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新能源汽车电池系统大剖析
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2017-11-21
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电池系统的选择和设计
如前文所介绍的情况，各家车厂面临油耗和排放的挑战，不断推出新能源汽车的情况，电池系统成了当前汽车电子电气系统中，一个最为昂贵也最为受人重视的子系统。本文将从电池系统的需求、车用电池的状态，以及当前车厂和电池厂的关系角度来介绍电池系统。
电池系统是在混合动力、插入式混合动力和纯电动汽车中用来存储电能，并提供给电驱动系统的需要的能量。电池中的电能，其来源主要有三种，电池处在较低的荷电状态（SOC）时，车辆利用发动机带动高压发电机给电池供电；刹车的时候，能量回收的时候的电能以及充电模式下，从电网得来的能量，如图1所示，在电池的不同的状态，相应的车辆也处在不同的工作模式下。
图1 电池状态 vs 车辆模式
电池系统的选择和设计，很大一部分的参数来自于设计什么样的车型，不同的车型的规范，将直接决定电池系统和电驱动系统的参数，如下图2所示，根据所需要开发的新能源车的具体参数，其电池系统的基本规范也可以确定下来。而电池系统的基本构成，粗略的来说是从电池单体开始，构建电池模组，配置合适电子和电气系统，在电池包层面进行布置和安全分析。
图2 车型规范对电池系统规范的转化
电池单体的选择
1）电池单体的选择
从基本来看，电池单体选择是考虑电池容量、化学体系和单体形状。
• 单体类型：可选的有铅酸、镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）、高温电池（NaS和NaNiCl2）、液流电池和锂离子电池，从综合来看，目前只能依靠锂离子电池来作为储能单元。而离子电池内的化学体系，其参数差异也很大。
• 密度：对电池来说，两个比较重要的参数是能量密度（决定存储电能）和功率密度（决定放电能力），这两者往往不可兼得。值得注意的是，从电极材料理论密度到单体密度再到电池包密度，由于其他不储能的部分，这两个参数往往递减迅速。
• 寿命：可分为循环寿命和使用寿命两个参数。 循环寿命取决于充放电深度、电压、 温度和电流（负荷）；使用寿命包括不使用的时间，与温度和电压有较大的关系。电池老化以后，直接导致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
• 热特性：主要包括低温特性和高温特性。低温的时候，放电的能力对寒冷地区启动有直接的影响；当电池的工作温度增加，会大大影响其寿命。热特性基于形状。圆柱、软包和方形的影响较大，后面会有分析。
• 安全：不同材料对电池单体的安全性差异明显，一般会对电池安全性进行评估。
• 成本：单体的成本与极片材料有一定的关联，电池单体成本因为要符合较高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。
如前文所介绍的情况，各家车厂面临油耗和排放的挑战，不断推出新能源汽车的情况，电池系统成了当前汽车电子电气系统中，一个最为昂贵也最为受人重视的子系统。本文将从电池系统的需求、车用电池的状态，以及当前车厂和电池厂的关系角度来介绍电池系统。
电池系统是在混合动力、插入式混合动力和纯电动汽车中用来存储电能，并提供给电驱动系统的需要的能量。电池中的电能，其来源主要有三种，电池处在较低的荷电状态（SOC）时，车辆利用发动机带动高压发电机给电池供电；刹车的时候，能量回收的时候的电能以及充电模式下，从电网得来的能量，如图1所示，在电池的不同的状态，相应的车辆也处在不同的工作模式下。
图1 电池状态 vs 车辆模式
电池系统的选择和设计，很大一部分的参数来自于设计什么样的车型，不同的车型的规范，将直接决定电池系统和电驱动系统的参数，如下图2所示，根据所需要开发的新能源车的具体参数，其电池系统的基本规范也可以确定下来。而电池系统的基本构成，粗略的来说是从电池单体开始，构建电池模组，配置合适电子和电气系统，在电池包层面进行布置和安全分析。
图2 车型规范对电池系统规范的转化
电池单体的选择
1）电池单体的选择
从基本来看，电池单体选择是考虑电池容量、化学体系和单体形状。
• 单体类型：可选的有铅酸、镍镉（NiCd）、镍氢（NiMH）、高温电池（NaS和NaNiCl2）、液流电池和锂离子电池，从综合来看，目前只能依靠锂离子电池来作为储能单元。而离子电池内的化学体系，其参数差异也很大。
• 密度：对电池来说，两个比较重要的参数是能量密度（决定存储电能）和功率密度（决定放电能力），这两者往往不可兼得。值得注意的是，从电极材料理论密度到单体密度再到电池包密度，由于其他不储能的部分，这两个参数往往递减迅速。
• 寿命：可分为循环寿命和使用寿命两个参数。 循环寿命取决于充放电深度、电压、 温度和电流（负荷）；使用寿命包括不使用的时间，与温度和电压有较大的关系。电池老化以后，直接导致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
• 热特性：主要包括低温特性和高温特性。低温的时候，放电的能力对寒冷地区启动有直接的影响；当电池的工作温度增加，会大大影响其寿命。热特性基于形状。圆柱、软包和方形的影响较大，后面会有分析。
• 安全：不同材料对电池单体的安全性差异明显，一般会对电池安全性进行评估。
• 成本：单体的成本与极片材料有一定的关联，电池单体成本因为要符合较高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。
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