汽車動力電池系統(tǒng)的設計與制造——評《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》

凌艷軍

（太原城市職業(yè)技術學院,山西 太原 030027）

近年來,國家出臺了一系列政策,以減少CO2及其他有害氣體的排放,其中就有提升電動汽車的比例,促進電動汽車的發(fā)展。在電動汽車的設計和制造中,電池系統(tǒng)占據(jù)重要地位。王芳等著的《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》一書聚焦于電動汽車動力電池系統(tǒng)的設計與制造,首先介紹電動汽車動力電池系統(tǒng)的發(fā)展概況、關鍵技術等;接著給出動力電池系統(tǒng)的總體設計,詳述動力電池系統(tǒng)的設計流程、組成架構和各個組成部件的功能;然后闡述動力電池的電氣系統(tǒng)設計方案,包括電池箱、高壓箱和進入防護（IP）的設計;再介紹電池管理系統(tǒng)（BMS）相關內容,對BMS的功能、軟硬件開發(fā)要點等做了詳細的敘述;繼而闡述電池熱管理系統(tǒng)的設計,詳細介紹其組成和功能;最后對動力電池系統(tǒng)的部分模組進行建模分析,并簡述動力電池系統(tǒng)開發(fā)測試過程。

1 動力電池系統(tǒng)綜述

動力電池系統(tǒng)是電動汽車的關鍵組分,主要功能是電能的儲存和釋放。動力電池系統(tǒng)由動力電池組、控制開關、熱交換部件及相關電氣設備線路構成,其中動力電池組中儲能電池的選擇對于電動汽車的性能起著決定性作用。在電動汽車發(fā)展初期,鉛酸電池具有成本低、制造方便等特點,廣泛使用于電動汽車中,但體積較大,能量密度低,維護頻繁,會影響電動汽車的續(xù)航里程。之后,壽命長、能量密度高、污染小的鎳氫電池逐步應用到電動汽車中。此后,隨著電池技術的發(fā)展,鋰離子電池在性能上可完全替代鎳氫電池。經(jīng)過十幾年的技術沉淀,大部分主流電動汽車生產企業(yè)已將鋰離子電池作為汽車的動力儲能電池。電動汽車動力電池系統(tǒng)中,零部件的集成、電芯類型的選擇、系統(tǒng)結構設計,以及電氣電路設計、管理系統(tǒng)與散熱系統(tǒng)設計、安全防護設計等,都是需要重點考慮的問題。

2 動力電池系統(tǒng)設計

與燃油汽車不同,電動汽車主要依靠電池系統(tǒng)產生的電力來提供動力,電池系統(tǒng)的質量幾乎占據(jù)電動汽車總質量的一半,因此,在設計動力電池系統(tǒng)時,應盡量減輕電池系統(tǒng)的質量,減小體積。此外,由于汽車運行時會出現(xiàn)顛簸、振動甚至碰撞等現(xiàn)象,電池系統(tǒng)的防撞性、密封防護性、抗沖擊性應達到相應標準。電動汽車動力電池系統(tǒng)主要由電池模組、電池箱體組件、BMS、高壓電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等組成。在電池模組中,單體電池的作用至關重要,要依據(jù)電動汽車的設計特點,以及電池的價格、性能及對環(huán)境的影響等因素選擇動力電池。鋰離子電池具有比能量高、壽命長、污染小的特點,在電動汽車上使用較多。此外,電池模組中還集成了參數(shù)傳感器、導熱部件、電氣部件以及各種連接線和側板底板等。動力電池系統(tǒng)通常放置在電池箱體內。電池箱體由韌性強、密度小的金屬材料組成,通過螺栓緊固方式固定于車身,以保護電池系統(tǒng)免受傷害。BMS是動力電池系統(tǒng)的重要組成部分,能實現(xiàn)電池的各類信息采集與分析、安全管理和故障診斷等功能,以確保電池系統(tǒng)正常運行。BMS一般采用分布式模塊化結構設計,利用控制器局域網(wǎng)絡（CAN）總線連通主控模塊、從控模塊和控制模塊等部件,使各個模塊之間的信息能夠互相交換。高壓電氣系統(tǒng)主要由電流電壓傳感器、高壓接插件、保險絲和接觸器等構成,以確保電動汽車中高壓系統(tǒng)的電能傳輸要求。在設計高壓電氣系統(tǒng)時,要根據(jù)動力電池系統(tǒng)的電流、電壓,以及電動汽車正常運行時所處的外部環(huán)境,來選擇各個部件的型號,做好絕緣、屏蔽防護、電磁兼容等措施,并按照國家標準規(guī)范設置高壓標識。熱管理系統(tǒng)的功能是將電池的運行溫度維持在合理的范圍內,當電池系統(tǒng)的溫度出現(xiàn)異常時,啟動相應的冷卻方案或加熱方案控制溫度,避免出現(xiàn)急速升溫或降溫現(xiàn)象,以消除安全隱患,延長使用壽命,保障電動汽車安全運行。

3 電池管理系統(tǒng)（BMS）設計

BMS是一種由控制器、傳感器、通信模塊和開關器件等組成的電子控制系統(tǒng),用于監(jiān)測和分析電池的運行狀態(tài),當電池運行出現(xiàn)問題時,及時采取相應的措施,使電池免受損害。BMS的設計分為硬件和軟件兩方面。在硬件設計中,第一步要確定BMS的拓撲結構。常用的BMS拓撲結構分為3種:①一體式結構,特點是成本低、維護簡單,適用于低速乘用車等車型;②星型結構,由一個電池控制單元（BCU）搭配多個電池監(jiān)測回路（BMC）,實現(xiàn)信道共享,維護較難、易造成信道浪費,適用于小型物流車等車型;③總線型結構,使用最廣泛,利用CAN總線連通BCU和BMC,使各個模塊之間的信息能夠互相交換,適用于大客車等車型。第二步進行數(shù)據(jù)采集電路的設計。數(shù)據(jù)采集包括對電池電壓、電流、溫度等的采集,設計電路時要考慮采集的同步性和精度問題。通常利用集成芯片設計電壓監(jiān)測電路,利用霍爾傳感器設計電流監(jiān)測電路。第三步進行預充電電路和安全監(jiān)測電路的設計。預充電電路的功能是防止電機等設備因瞬時沖擊電流過大造成損壞;安全監(jiān)測電路包括絕緣監(jiān)測和高壓監(jiān)測,用于保護BMS的安全運行。第四步是抗干擾設計。當電動汽車處于復雜環(huán)境時,可能會給車內的設備帶來電磁干擾,造成運行異常,可利用硬件濾波、增設抗干擾裝置等方式排除干擾。第五步是冗余性設計,即增加額外的線路或裝置,以提升BMS的效率。在BMS的軟件開發(fā)中,荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）和功能狀態(tài)（SOF）是重點。為提升計算的準確性,消除電磁干擾的影響,常利用基于擴展卡爾曼濾波的算法計算SOC;SOH包括電池的劣化程度和失效,其中,電池的劣化程度可用電池的容量衰減和直流內阻譜兩個指標來衡量,電池失效則是指電壓、溫度、放電效率等參數(shù)是否處于正常狀態(tài);SOF是指電池組在某一時刻能夠提供的功率,影響因素眾多,主要與電池的剩余能量和溫度有關。

4 熱管理系統(tǒng)設計

鋰離子電池在自身溫度為0～45℃時,才能更好地發(fā)揮性能。在實際環(huán)境中,由于天氣原因,電池的環(huán)境溫度可能會低于0℃;電動汽車在正常行駛過程中會產生熱量,導致電池的環(huán)境溫度高于45℃。在動力電池系統(tǒng)中要設計熱管理系統(tǒng),保證鋰離子電池的正常工作。熱管理系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和保溫系統(tǒng)等3部分。冷卻系統(tǒng)在電池溫度過高時,通過內置的冷卻方式降低電池溫度,以延長壽命。常用的冷卻方式有:①自然冷卻,即利用空氣自然對流,將電池周圍的熱量擴散到空氣中,達到降溫的目的,效率偏低,但成本也較低;②強制風冷,即利用風扇使空氣掠過電池表面以帶走熱量,降低溫度,需要對風道進行特殊設計,并選擇合適的風扇類型和溫度適宜的冷卻空氣;③液冷,即設計電池系統(tǒng)內部的冷卻系統(tǒng),電池熱量經(jīng)內部液冷系統(tǒng)傳遞到外部冷卻回路,再傳遞到空調系統(tǒng)中,最后傳遞到外部環(huán)境中,也需要根據(jù)實際需求專門設計定制;④直冷,即利用制冷劑的相變吸收熱量以降低電池溫度,冷卻效率較高,但目前還處在研發(fā)階段。加熱系統(tǒng)在鋰離子電池環(huán)境溫度較低時進行加熱,以提高低溫下的充電效率。常見的加熱方式有:①電加熱膜,即利用電阻絲發(fā)熱的方式進行加熱;②正溫度系數(shù)（PTC）材料加熱,即利用特殊的熱敏材料（溫度升高時,材料的內阻也會增加）,在加熱器的作用下實現(xiàn)加熱;③液熱,即在液冷系統(tǒng)的外部冷卻回路中添加額外的加熱回路進行加熱。保溫系統(tǒng)的功能是將電池系統(tǒng)的溫度維持在穩(wěn)定狀態(tài)。在設計保溫系統(tǒng)時,要根據(jù)成本和目標選擇恰當?shù)谋夭牧?并根據(jù)實際要求進行隔熱設計。

5 動力電池系統(tǒng)模組仿真分析

動力電池系統(tǒng)由諸多功能各異的模組組成。為研究動力電池系統(tǒng)的性能,該書對模組進行建模分析。以電池箱體為例,根據(jù)沖壓成型原理,采用深拉材料建立電池箱體上蓋模型（尺寸1 735 mm×900 mm×70mm）,設置參數(shù)為:胚料尺寸1 960 mm×1 200 mm,摩擦系數(shù)0.15。仿真結果表明,該材料部分區(qū)域存在超出極限應變的風險,為此,需增大該區(qū)域的圓角,以減小撕裂風險。由于電池電芯極柱以鋁合金為主要材料,模組輸出極通常使用銅鋁轉接,以增強匯流能力。超聲波焊接常應用于銅鋁轉接中,但焊接過程會使金屬產生振動疲勞,導致裂紋出現(xiàn)。針對此問題,該書建立仿真模型,將超聲波焊頭置于工件上端,設置振幅為0.04 mm、頻率為20 kHz、焊接時間為0.6 s,對焊頭進行正弦振動。根據(jù)輸出模態(tài)應力和輸出載荷因子,利用模態(tài)疊加法對金屬進行疲勞分析,結果表明:在2并狀態(tài)下,由于鋁巴較短,并無撕裂風險;在3并狀態(tài)下,由于鋁巴較長,出現(xiàn)撕裂風險的概率較大,此時可以適當增加焊接底座的面積,并在工件的外部添加支撐結構,以減少振動疲勞,避免出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。

6 動力電池系統(tǒng)開發(fā)的驗證測試

動力電池系統(tǒng)從設計到開發(fā)完成,需要進行多項測試,應以高效、準確為原則,確保系統(tǒng)能滿足設計目標。測試主要包括:①系統(tǒng)功能,即對電池系統(tǒng)的常用功能和采樣精度進行全面測試;②系統(tǒng)殼體防護功能,即測試電池系統(tǒng)外殼的防護效果;③可靠性,即測試電池系統(tǒng)的機械、保護等方面的可靠性;④電性能,即測試系統(tǒng)的電性能是否滿足要求;⑤安全性,即測試在極端條件下系統(tǒng)運行的安全性。

7 結語

《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》一書介紹了電動汽車動力電池系統(tǒng)的發(fā)展概況、關鍵技術等內容,給出動力電池系統(tǒng)的總體設計流程和電氣系統(tǒng)設計方案,詳述了BMS和電池熱管理系統(tǒng)的組成功能和設計流程,對動力電池系統(tǒng)的部分模組進行建模分析研究,并給出了動力電池系統(tǒng)開發(fā)的驗證測試。該書內容飽滿、思路清晰,可供從事動力電池系統(tǒng)研究的科研人員參考。

書名:電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術

作者:王芳等編著

ISBN:9787030541208

出版社:科學出版社

出版時間:2017-08-01

定價:￥128.00元