動力電池系統(tǒng)指用來給電動汽車的驅(qū)動提供能量的一種能量儲存裝置，由一個或多個電池包以及電池管理(控制)系統(tǒng)組成。動力電池系統(tǒng)設計要以滿足整車的動力要求和其他設計為前提，同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結構和安全及管理設計等方面。

比如整車廠會針對要設計的整車，在考慮安全設計、線束連接線設計、接插件設計等相關要求后，形成一個有限的動力電池系統(tǒng)空間大小。然后在有限的空間約束下，進行電池模組、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。設計時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、溫度適應性強、使用壽命長、安裝維護性強、綜合成本低等。

由于不同種類電動汽車的結構和工作模式的不同，導致對動力電池的性能要求也不一樣。純電動汽車行駛完全依賴于動力電池系統(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動力汽車對動力電池系統(tǒng)的容量要求比純電動汽車要低，但要能夠在某些時候提供較大的瞬時功率。而串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車對電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

一種典型的動力電池系統(tǒng)

因此動力電池系統(tǒng)的設計流程一般如下：

(1)先確定整車的設計要求;

(2)然后確定車輛的功率及能量要求;

(3)選擇所能匹配合適的電芯;

(4)確定電池模塊的組合結構形式;

(5)確定電池管理系統(tǒng)設計及熱管理系統(tǒng)設計要求;

(6)仿真模擬及具體試驗驗證。

動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的重要組成部分，下文主要按其的具體結構及功能來談談設計要求。分為電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機械系統(tǒng)這四個主要部分。

1.電池模組的結構及設計

動力電池模組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動力電池系統(tǒng)的次級結構之一。動力電池單體即電芯，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)計得到的不同材料電芯基本性質(zhì)如下表所示。

按電芯的結構形狀來分，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而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。因此在進行動力電池系統(tǒng)設計，一定要根據(jù)整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。

那么首先要通過電動汽車的動力需求以及各種高電壓機器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量。然后在進行電池模塊設計時要考慮到動力電池的特性。因為動力電池在不同溫度下輸出/輸入會發(fā)生變化。容量、輸出性能會隨使用時間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現(xiàn)設計錯誤，將不能滿足低溫時的加速性能和爬坡性能，并且當電池老化時還會給系統(tǒng)性能造成影響。電池模組由多個動力電芯串并聯(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、電壓檢測線路等。

動力電池系統(tǒng)的結構設計流程(電芯→模塊→系統(tǒng))

在結合整車設計要求的前提下對電池模組進行設計時，電池模組設計需要考慮以下幾個方面：

·電池成組的固定連接方式要根據(jù)動力電池系統(tǒng)設計的整體要求對選定好的電芯結構形狀進行。

·電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結構部件具有足夠的強度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結構緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設置通風散熱通道。

·電池單體之間的導電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導電連接部位的導電能力要滿足用電設備的最大過流能力。

·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護問題，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

2.電池管理系統(tǒng)的設計

電池管理系統(tǒng)(BMS)，即Battery Management System，通過檢測電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對動力電池系統(tǒng)進行對應的控制調(diào)整和策略實施，實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。電池管理系統(tǒng)的基本功能可以分為檢測、管理、保護這三大塊。具體來看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、均衡控制、熱管理、安全保護、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、均衡單元檢測模塊(電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測)、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)場總線技術實現(xiàn)相互間的信息通訊。

在動力電池管理系統(tǒng)中的軟件設計功能一般包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設計指標包括最高可測量總電壓、最大可測量電流、SOC估算誤差、單體電壓測量精度、電流測量精度、溫度測量精度、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監(jiān)測與調(diào)試功能等。

BMS通過通訊接口與整車控制器、電機控制器、能量管理系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進行通訊，整個工作過程大致為：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→主控模塊對數(shù)據(jù)進行分析和處理后，發(fā)出對應的程序控制和變更指令→最后對應的模塊做出處理措施，對電池系統(tǒng)或電池進行調(diào)控，同時將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元模塊。

在電池管理系統(tǒng)的技術要求方面要滿足相關標準，比如QC/T 897-2011：

·電池管理系統(tǒng)與動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。

·電池管理系統(tǒng)應能經(jīng)受相關的絕緣耐壓性能試驗，在試驗過程中應無擊穿或閃絡等破壞性放電現(xiàn)象。

·SOC的估算精度要求不大于10%。

·電池管理系統(tǒng)應能在相關規(guī)定條件下，比如過電壓運行、欠電壓運行、高低溫運行情況下滿足狀態(tài)參數(shù)測量精度的要求。

3.熱管理系統(tǒng)的設計

電池熱管理系統(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)測設備等部件構成。電池熱管理系統(tǒng)有如下幾項主要功能：

(1)電池溫度的準確測量和監(jiān)控;

(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風;

(3)低溫條件下的快速加熱，使電池組能夠正常工作;

(4)有害氣體產(chǎn)生時的有效通風;

(5)保證電池組溫度場的均勻分布。

當車輛在不同運行工況下，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。當電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時，必須限功率工作，否則會影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命，車用動力電池系統(tǒng)一般設計具有熱管理系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

可以從動力電池系統(tǒng)本身結構組成看到，熱管理系統(tǒng)設計時要考慮到電池單體和電池模塊兩個層次的結構。因此在電池系統(tǒng)的整體設計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。在進行電池熱管理系統(tǒng)設計時，一般設計要求有如下幾個方面：

·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。具備電池低溫啟動性能要求及電池隔熱功能。

·電池制冷和制熱功能：電池系統(tǒng)需要設計在低溫下能夠快速升溫， 以達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)動機冷卻水來維持電池系統(tǒng)在最優(yōu)的工作溫度區(qū)間。而采用主動方式還是被動方式的加熱和散熱，效率會有很大差別。

·制冷和制熱方案， 如風冷或液冷。風冷方案設計主要考慮電池系統(tǒng)結構的設計， 風道， 風扇的位置及功率的選擇， 風扇的控制策略等。液冷方案設計主要考慮冷卻管道， 流場， 進出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調(diào)壓縮機的控制策略等。在采用風冷冷卻系統(tǒng)與與液冷冷卻系統(tǒng)時要考慮各自的優(yōu)缺點。

風冷冷卻結構和液冷式冷卻結構示意圖

4.電氣及機械系統(tǒng)的設計

電氣及機械系統(tǒng)主要包括高壓系統(tǒng)、電池箱體、連接線束、機械接插件等，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)能夠保證設備運行的可靠與安全，實現(xiàn)某項控制功能。電池系統(tǒng)的箱體則要固定安裝到整車上，是電動汽車的一個重要的零部件組成。因此，電池箱體必須具備一些基本功能，如與整車的信號通信，電源輸出，增程器充電輸入，維護開關設計等。

動力電池系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設計主要涉及到高壓部分，在設計高電壓系統(tǒng)時，需要考慮電力供給端和輸出端的平衡。電力供給端對于EV指的是驅(qū)動用電池;對于HEV和PHEV則指的是驅(qū)動用電池和發(fā)動機的發(fā)電電力。車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時改變供給端。輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動的機器，如用于驅(qū)動的電機、空調(diào)設備、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、電動轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的安全設計尤為重要，在高壓線路上配置手動維修開關，自動斷路器、動力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個箱體內(nèi)采用電木和環(huán)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(tǒng)對系統(tǒng)絕緣電阻實施監(jiān)控。

A123的動力電池系統(tǒng)及電池箱外觀

電池箱作為電池模塊的承載體，對電池模塊的安全工作和防護起著關鍵作用。電池箱的外觀設計主要從材質(zhì)、表面防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標識等方面進行。電池箱體的設計目標要滿足強度剛度要求和電氣設備外殼防護等級IP67設計要求并且提供碰撞保護，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。設計的通用要求要滿足相關標準，比如QC/T 989-2014：

(1)一般要求

·具有維護的方便性。

·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、氣體等進入車廂的結構或防護措施。

·電池箱應留有銘牌與安全標志布置位置，給保險、動力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎。

·所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應采取加強防護。在連接件、端子、電觸頭接合后應符合GB 4208-2008防護等級為3的要求。

(2)外觀與尺寸

·外表面無明顯的劃傷、變形等缺陷，表面涂鍍層應均勻。

·零部件緊固可靠，無銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。

(3)機械強度

·耐振動強度和耐沖擊強度，在試驗后不應有機械損壞、變形和緊固部位的松動現(xiàn)象，鎖止裝置不應受到損壞。

·采取鎖止裝置固定的蓄電池箱，鎖止裝置應可靠，具有防誤操作措施。

(4)安全要求

·在試驗后，蓄電池箱防護等級不低于IP55。

·人員觸電防護應符合相關要求。

5.相關規(guī)范標準要求

在完成整個動力電池系統(tǒng)的設計后，制作好的動力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺架性能測試，驗證是否符合設計要求，再經(jīng)過裝車試驗，對系統(tǒng)進行改進和完善。整個動力電池系統(tǒng)的各個設計部分均需要符合相關規(guī)范標準要求，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，其他一些在動力電池系統(tǒng)設計過程中涉及到的相關標準如表所示。

總結

從目前電動汽車的發(fā)展來看，最大的障礙就是動力電池系統(tǒng)的性能。雖然單體電池的技術在不斷發(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和電池管理技術相對不成熟先進，導致電池在成組后一致性降低、性能衰減。動力電池系統(tǒng)的設計優(yōu)劣是關鍵影響因素之一，因此需要針對動力電池系統(tǒng)不斷進行結構優(yōu)化和設計分析。

本文簡單地從整體上探討了動力電池系統(tǒng)設計，并未深入，因為這是一門涉及面廣、專業(yè)知識縱深度強的領域。動力電池系統(tǒng)是一個綜合電池技術、電控技術、結構設計技術和熱能分析技術的復雜體系，需要各個相關行業(yè)的技術人員通力合作來完成。