池包系統容量=25.6 kWh/336 V=76 Ah

通過以上初步計算，以及對市場成熟電池模塊總成的了解，選取了75 Ah的磷酸鐵鋰電池模塊總成，該總成已通過國家201所的各項強檢試驗，每個模塊由6個12.5 Ah電芯并聯而成，結構示意如圖1所示。由于已經考慮了峰值功率情況，應該來說冗余值還是足夠的。峰值電流為132/75=1.7 C，電池包的放電能力能夠滿足車輛要求。

該電池包的電池組成結構由105只容量75Ah的磷酸鐵鋰單體電池串聯而成。

該純電動車的電機功率16 kW，峰值功率30 kW。標稱電壓DC336V，加上其他輔助系統工作電流，電池包系統的峰值電流大約在100A左右。該電池包的容量75Ah，其放電瞬時倍率約1.5C，正常使用電流0.6 C。

2.4 電池管理系統設計

電池管理系統（BMS）保證動力電池包系統安全可靠的工作，它是整車控制策略中重要的組成部分。一般來說，電池管理系統的基本功能包括電池狀態檢測、電池優化控制和電池信息交互。

2.4.1 本系統BMS功能設計

根據整車功能的要求，結合國際電動學會制定的電池管理系統標準，在該系統中設定動力電池管理系統實現的控制功能如下：

電壓檢測：單體電壓測量。電池巡檢周期達到 30 ms，精度 0.3%FSR；且靜態電流不超過50uA。

溫度采集：采集電池溫度。溫度測量范圍：-40℃～125℃，誤差為≤±1℃。

電流檢測：電流測量。電流檢測的精度達到1%FSR。

絕緣檢測：按照國家電動汽車相關標準進行絕緣狀態檢測。

SOC估算：實時計算電池組SOC以及電池組可提供的瞬時充放電功率（電流）。使用安時積分法估算電池組 SOC，在試驗數據的基礎上對不同區段的 SOC積分值進行修正，得到較為精確的SOC估算值。SOC測量誤差≤8%。

CAN通訊：共3路CAN通訊，一路保持與整車的通信，根據整車制定的CAN協議，通過高速CAN向整車實時提供電池工作狀態；一路為充電控制CAN；還有一路為內部檢測CAN。

放電均衡功能：按照協定的均衡管理控制策略對電芯進行均衡管理，減少電池在使用過程的不一致性，提高整組電池的使用性能。

系統自檢功能：系統上電后對電壓、溫度、通訊、存儲器等部件進行檢測。

系統檢測功能—電池管理系統對整車電池的離散性進行分析，并根據不同故障類型進行報警，同時對電池充放電次數以及歷史數據進行記錄。

熱管理：最高溫度＞36℃ 或箱內最高溫度-箱內最低溫度＞5℃，風扇開啟；最高溫度＜32 ℃且箱內最高溫度-箱內最低溫度＜3℃，風扇關閉。

充電管理—對電池與充電機之間的充電過程進行管理。

2.4.2 系統故障報警策略

該動力電池包系統設置了 2級故障報警，一級故障為一般故障，BMS會請求降低用電系統功率，減小電池輸出電流；二級為嚴重故障，BMS將通過 CAN總線向整車控制器發送斷高壓電請求，系統在排除故障后自動恢復。

2.5 熱管理系統設計

動力電池包總成需要進行熱管理設計，使所有電池芯溫度保持在允許和最優的工作范圍之內。

2.5.1 高溫影響

電池組中有電解液、電極、隔板等各種材料，高溫會加速它們的老化速率。

2.5.2 低溫影響

低溫會使電池活性物質降低活性，影響電池實際容量，且溫度越低，電池內阻越大。不同溫度環境下電池的內阻和 SOC變化曲線如圖 2所示。

2.5.3 溫差影響

溫差較大時，高溫部分的老化速率會明顯快于低溫部分，隨時間不同電池之間的物性差異將越加明顯，從而破壞了電池組的一致性，最終使整組電池提前失效。

2.5.4 系統熱管理方案

熱管理系統采用空氣調節的方式進行加熱和冷卻管理，通過風道設計來調節溫差的不均。空氣的來源是駕駛室內的空調風，內部通風結構及布局如圖3所示。

對此結構進行了流場分析，通過模擬，左側入風口平均風速為1.71 m/s，右側為1.70 m/s；通過對電池框3個方向（X、Y和 Z）系列截面的速度標量統計分析，在電池框內部大部分風量是繞過電池組中間從兩側流過，導致中部風量偏小，速度場的均勻性不是很理想，此處尚需繼續優化。

2.6 機械單元設計

2.6.1 電池包系統的整車布置

動力電池總成在整車上的位置，經過3D數模分析和布置后，裝配在承載式車身底盤的下部，與地面間預留必要的間隙空間，并考慮裝配和維修的方便性。

動力電池包總成的外部組成結構如圖4所示。

動力電池包總成與整車的連接方式，則采用6個M12×40的六角法蘭螺栓（強度等級為12.9級）與車架進行連接，車架上焊接有6個M12螺母。

2.6.2 外箱設計

電池外箱體總成經過CAE強度分析及質量校核后，在鋼材和鋁合金型材之間最終采用鋁合金材料（包括板材和型材）通過焊接而成。鋁合金板材的種類為 5052H32，型材的種類為 6061 T6和6082 T5。

電池外箱的結構如圖5所示。

經對結構和材料進行CAE強度分析，該鋁電池框各部件最大應力均不大于其材料屈服極限，滿足強度要求。

2.6.3 內部結構

在外部空間確定后，電池包內部將進行電池模塊總成的分布布置，盡量將內部空間利用率達到最優。

動力電池包的內部組成結構如圖6所示。

2.7 系統匹配設計

2.7.1 電氣連接設計

該車型動力電池包系統的電氣連接如圖7所示。

外部接口（包括動力接口和通訊接口）如圖8所示。

2.7.2 高壓安全設計

高壓線路上配置了手動維修開關，自動斷路器、動力控制繼電器、系統互鎖和高壓熔斷器。整個箱體內采用電木和環氧板進行高壓電絕緣；箱體外部與車底盤可靠連接；電池管理系統對系統絕緣電阻實施監控。

2.8 模擬仿真測試

設計完成后，制作好的電池包系統必須經過臺架性能測試，驗證是否符合設計要求，再經過裝車試驗，對系統進行改進和完善。

3 動力電池包系統的檢測與評價

目前國際國內相繼制訂了動力電池包系統的相關標準和評價方法，主要是針對電池或管理系統的，對整個系統尚沒有明確的標準。但是關于動力電池包系統的檢測與評價對整車的應用來說至關重要，對各項現有標準作了很多分析工作，制定出適合本公司車型平臺應用的相關評價標準。

經過本公司評價標準的各項試驗驗證，該動力電池包系統的性能基本符合設計要求。

4 結 論

就目前新能源車的發展現狀來看，對動力電池包系統的成熟應用還需要一個長期的研究過程，需要電池技術、電控技術、系統集成技術、結構技術和熱能分析技術的全面發展來進行配合，需要相關各行業的技術人員付出辛苦的努力，通力合作來完成，更需要整個新能源汽車產業的實質性發展來支撐。這是一門涉及面廣、專業知識縱深度強的領域，相信靠大家點滴的積累和努力，一定能將電池包系統發揮最大的效益，更好地應用于純電動汽車。

[1] 李相哲，蘇芳，林道勇. 電動汽車動力電源系統[M]. 北京：化學工業出版社，2011：223-307.

[2] GB/T 743-2006 電動汽車用鋰離子蓄電池[S].

U469.72+2.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.06.007

2014-06-27

1002-4581（2014）06-0030-04