一種混合動力特種車輛的電池系統(tǒng)設計與研究

楊兵 張玉榮 肖峰

摘要：經過10余年的研究開發(fā)和發(fā)展，我國新能源汽車行業(yè)已經形成了從原材料供應、動力電池、整車控制器等關鍵零部件自主研發(fā)和創(chuàng)新制造;市場分析預計到2025年新能源汽車銷售量將超過1000萬臺，動力電池系統(tǒng)是新能源汽車動力核心，隨著國家政策和對新能源汽車技術要求不斷提高，對動力電池系統(tǒng)安全性要求更高，指導和推進企業(yè)研發(fā)出更加安全的電池系統(tǒng)以滿足國家政策要求和市場需求。同時軍民一體化發(fā)展在新能源汽車領域也得到長足發(fā)展，目前有多家企業(yè)正在承接混合動力特種車輛新能源汽車和關鍵零部件的研發(fā)和制造;為推進新能源汽車發(fā)展起著非常重要作用。

關鍵詞：新能源汽車;電池包;電池管理系統(tǒng);熱管理系統(tǒng)

中圖分類號：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0190-02

0? 引言

新能源汽車是國家發(fā)展戰(zhàn)略重要一部分，新能源汽車軍民一體化發(fā)展得到充分應用，本項目中一款混合動力特種車輛用電池系統(tǒng)設計與研究，主要依據(jù)混合動力特種車輛的需求，搭載在一款6x6 全地形車上，此車具備復雜戰(zhàn)場環(huán)境的全天候、全地域空地一體化作戰(zhàn)能力，能夠執(zhí)行快速部署、地面突擊、要點奪控等重要任務，具備靜默行駛能力，良好的高低溫、高海拔低氣壓適應性，可適合全天候、全地域使用。目前，尚沒有滿足特殊專用車需求的同類產品，本項目研發(fā)的成果，將填補技術和產品空白。

混合動力特種車輛與傳統(tǒng)乘車最大區(qū)別在于重量大、高機動性、工況惡劣。該項目設計研究的高比能電池系統(tǒng)，根據(jù)產品特殊性要求與規(guī)定的的產品六性要求，必須滿足可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應性。因而混合動力特種車輛電池系統(tǒng)開發(fā)要求遠高于行業(yè)內同性能的電池系統(tǒng)。

考慮到此款電池系統(tǒng)搭載在軍用突擊戰(zhàn)車上，由于其特殊的應用環(huán)境，需空降到敵對區(qū)域靜默行駛以達到突擊效果，因此軍用混合動力汽車用電池系統(tǒng)不是單純的追求高續(xù)航里程，設計的突出重點應該放在高比功率和安全性上。在滿足軍標六性要求的前提下，進行全新的整包結構設計，設計需考慮到BDU 集成及輕量化處理等因素，且整包結構的合理性將直接關聯(lián)到BMS 及熱管理系統(tǒng)的工作效果，熱管理系統(tǒng)內部集成冷板，因而對材料和結構方案設計要求更高。高功率放電能力，持續(xù)放電電流達到15C（225A），峰值放電電流達20C（300A），BMS 的SOC 估算技術及電池組均衡技術成為研究關鍵，模組溫差控制在4℃以內，遠高于行業(yè)10℃的標準，使得電池系統(tǒng)設計安全、可靠。

1? 一種混合動力特種車輛電池系統(tǒng)結構設計與研究

該電池系統(tǒng)面向混合動力特種車輛，其車身重，加速要求高，爬坡能力強，基于此，模組作為電池系統(tǒng)最核心的單元，作為整車的動力來源，成組方式及性能參數(shù)至關重要。系統(tǒng)電芯為軟包封裝技術，能量密度高，具備高功率放電能力，持續(xù)放電電流：RT@15C（225A），峰值放電電流：RT@20C（300A），安全性好。除此以外，還需依據(jù)CAE 分析情況，對整包殼體進行輕量化設計與研究，在保障結構強度滿足安全性的前提下，最大限度的減輕重量;為保障系統(tǒng)高壓安全性，在高壓盒（BDU）內部的有限空間內集成7類繼電器，并充分分析和研究更加穩(wěn)妥的安全控制策略，保證高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)絕緣性達到極限值，保障了整車高壓安全和人員安全。

電池整包結構設計如圖1所示。

具體研究方案：

第一步，依據(jù)該項目混合動力特種車輛的規(guī)格及電池包預留空間，確定整板的基本尺寸和各固定點及進出水口方向;

第二步，依據(jù)動力需求確定電池模組數(shù)量及位置;

第三步，確定BDU 的尺寸及位置;鑒于前期樣件需求，BDU 前期驗證使用3D 打印技術，BDU 內部在有限的空間的集成各種繼電器以及采取合適的安全控制策略，以保證高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)絕緣，防止高壓漏電及保證維修人員安全;

第四步，冷卻系統(tǒng)的設計，包括水道走板方式及設計方式的確定，冷卻介質選擇50%乙二醇兌水;低溫加熱方案選擇4 塊PTC 板，其中PTC 加熱板與高溫散熱的水冷板為一體式集成板，如圖2所示。此方案在國內尚屬先例。

最后，結合CAE 軟件分析，確定整體方案，并在系統(tǒng)結構強度滿足整車安全性能前提下，最大限度減輕重量，結合理論技術及仿真優(yōu)化分析，樣件重量小于80kg。

2? 電池管理系統(tǒng)策略設計與研究

BMS 設計工作任務繁多，涉及到整個電池系統(tǒng)的監(jiān)控。主要設計研究集中在SOC 估計算法和均衡電流方法兩個方面。

常規(guī)SOC 估算方法多為單一方法，本設計將安時法與開路電壓法相結合，通過開路電壓法對安時法的SOC 結果進行校正，保障SOC 誤差控制在3%以內。通過電池的初始電量，利用電池的充放電電流對一段時間內的電池沖入或放出的電荷量進行計算，即可得到當前時刻的電池荷電狀態(tài)，除此以外，還需考慮庫倫效率、電池壽命補償以及溫度補償?shù)纫蛩貙Π矔r積分法的估算結果就行修正，即便如此，考慮到電池出狀態(tài)、自放電以及電流精度影響等問題，安時法的SOC 估算誤差是固有的，因此，我們考慮到在SOC 的中間區(qū)間（10%

在均衡電流研究方面，主要是被動均衡和主動均衡兩種方案。被動均衡方法簡單，實用效果較好，主動均衡更節(jié)能，但相對復雜。對BMS 來講，均衡策略很重要。在電池單體的一致性差異在一定范圍內時，電池的電量和電壓成正相關;但是當電池的一致性差的遠，也就是有電池處于受損狀態(tài)時，電量和電壓相關性就沒那么強了，這時的均衡依據(jù)，就不能單以電壓這一數(shù)據(jù)來判斷。如果意識不到有電池損壞到臨界狀態(tài)以下，依然根據(jù)電壓均衡，反而會對電池造成傷害，尤其是主動均衡，因其電流大造成的傷害會比被動均衡更大。

3? 熱管理系統(tǒng)的設計研究

通過溫度傳感器，對每個電芯進行實時監(jiān)控，通過創(chuàng)新性的熱管理總成結構，基于實驗計算好冷卻介質的流速，及時吸收電池的多余熱量，使電池一直處在最佳的充放電區(qū)間，由于對每個電芯均進行了監(jiān)測，可保證電池組溫度分布的一致性，各電芯溫差控制在4℃以內，避免了由于個別電池高溫而引發(fā)的爆炸或者火災，能夠及時的排除電池組內電池單體發(fā)生溫度失控現(xiàn)象的可能;能夠監(jiān)測因為電池內部發(fā)生化學反應而產生的有害氣體，保障有效通風，提高了電池使用過程中的安全性。以安全性為出發(fā)點，保障電池系統(tǒng)的性能和壽命，使電池工作在一定的溫度范圍內，從而維持最佳工作狀態(tài)。該項目設計研究的高比能電池系統(tǒng)需滿足工作環(huán)境在-40℃至70℃之間，并保證模組溫差小于4℃（行業(yè)內是10℃），確保模組高效穩(wěn)定運行。因此需致力于冷卻方案和加熱方案的結合設計研究。創(chuàng)造性的將PTC 加熱板與高溫散熱的水冷板實現(xiàn)一體式集成，在低溫條件下加熱溫升快，效率高，PTC 停止工作后，集成板內介質（防凍液）可以起到保溫作用，如圖3 所示。

目前國內市場主要的熱管理方式是通過介質實現(xiàn)加熱與冷卻，此種方式對整車能量消耗較高，我司的設計考慮到電池自身的溫升速度安全性，采用慢充方式，可通過采取市電實現(xiàn)PTC 加熱，其次電池加熱來源于慢充，整車無需再單獨設計整包加熱模塊，從而節(jié)約整車能源，簡化整車的結構。

4? 結論

本款混合動力特種車輛電池系統(tǒng)設計與應用，實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)成功應用于混合動力特種車輛，為在混合動力特種車輛特殊領域推進混合動力汽車發(fā)展提供了參考依據(jù)。同時提升動力電池系統(tǒng)通過傳統(tǒng)技術開發(fā)向更高層級發(fā)展提供基礎，也為電池系統(tǒng)放電倍率由目前3C提升到15C提供了詳細實驗數(shù)據(jù)，也為多種新技術、新材料在電池系統(tǒng)設計中應用提供實驗基礎和實驗方案和數(shù)據(jù)分析。為以后開發(fā)出更安全、更可靠混合動力特種車輛電池系統(tǒng)奠定基礎。

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