基于整車平臺(tái)的動(dòng)力電池平臺(tái)化研究

廉玉波，吳 愷，曾 董，李 松，王溥希

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司汽車工程研究院，深圳 518118）

前言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，各大車企的電動(dòng)汽車開發(fā)策略由基于已有燃油車型改造向開發(fā)新的電動(dòng)車專屬平臺(tái)轉(zhuǎn)變。在車企的電動(dòng)平臺(tái)布局的趨勢下，動(dòng)力電池配套策略也在發(fā)生調(diào)整和變化，車企對于動(dòng)力電池的配套選擇開始由此前的離散車型配套向平臺(tái)化方向轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［4］中，整車平臺(tái)是指為多款級別相近的車型開發(fā)同一個(gè)整車架構(gòu)，使得同一架構(gòu)內(nèi)的不同車型共用一部分車身、底盤、高壓系統(tǒng)等。而電池平臺(tái)化開發(fā)則是指為不同的車型匹配同一個(gè)電池包方案，或者匹配由同一種電芯組成且結(jié)構(gòu)相近的電池包方案。電池平臺(tái)化的本質(zhì)特征即其通用性，利用盡量精簡的電池產(chǎn)品布局以最優(yōu)化地滿足整車平臺(tái)需求。電池平臺(tái)化的優(yōu)勢可歸納為以下3 點(diǎn)：（1）統(tǒng)籌產(chǎn)品設(shè)計(jì)，加速項(xiàng)目進(jìn)度；（2）減少開發(fā)費(fèi)用，均攤系統(tǒng)成本；（3）提升生產(chǎn)效率，精簡產(chǎn)能布局。

目前對于基于整車需求的動(dòng)力電池方案匹配研究主要體現(xiàn)為如下特征：一是性能評估與布置評估分離，二是僅針對單一車型需求展開評估［5-8］。對于整車平臺(tái)的系統(tǒng)方案評估而言，不僅需要同時(shí)考慮電池可用空間邊界與電池需求性能邊界，還需保證電池方案能夠滿足平臺(tái)跨車型需求的指標(biāo)帶寬。因此，針對整車平臺(tái)的復(fù)雜多維要求開發(fā)平臺(tái)化的電池方案評估方法十分必要。在此前研究中所運(yùn)用的電池評估模型主要包括一維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒌刃щ娐纺Ｐ?、電化學(xué)模型乃至基于電池老化和健康度的模型［9-12］，這些電池模型的參數(shù)獲取主要來自項(xiàng)目前期的供應(yīng)商仿真以及中期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，這些信息在項(xiàng)目早期的方案評估與決策階段較難為主機(jī)廠所獲取，因此針對主機(jī)廠項(xiàng)目推進(jìn)的快速迭代特點(diǎn)，需開發(fā)敏捷簡便的電池平臺(tái)化參數(shù)量化評價(jià)方法。

本文中從行業(yè)的整車與系統(tǒng)平臺(tái)調(diào)研入手，對電池平臺(tái)化常用策略進(jìn)行歸納分析，并以某混動(dòng)平臺(tái)的電池平臺(tái)化方案評估過程為例，闡述了基于該整車平臺(tái)各車型需求下的動(dòng)力電池平臺(tái)化方案評估方法，為產(chǎn)業(yè)界的平臺(tái)項(xiàng)目的電池方案的統(tǒng)籌規(guī)劃提供了理論與實(shí)例的參考。

1 行業(yè)整車平臺(tái)與電池平臺(tái)簡析

為了更快更好地推出新款電動(dòng)汽車，各個(gè)車企均對整車電動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行布局，如豐田的E-TNGA、本田的honda e、大眾的MEB、奔馳的EVA、通用的BEV3、比亞迪e 平臺(tái)、吉利的PMA、長城的ME、廣汽的GE4平臺(tái)等［13-14］。

以特斯拉Model 3 與Model Y 為例，兩款軸距略有差異的車型同屬一個(gè)整車平臺(tái)，其中Model 3 的605 km 版本與Model Y 的594 km 版本共用同一電池方案，而由此帶來的Model Y 相比Model 3 的續(xù)航減少被整車所接受［15］（表1）。

表1 特斯拉平臺(tái)電池方案

大眾的MEB 平臺(tái)在國內(nèi)推出3 個(gè)系列共5 款車型，考慮到國內(nèi)南北大眾各自選用電池供應(yīng)商帶來的電池參數(shù)的不可控差異，實(shí)際國產(chǎn)大眾ID 系列的電池方案可概括為3款：55/57.3、83.4/84.8 和62.6/63.2 kW·h。可以從表2 中看出，ID.3 與ID.4 短里程版、ID.4 長里程版與ID.6 長里程版，分別共用電池包。值得注意的是，在ID.6的軸距與ID.4的相差較大的情況下，整車仍選擇了電池包平臺(tái)化方案［15］。

表2 大眾MEB平臺(tái)電池方案

此外，對于同一車型的不同驅(qū)動(dòng)版本，各車企均采用了電池平臺(tái)方案，兩驅(qū)和四驅(qū)版本共用同一電池包，如表3所示［15］。

表3 同車型不同驅(qū)動(dòng)配置下的電池方案

結(jié)合以上調(diào)研結(jié)果，各車企在規(guī)劃電池平臺(tái)化方案時(shí)主要考慮整車平臺(tái)下不同軸距、不同續(xù)航、不同驅(qū)動(dòng)類型車型對電池的需求邊界，利用盡量少的電池方案來匹配盡量多的車型。

2 電池平臺(tái)化策略概述

基于上述行業(yè)分析以及我司實(shí)際的整車/系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀，可將電池平臺(tái)化策略歸納為以下步驟（圖1）。

圖1 電池平臺(tái)化策略圖示

（1）提取整車變量

與電池相關(guān)的整車指標(biāo)可進(jìn)一步劃分為電性能相關(guān)和結(jié)構(gòu)相關(guān)的指標(biāo)，其中電性能相關(guān)指標(biāo)主要包括整車動(dòng)力性（主要包括加速時(shí)間、最高車速、爬坡度等）、續(xù)航、充電性能及熱管理性能，而結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)主要包括整車空間、整備質(zhì)量、被動(dòng)安全、可靠耐久及NVH 性能?；谡嚻脚_(tái)的底層設(shè)計(jì)，可提取出關(guān)鍵性的幾個(gè)指標(biāo)作為電池平臺(tái)化的整車變量，主要包括：整車空間/整備質(zhì)量、整車?yán)m(xù)航和整車動(dòng)力性。

（2）分解電池變量

與上述整車指標(biāo)相對應(yīng)，可歸納出電池系統(tǒng)指標(biāo)，其中與電性能相關(guān)指標(biāo)包括電池放電功率-電壓特性、電池放電量與充放電效率、充電功率與充電量、電池?zé)峁芾硇阅?，而與結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)包括電池的尺寸/質(zhì)量、剛度/強(qiáng)度、疲勞/防腐、模態(tài)。同樣從這些電池指標(biāo)中提取關(guān)鍵變量，包括：電池尺寸/質(zhì)量、電池可放電量和電池功率-電壓特性。

（3）確認(rèn)變量的邊界與分布

由于整車平臺(tái)車型較多，對應(yīng)的整車變量和電池變量也較多，因此需要將整車平臺(tái)包含的所有關(guān)鍵變量做一梳理，并歸納出各變量的分布與邊界，以便制定兼容平臺(tái)各車型的電池方案。例如，不同車型對于空間的要求以及對于電池包外尺寸的要求不同，需要在坐標(biāo)圖上繪出每個(gè)車型對應(yīng)的電池包尺寸需求的最小值和最大值，作為電池包尺寸需求的邊界，而各個(gè)車型的電池尺寸邊界需求的集合即為整車平臺(tái)的電池尺寸需求這一變量的分布，最終根據(jù)這一分布圖選取對應(yīng)最優(yōu)的電池尺寸方案。

（4）得到兼容各變量邊界的電池平臺(tái)化方案

最終得到的電池平臺(tái)化基礎(chǔ)方案，需要滿足平臺(tái)各車型的整車需求，并且盡可能地壓縮電池平臺(tái)方案的電池基數(shù)，以節(jié)約成本、精簡產(chǎn)能。在實(shí)際項(xiàng)目工作中，需謹(jǐn)慎對待各變量需求的沖突與取舍，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)項(xiàng)目的收益最大化。

3 平臺(tái)的整車變量與電池變量

首先，整車平臺(tái)需定義平臺(tái)內(nèi)各車型的類別、級別與定位，進(jìn)而確定了車輛的大小、軸距、整備質(zhì)量等基本參數(shù)。整車布置須根據(jù)整車空間分解出電池包在X、Y、Z方向的尺寸包絡(luò)，電池需要在整車的給定包絡(luò)內(nèi)進(jìn)行布置，保證整車各系統(tǒng)間不出現(xiàn)干涉問題；而整車的整備質(zhì)量指標(biāo)可分解出電池包系統(tǒng)的質(zhì)量需求。

其次，整車?yán)m(xù)航里程也是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)指標(biāo)，也是整車平臺(tái)定義的重要變量，而整車純電續(xù)航里程、電耗和電池凈放電量互為相關(guān)。整車經(jīng)濟(jì)性須評估出平臺(tái)各車型的電耗分布與帶寬，并根據(jù)平臺(tái)的車型續(xù)航里程定義分解出電池需求電量。特別地，對于混動(dòng)車型，還須考慮電池平衡點(diǎn)及強(qiáng)制EV點(diǎn)的設(shè)定，以評估混動(dòng)電池在純電模式下可放出的最大電量。值得注意的是，對于電池本身而言，行業(yè)內(nèi)更多將尺寸、質(zhì)量以及電量變量耦合得到能量密度這一指標(biāo)，進(jìn)而便于不同電量電池的橫向比較。評估管控電池能量密度變量，有利于量化給定車型邊界下能布置的最大電池電量。

最后，整車動(dòng)力性包括不同SOC、不同環(huán)境溫度下的加速工況、等速工況和保電工況下的動(dòng)力表現(xiàn)，對應(yīng)到電池變量即電池在不同SOC 和溫度下的功率-電壓特性。其中電池功率對應(yīng)整車動(dòng)力系統(tǒng)的功率需求，電池電壓對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓需求。電池的功率-電壓特性可由供應(yīng)商輸入的電池內(nèi)阻MAP 及電壓限值得到。一般對于整車平臺(tái)的電池初版方案而言，重點(diǎn)評估常溫高電量下的百公里加速時(shí)間及其電池分解指標(biāo)，此后逐步延伸到全溫域、全工況電池指標(biāo)變量。

4 平臺(tái)變量的邊界與分布

本文將以某混動(dòng)車型平臺(tái)為例，對平臺(tái)的整車變量和電池變量的邊界與分布進(jìn)行定量闡述，并進(jìn)一步評估基于該混動(dòng)平臺(tái)的電池平臺(tái)化初版方案。該平臺(tái)的車型譜如表4所示。

表4 某混動(dòng)整車平臺(tái)車型譜

4.1 空間尺寸邊界

整車的X、Y、Z向空間分別影響電池包的對應(yīng)方向尺寸包絡(luò)。以X向?yàn)槔囕S距尺寸內(nèi)需要布置整車前副車架（內(nèi)含動(dòng)力系統(tǒng)）、油箱和電池包，而各系統(tǒng)部件之間的間隙受整車被動(dòng)安全需求影響。根據(jù)車型的軸距、動(dòng)力系統(tǒng)、油箱、間隙尺寸的信息（圖2），可分解得到電池包X向尺寸包絡(luò)邊界。根據(jù)車高、人機(jī)工程需求等信息，可分解得到電池包Z向尺寸包絡(luò)邊界（圖3）。

圖2 整車空間與電池尺寸邊界示意圖

圖3 平臺(tái)各車型電池尺寸邊界分布

考慮到刀片電池電芯“單層縱向立式”布置的特點(diǎn)，電池包X向尺寸邊界主要影響電芯的長度選型，電池包Z向尺寸主要影響電芯的寬度選型，而電池包Y向?yàn)殡娦镜亩询B方向，主要影響電芯的排布節(jié)數(shù)。從圖3 中可以看出，各車型在電池包X向的尺寸邊界最小值為1 240 mm，最大值為1 350 mm，從電池方案數(shù)量最優(yōu)化角度考慮，應(yīng)盡量選取X向邊界的最小值作為平臺(tái)化方案的X向尺寸，以兼容所有車型。此處還需額外考慮按最小尺寸電池包方案下各車型的電量需求能否滿足，若無法滿足須針對該車型的尺寸作額外的調(diào)整。各車型電池包Z向尺寸邊界呈現(xiàn)兩種尺寸的分布，這主要受轎車和SUV的車高不同所影響，須結(jié)合后續(xù)各車型電量需求及電池能量密度可達(dá)成范圍，綜合評定平臺(tái)化電池方案的Z向尺寸規(guī)劃數(shù)量（單一尺寸或兩種尺寸）。

4.2 續(xù)航邊界

在整車平臺(tái)的純電續(xù)航里程定義要求下，電池需求凈放電量受各車型電耗影響，因此需首先確認(rèn)平臺(tái)各車型的電耗分布。進(jìn)一步將該電耗帶寬圖譜轉(zhuǎn)化為電池的需求電量分布圖（圖4），其中同一橫坐標(biāo)上的兩個(gè)藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)表示該車型需求電量的下限和上限，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)表示該車型的四驅(qū)車型。根據(jù)該平臺(tái)各車型的需求電量分布，將其分為4 個(gè)集合，可以明顯看出，電量需求分布與整車的純電續(xù)航里程及車型電耗分布強(qiáng)相關(guān)，50、100 km 版本車型電耗相差較小，易于共用電池，200 km 版本轎車和SUV電耗相差較大，須分別開發(fā)電池電量方案。

圖4 平臺(tái)各車型電池需求電量分布

4.3 動(dòng)力性邊界

相比尺寸和續(xù)航（電量）定義，整車動(dòng)力性定義復(fù)雜性更高，分解指標(biāo)更多，受條件變量的影響更大。考慮到平臺(tái)電池方案評估的階段性，初版方案中的電池動(dòng)力性指標(biāo)重點(diǎn)考慮常溫高電量的整車百公里加速工況下的功率-電壓需求。

在前期動(dòng)力總成參數(shù)確定的情況下，對于每個(gè)車型，電池的動(dòng)力性能分解指標(biāo)可由如圖5 所示的等高線圖給出。一方面，電池功率參數(shù)由整車的動(dòng)力性指標(biāo)所分解出的整車功率需求以及動(dòng)力總成各模塊的功率和效率參數(shù)計(jì)算得到；另一方面，電池電壓參數(shù)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性功率-電壓特性計(jì)算得到。在電池可放電功率和電池下拉電壓參數(shù)矩陣下，可計(jì)算出對應(yīng)的加速時(shí)間MAP。根據(jù)整車加速時(shí)間的定義可從MAP 中讀取對應(yīng)的電池功率和電壓需求，即圖中對應(yīng)等高線的左下角的數(shù)據(jù)點(diǎn)，對應(yīng)給定電池功率-電壓曲線（圖中白色虛線）和加速時(shí)間等高線的切點(diǎn)。值得注意的是，圖中電池功率增加而加速時(shí)間不變的部分，主要因?yàn)樵赬軸對應(yīng)的給定電池電壓下，電機(jī)的外特性峰值功率一定，而電池功率如果增加到大于電機(jī)的峰值功率以上（實(shí)際計(jì)算時(shí)還需考慮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率），此時(shí)繼續(xù)增加電池的功率無法對驅(qū)動(dòng)端產(chǎn)生增益，加速時(shí)間不變。

圖5 某車型整車動(dòng)力性與電池功率-電壓特性匹配

在平臺(tái)各車型的電池功率-電壓需求邊界確定后，可以從電池電芯的功率-電壓特性和電池節(jié)數(shù)兩方面評估可達(dá)成動(dòng)力性需求的電池方案。

5 基于整車需求及電池等效內(nèi)阻模型的電池平臺(tái)化方案匹配

基于以上討論的整車空間、續(xù)航、動(dòng)力性邊界以及所分解的電池尺寸、電量、功率特性邊界，將平臺(tái)所有車型的電池方案參數(shù)進(jìn)行合并整理，得到包含多個(gè)集合的電池平臺(tái)化基礎(chǔ)方案。

首先根據(jù)電池尺寸需求和電量需求，并基于電池體積能量密度的可達(dá)成范圍，對電池的電量分布作進(jìn)一步劃分。對于50 和100 km 車型而言，車型對電池的空間及電量需求相比電池包的能量密度水平較為寬松，所以可考慮將原本Z向尺寸邊界不同的轎車和SUV 車型改為均按照緊湊邊界定義，即115 mm，進(jìn)而可將同里程的轎車和SUV 的尺寸邊界統(tǒng)一，采用共用同一電芯的電池方案。對于200 km車型而言，其需求的電池能量密度水平較高，需嚴(yán)格按照整車各自定義的尺寸邊界評估方案，轎車和SUV各采用一種高度的電芯。因此可將電池電量方案進(jìn)一步劃分為4 個(gè)集合，分別應(yīng)用于50 km 轎車/SUV、100 km 轎車/SUV 和200 km 轎車/SUV，每個(gè)集合可共用一款電池包。

進(jìn)一步地，在各車型電池的功率、電壓需求確定后，需基于電池模型匹配相應(yīng)的電芯容量、節(jié)數(shù)、內(nèi)阻參數(shù)，本文中提出一種簡化的基于電芯等效內(nèi)阻的電池平臺(tái)化評估方法，用于敏捷評估滿足電池倍率性能需求的電芯參數(shù)。

定義電芯等效內(nèi)阻，表示為電芯單位放電倍率下的壓降，用以對比不同電芯倍率性能的強(qiáng)弱：

等效內(nèi)阻還可用另一種詮釋，即等于直流內(nèi)阻與容量的乘積：

等效內(nèi)阻直觀地體現(xiàn)了電芯的倍率性能，在平臺(tái)方案求解中可根據(jù)本公司以及競品的相應(yīng)參數(shù)的可達(dá)成水平來具體定義等效內(nèi)阻的取值。

為求得平臺(tái)化電池方案的電芯容量，需確定電芯容量在不同車型的需求帶寬，即電池最小需求容量和電池最大需求容量。

其中，電芯最小需求容量應(yīng)由電控、OBC模塊的最高可承受電壓決定，用最高電壓求出電池最大串聯(lián)節(jié)數(shù)，進(jìn)而求得各車型的電池最小需求容量，計(jì)算公式為

而電芯最大需求容量由電芯的最大可接受的實(shí)際電壓u決定，其可通過式（4）的二次方程求解得到：

最終通過式（5）求得對應(yīng)的最大需求容量：

式（1）～式（5）中的各變量含義：DCR′為電芯等效內(nèi)阻；DCR為電芯直流內(nèi)阻；rate為電芯放電倍率；Δu為電芯放電壓降；unom為電芯標(biāo)稱電壓；uocv為電芯開路電壓；u為電芯實(shí)際電壓；umax為電芯最高電壓；U為電池實(shí)際電壓；Umax為最高可接受電池電壓；cap為電池容量；capmin為電池最小需求容量；capmax為電池最大需求容量；E為電池能量；P為電池功率；I為電池放電電流。

以上各輸入?yún)?shù)的取值見表5。

表5 平臺(tái)電池需求容量帶寬計(jì)算輸入?yún)?shù)

以上述方法求得的各平臺(tái)車型的需求容量分布如圖6 所示。考慮到電芯的并聯(lián)數(shù)對電芯選型的影響，對并聯(lián)數(shù)為1和2的方案分別展示于同一坐標(biāo)圖中。考慮到電芯共用，所評估的電芯容量需同時(shí)滿足所有共用車型的電芯容量需求帶寬。

圖6 平臺(tái)車型的平臺(tái)化電芯參數(shù)匹配

最終評估的電池平臺(tái)化的電芯共用方案概括為兩種。方案1為兩電芯方案，50 km版本車型、100 km版本車型和200 km 轎車共用一款電芯，其中50 和100 km 版本車型電芯并聯(lián)數(shù)為1，200 km 版本轎車電芯并聯(lián)數(shù)為2，200 km 版本SUV 車型單獨(dú)用一款電芯，平臺(tái)電池包總數(shù)為4。方案2 為三電芯方案，50 km 版本車型和100 km 版本車型共用一款電芯，其中50 km版本車型電芯并聯(lián)數(shù)為1，100 km版本車型電芯并聯(lián)數(shù)為2，200 km 版本轎車和SUV 各用一款電芯，平臺(tái)電池包總數(shù)為4。此外，平臺(tái)每款電池包可在Y向進(jìn)行串聯(lián)節(jié)數(shù)的演化，以滿足同平臺(tái)電池對于整車各車型的實(shí)際電池電量的差異性需求，而總體尺寸和電芯方案可維持不變。

本文所述的平臺(tái)化評估方法以及電池共用方案在實(shí)際車型中亦有一定的應(yīng)用實(shí)例。如表6 所示，轎車和SUV 3 款車型包含50、100、200 km 3 個(gè)純電里程版本，共計(jì)6 款配置。電池平臺(tái)化方法采用雙電芯方案，其中50 和100 km 版本共用一款電芯，200 km 版本單獨(dú)用一款電芯。平臺(tái)電池包數(shù)量為3種，其中每個(gè)純電里程版本各一款。

表6 電池平臺(tái)化方法應(yīng)用實(shí)例

6 結(jié)論

電池平臺(tái)化方案有利于產(chǎn)品的統(tǒng)籌規(guī)劃、成本的降低和產(chǎn)能的優(yōu)化。根據(jù)行業(yè)整車平臺(tái)的電池平臺(tái)化策略，須考慮平臺(tái)各車型需求的交集與帶寬，用盡量少的電芯與電池方案兼容盡量多的車型。以某混動(dòng)車平臺(tái)為例，按照提取整車變量、分解電池變量、確定變量邊界與分布、得到平臺(tái)化方案4 個(gè)步驟，進(jìn)行電池尺寸、電量、能量密度、功率性能的評估。具體評估結(jié)論如下：

（1）整車X向電池尺寸邊界可優(yōu)化為1 種平臺(tái)邊界，整車Z向電池尺寸邊界由于轎車和SUV 尺寸類別相差較大，優(yōu)化為2種平臺(tái)邊界；

（2）平臺(tái)的需求電量邊界，根據(jù)混動(dòng)車型不同版本的純電里程將其分為4個(gè)集合，其中50、100 km版本車型電耗相差較小，易于共用電池，200 km 版本轎車和SUV 電耗相差較大，需分別開發(fā)電池電量方案；

（3）電池功率-電壓邊界以及電池容量、節(jié)數(shù)規(guī)劃通過基于等效內(nèi)阻計(jì)算方法的電池容量帶寬匹配，平臺(tái)各車型至少需共用2～3種電芯。

最終為平臺(tái)兩種車系、3 種軸距、3 種里程、2 種驅(qū)動(dòng)形式共16款車型確認(rèn)了2～3款電芯的平臺(tái)化基礎(chǔ)方案，其中每款電芯可根據(jù)節(jié)數(shù)變化兼容一定Y向尺寸與電量帶寬的需求。同時(shí)，本文提供了在售車型的實(shí)例，證明本文所述的平臺(tái)化方案具有可行性與先進(jìn)性。該電池平臺(tái)化方案研究為后續(xù)本企業(yè)各整車平臺(tái)的電池體系化規(guī)劃提供了基礎(chǔ)參考。