最易懂的动力电池系统设计详解

　　动力电池系统简介

　　动力电池系统指用来给电动汽车的驱动提供能量的一种能量储存装置，由一个或多个电池包以及电池管理（控制）系统组成。

　　动力电池系统内部，除了作为能量载体的动力电池之外，还包括电池管理系统（BMS）、电压/ 电流/ 温度传感器（也可能有烟雾/ 化学/ 湿度传感器）、热管理系统、高低压线束/ 连接器、开关器件（继电器、保险丝、MSD等）、安装组件（支架，托盘、压杆、螺栓等）、壳体、辅助组件（密封圈、橡胶垫、密封胶、卡扣、扎带）等。动力电池系统产品，涉及的专业领域包括电子、电气、信息、软件工程、半导体、电磁学、材料、电化学、化学工程、机械工程、传热学、工程热力学、流体力学等众多学科（图1），技术整合难度和系统集复杂度可想而知。

　　

　　图1 动力电池系统构成与相关专业领域

　　动力电池系统设计

　　动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提，同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。

　　比如整车厂会针对要设计的整车，在考虑安全设计、线束连接线设计、接插件设计等相关要求后，形成一个有限的动力电池系统空间大小。然后在有限的空间约束下，进行电池模组、电池管理系统、热管理系统、高压系统等布置，保证电池单体及模块均匀散热，保证电池的一致性，提高电池系统的寿命与安全。设计时要考虑到的一些整体和通用性原则包括安全性好、高比能量、高比功率、温度适应性强、使用寿命长、安装维护性强、综合成本低等。

　　

　　一种典型的动力电池系统

　　由于不同种类电动汽车的结构和工作模式的不同，导致对动力电池的性能要求也不一样。纯电动汽车行驶完全依赖于动力电池系统的能量，电池系统容量越大，可以续航里程越长，但所需电池系统的体积和重量也越大。虽然混合动力汽车对动力电池系统的容量要求比纯电动汽车要低，但要能够在某些时候提供较大的瞬时功率。而串联式和并联式混合动力汽车对电池系统的要求又有所区别。

　　因此动力电池系统的设计流程一般如下：

　　（1）先确定整车的设计要求；

　　（2）然后确定车辆的功率及能量要求

　　（3）选择所能匹配合适的电芯

　　（4）确定电池模块的组合结构形式

　　（5）确定电池管理系统设计及热管理系统设计要求

　　（6）仿真模拟及具体试验验证。

　　动力电池系统设计详解

　　动力电池系统作为电动汽车的重要组成部分，下文主要按其的具体结构及功能来谈谈设计要求。分为电池模组、电池管理系统、热管理系统、电气及机械系统这四个主要部分。

　　一、电池模组的结构及设计

　　动力电池模组是指动力电池单体经由串并联方式组合并加保护线路板及外壳后，能够直接提供电能的组合体，是组成动力电池系统的次级结构之一。动力电池单体即电芯，按正极材料来分，主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。在查阅资料统计得到的不同材料电芯基本性质如下表所示。

　　

　　按电芯的结构形状来分，主要分为圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种，各自的优缺点也十分明显。在一定程度上，电芯的性能决定了电池模组的性能进而影响整个动力电池系统的性能。因此在进行动力电池系统设计，一定要根据整车的设计要求去选择电芯的材料及形状。

　　

　　那么首先要通过电动汽车的动力需求以及各种高电压机器配件等所需的消耗电力、时间以及使用温度来确定电池系统的容量。然后在进行电池模块设计时要考虑到动力电池的特性。因为动力电池在不同温度下输出/输入会发生变化。容量、输出性能会随使用时间逐渐退化。电池的性能与选择一旦出现设计错误，将不能满足低温时的加速性能和爬坡性能，并且当电池老化时还会给系统性能造成影响。电池模组由多个动力电芯串并联组合而成，包括单体电芯、固定框架、电连接装置，还有温度传感器、电压检测线路等。

　　

　　动力电池系统的结构设计流程（电芯→模块→系统）

　　在结合整车设计要求的前提下对电池模组进行设计时，电池模组设计需要考虑以下几个方面：

　　1、电池成组的固定连接方式要根据动力电池系统设计的整体要求对选定好的电芯结构形状进行。

　　2、电池模块的装配要求松紧度适中，各结构部件具有足够的强度，防止因电池内外部力的作用而发生变形或破坏。

　　3、电芯及电池模块要有专门的固定装置，结构紧凑且要根据电池箱体的散热情况设置通风散热通道。

　　4、电池单体之间的导电连接距离尽量短，连接可靠，最好是柔性连接，各导电连接部位的导电能力要满足用电设备的最大过流能力。

　　5、充分考虑电池串并联高压连接之间的绝缘保护问题，例如绝缘间隙和爬电距离等。

　　

　　

　　方形电芯和圆柱电芯的电池模组

　　二、电池管理系统的设计

　　电池管理系统（BMS），即Battery Management System，通过检测电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。电池管理系统的基本功能可以分为检测、管理、保护这三大块。具体来看，包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护、信息管理等功能。

　　

　　电池管理系统

　　电池管理系统在硬件上可以分为主课模块和从控模块两大块。主要由数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块）、显示单元、均衡单元检测模块（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。

　　在动力电池管理系统中的软件设计功能一般包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC 估算、CAN 通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。整体的设计指标包括最高可测量总电压、最大可测量电流、SOC估算误差、单体电压测量精度、电流测量精度、温度测量精度、工作温度范围、CAN通讯、故障诊断、故障记忆功能、在线监测与调试功能等。

　　BMS通过通讯接口与整车控制器、电机控制器、能量管理系统、车载显示系统等进行通讯，整个工作过程大致为：首先利用数据采集模块采取电池的电流、电压和温度等数据→然后采集到的数据发送给主控模块→主控模块对数据进行分析和处理后，发出对应的程序控制和变更指令→最后对应的模块做出处理措施，对电池系统或电池进行调控，同时将实时数据发送到显示单元模块。

　　在电池管理系统的技术要求方面要满足相关标准，比如QC/T 897-2011：

　   1、电池管理系统与动力电池相连的带电部件和其壳体之间的绝缘电阻值不小于2MΩ。

        2、电池管理系统应能经受相关的绝缘耐压性能试验，在试验过程中应无击穿或闪络等破坏性放电现象。

　    3、SOC的估算精度要求不大于10%。

　　4、电池管理系统应能在相关规定条件下，比如过电压运行、欠电压运行、高低温运行情况下满足状态参数测量精度的要求。

　　三、热管理系统的设计

　　电池热管理系统是从使角度出发，用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统，主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。电池热管理系统有如下几项主要功能：

　　（1）电池温度的准确测量和监控；

　　（2）电池组温度过高时的有效散热和通风；

　　（3）低温条件下的快速加热，使电池组能够正常工作；

　　（4）有害气体产生时的有效通风；

　　（5）保证电池组温度场的均匀分布。

　　当车辆在不同运行工况下，电池系统由于其自身有一定的内阻，在输出功率、电能的同时产生一定的热量从而产生热量累积使电池温度升高，空间布置的不同使得各处电池温度并不一致。当电池温度超出其正常工作温度区间时，必须限功率工作，否则会影响电池的寿命。为了保证电池系统的电性能和寿命，车用动力电池系统一般设计具有热管理系统。

　　可以从动力电池系统本身结构组成看到，热管理系统设计时要考虑到电池单体和电池模块两个层次的结构。因此在电池系统的整体设计中就必须要考虑到电池单体和电池模块所在位置的温度环境的影响。在进行电池热管理系统设计时，一般设计要求有如下几个方面：

　　1、电池满功率工作的温度区间定义及电池降功率工作区间定义。具备电池低温启动性能要求及电池隔热功能。

　　2、电池制冷和制热功能：电池系统需要设计在低温下能够快速升温， 以达到整车大功率和能量的需求， 或者整车热管理系统采用空调系统或发动机冷却水来维持电池系统在最优的工作温度区间。而采用主动方式还是被动方式的加热和散热，效率会有很大差别。

　　3、制冷和制热方案， 如风冷或液冷。风冷方案设计主要考虑电池系统结构的设计， 风道， 风扇的位置及功率的选择， 风扇的控制策略等。液冷方案设计主要考虑冷却管道， 流场， 进出口冷却剂的流量、温度、压降。水泵及整车空调压缩机的控制策略等。在采用风冷冷却系统与与液冷冷却系统时要考虑各自的优缺点。

　　

　　

　　

　　风冷冷却结构和液冷式冷却结构示意图

　　四、电气及机械系统的设计

　　电气及机械系统主要包括高压系统、电池箱体、连接线束、机械接插件等，其中高压系统主要由继电器、电流传感器、电阻和熔断器等器件组成。电气系统能够保证设备运行的可靠与安全，实现某项控制功能。电池系统的箱体则要固定安装到整车上，是电动汽车的一个重要的零部件组成。因此，电池箱体必须具备一些基本功能，如与整车的信号通信，电源输出，增程器充电输入，维护开关设计等。

　　动力电池系统的电气系统设计主要涉及到高压部分，在设计高电压系统时，需要考虑电力供给端和输出端的平衡。电力供给端对于EV指的是驱动用电池；对于HEV和PHEV则指的是驱动用电池和发动机的发电电力。车辆则需要根据车辆状态和行驶状态随时改变供给端。输出端是指由高电压电力驱动的机器，如用于驱动的电机、空调设备、DC-DC电源转换器、电动转向助力器等。高压系统的安全设计尤为重要，在高压线路上配置手动维修开关，自动断路器、动力控制继电器、系统互锁和高压熔断器。整个箱体内采用电木和环氧板进行高压电绝缘；箱体外部与车底盘可靠连接；电池管理系统对系统绝缘电阻实施监控。

　　

　　A123的动力电池系统及电池箱外观

　　电池箱作为电池模块的承载体，对电池模块的安全工作和防护起着关键作用。电池箱的外观设计主要从材质、表面防腐蚀、绝缘处理、产品标识等方面进行。电池箱体的设计目标要满足强度刚度要求和电气设备外壳防护等级IP67设计要求并且提供碰撞保护，箱内电池模块在底板生根，线束走向合理、美观且固定可靠。设计的通用要求要满足相关标准，比如QC/T 989-2014：

　　（1）一般要求

　　1、具有维护的方便性。

　　2、在车辆发生碰撞或电池发生自燃等意外情况下，宜考虑防止烟火、液体、气体等进入车厢的结构或防护措施。

　　3、电池箱应留有铭牌与安全标志布置位置，给保险、动力线、采集线、各种传感元件的安装留有足够的空间和固定基础。

　　4、所有无级基本绝缘的连接件、端子、电触头应采取加强防护。在连接件、端子、电触头接合后应符合GB 4208-2008防护等级为3的要求。

　　（2）外观与尺寸

　　1、外表面无明显的划伤、变形等缺陷，表面涂镀层应均匀。

　　2、零部件紧固可靠，无锈蚀、毛刺、裂纹等缺陷和损伤。

　　（3）机械强度

　　1、耐振动强度和耐冲击强度，在试验后不应有机械损坏、变形和紧固部位的松动现象，锁止装置不应受到损坏。

　　2、采取锁止装置固定的蓄电池箱，锁止装置应可靠，具有防误操作措施。

　　（4）安全要求

　　1、在试验后，蓄电池箱防护等级不低于IP55。

　　2、人员触电防护应符合相关要求。

　　五、相关规范标准要求

　　在完成整个动力电池系统的设计后，制作好的动力电池系统必须经过台架性能测试，验证是否符合设计要求，再经过装车试验，对系统进行改进和完善。整个动力电池系统的各个设计部分均需要符合相关规范标准要求，比如电池箱内所有连接线阻燃和耐火性能需满足GB/T 19666-2005的要求，其他一些在动力电池系统设计过程中涉及到的相关标准如表所示。

　　

　　总结

　　从目前电动汽车的发展来看，最大的障碍就是动力电池系统的性能。虽然单体电池的技术在不断发展，性能与以前相比已有很大地提高，但是目前的充放电技术和电池管理技术相对不成熟先进，导致电池在成组后一致性降低、性能衰减。动力电池系统的设计优劣是关键影响因素之一，因此需要针对动力电池系统不断进行结构优化和设计分析。