动力电池包系统在纯电动汽车上的应用

刘 宁，王家雁，吴明瞭，吴 志

（东风汽车股份有限公司 商品研发院，湖北 武汉 430057）

动力电池包系统在纯电动汽车上的应用

刘 宁，王家雁，吴明瞭，吴 志

Liu Ning, Wang Jiayan, Wu Mingliao, Wu Zhi

（东风汽车股份有限公司 商品研发院，湖北 武汉 430057）

随着纯电动汽车近年来的快速发展，动力电池包系统作为汽车上全部能源的供给装置，其在纯电动汽车上的应用显得格外重要。文中围绕动力电池包系统的构成、安全防护、功能要求和技术难点分析，结合一款纯电动汽车的开发，对动力电池包系统的设计及应用进行了阐述和研究。

动力电池包；电池管理；安全防护；热管理；一致性

0 引 言

新能源汽车属于国家中长期发展规划中重点支持和发展的产业。动力电池包系统是电动汽车的核心，也是新能源汽车技术和成本上的最大瓶颈，是产业链中最核心的一环，其发展将直接影响到电动汽车的产业化进程。电动汽车对动力电池包系统的要求主要包括安全性、能量密度、一致性、低成本等。动力电池包系统的设计也是一个集电子技术、控制技术、材料科学、工艺过程控制、汽车技术等为一体的综合科学技术，是一个系统工程。

文中将通过动力电池包系统的设计和研究，介绍系统的构成、功能与设计以及研究应用成果。并结合一款纯电动微型客车用动力电池包系统进行阐述和说明。

1 动力电池包系统构成和要求

1.1 构成

动力电池包系统指用来给动力电路提供能量的电池包和相关附件的总称。它主要包括电池模组、电池管理系统（BMS）、热管理系统、电气及机械连接件、电池包外箱等部件。

1.2 要求

对于动力电池包系统来说，整车的设计、控制策略、部件的匹配、管理系统的功能等都影响到电池的应用状况和性能。因此在进行匹配的选择时，应考虑整个系统的性能和特征。

1.2.1 通用性要求

安全性好、高比能量、高比功率、温度适应性好、长寿命、安装维护性强、综合成本低。

1.2.2 表征电池包系统的基本参数

物理参数：电池包系统的构成、尺寸、质量；

电性能参数：容量、能量、SOC（荷电状态）、电压、功率、内阻、能量效率、自放电、寿命；

环境参数：工作温度范围、低温启动、储存温度范围；

安全性参数：绝缘电阻、防护等级；一致性：容量差别、内阻差别、电压差别；管理系统参数：电压/电流/温度检测精度、管理与控制功能。

1.3 纯电动微型客车对电池包系统的要求

该款车型作为纯电动车型，在安全性、动力性和可靠性方面的要求不低于传统车，该款车型可利用空间有限，因此要求动力电池包系统要有较小的体积和重量，由于纯电动车对比功率性能要求并不高，但要求具有较高的比能量以及较长的循环寿命和可靠性。目前锂离子电池的比能量最高可达200Wh/kg性能稳定，循环寿命长，技术也相对比较成熟，应用广泛，在纯电动车领域具有优势，该车采用锂离子电池作为电源。

2 动力电池包系统的设计

2.1 设计思路

动力电池包系统的设计一般按以下步骤设计：

确定整车设计要求→确定车辆的功率要求→确定电压范围→确定所需电池类型→确定能量→确定组合结构形式→确定BMS要求→热管理系统设计→确定接口→仿真模拟验证。

2.2 整车设计要求

根据汽车动力性计算，该款车型选用驱动电机的额定功率为16 kW，峰值功率30 kW。根据选型电机情况以及国家标准所推荐的电压等级序列，确定DC336V电压等级作为电池包系统额定输出电压。

2.3 电池组设计

2.3.1 电池类型

如前所述，根据纯电动车的使用特点，选取锂离子电池组作为电池的类型，本车型采用的磷酸铁锂电池，单体额定电压为3.2 V，因此采用105串结构，由于单体电压范围一般为2.5～3.65 V，电池组的总输出电压为DC263～383 V。

2.3.2 电池包能量确定

先计算电池包系统的最大输出功率和电流能力。电机的峰值功率为 30 kW，电机和控制器的转换效率分别采用0.9和0.95，电子附件、空调等功率大约5 kW，则最大功率为

额定电压为DC336V，由于大功率输出时电压下降较快，以90%取值要求输出的最大电流为：

该纯电动车能量消耗率为0.16 kWh/km，续驶里程160 km，则

电池包系统能量=0.16×160=25.6 kWh

电池包系统容量=25.6 kWh/336 V=76 Ah

通过以上初步计算，以及对市场成熟电池模块总成的了解，选取了75 Ah的磷酸铁锂电池模块总成，该总成已通过国家201所的各项强检试验，每个模块由6个12.5 Ah电芯并联而成，结构示意如图1所示。由于已经考虑了峰值功率情况，应该来说冗余值还是足够的。峰值电流为132/75=1.7 C，电池包的放电能力能够满足车辆要求。

该电池包的电池组成结构由105只容量75Ah的磷酸铁锂单体电池串联而成。

该纯电动车的电机功率16 kW，峰值功率30 kW。标称电压DC336V，加上其他辅助系统工作电流，电池包系统的峰值电流大约在100A左右。该电池包的容量75Ah，其放电瞬时倍率约1.5C，正常使用电流0.6 C。

2.4 电池管理系统设计

电池管理系统（BMS）保证动力电池包系统安全可靠的工作，它是整车控制策略中重要的组成部分。一般来说，电池管理系统的基本功能包括电池状态检测、电池优化控制和电池信息交互。

2.4.1 本系统BMS功能设计

根据整车功能的要求，结合国际电动学会制定的电池管理系统标准，在该系统中设定动力电池管理系统实现的控制功能如下：

电压检测：单体电压测量。电池巡检周期达到 30 ms，精度 0.3%FSR；且静态电流不超过50uA。

温度采集：采集电池温度。温度测量范围：-40℃～125℃，误差为≤±1℃。

电流检测：电流测量。电流检测的精度达到1%FSR。

绝缘检测：按照国家电动汽车相关标准进行绝缘状态检测。

SOC估算：实时计算电池组SOC以及电池组可提供的瞬时充放电功率（电流）。使用安时积分法估算电池组 SOC，在试验数据的基础上对不同区段的 SOC积分值进行修正，得到较为精确的SOC估算值。SOC测量误差≤8%。

CAN通讯：共3路CAN通讯，一路保持与整车的通信，根据整车制定的CAN协议，通过高速CAN向整车实时提供电池工作状态；一路为充电控制CAN；还有一路为内部检测CAN。

放电均衡功能：按照协定的均衡管理控制策略对电芯进行均衡管理，减少电池在使用过程的不一致性，提高整组电池的使用性能。

系统自检功能：系统上电后对电压、温度、通讯、存储器等部件进行检测。

系统检测功能—电池管理系统对整车电池的离散性进行分析，并根据不同故障类型进行报警，同时对电池充放电次数以及历史数据进行记录。

热管理：最高温度＞36℃ 或箱内最高温度-箱内最低温度＞5℃，风扇开启；最高温度＜32 ℃且箱内最高温度-箱内最低温度＜3℃，风扇关闭。

充电管理—对电池与充电机之间的充电过程进行管理。

2.4.2 系统故障报警策略

该动力电池包系统设置了 2级故障报警，一级故障为一般故障，BMS会请求降低用电系统功率，减小电池输出电流；二级为严重故障，BMS将通过 CAN总线向整车控制器发送断高压电请求，系统在排除故障后自动恢复。

2.5 热管理系统设计

动力电池包总成需要进行热管理设计，使所有电池芯温度保持在允许和最优的工作范围之内。

2.5.1 高温影响

电池组中有电解液、电极、隔板等各种材料，高温会加速它们的老化速率。

2.5.2 低温影响

低温会使电池活性物质降低活性，影响电池实际容量，且温度越低，电池内阻越大。不同温度环境下电池的内阻和 SOC变化曲线如图 2所示。

2.5.3 温差影响

温差较大时，高温部分的老化速率会明显快于低温部分，随时间不同电池之间的物性差异将越加明显，从而破坏了电池组的一致性，最终使整组电池提前失效。

2.5.4 系统热管理方案

热管理系统采用空气调节的方式进行加热和冷却管理，通过风道设计来调节温差的不均。空气的来源是驾驶室内的空调风，内部通风结构及布局如图3所示。

对此结构进行了流场分析，通过模拟，左侧入风口平均风速为1.71 m/s，右侧为1.70 m/s；通过对电池框3个方向（X、Y和 Z）系列截面的速度标量统计分析，在电池框内部大部分风量是绕过电池组中间从两侧流过，导致中部风量偏小，速度场的均匀性不是很理想，此处尚需继续优化。

2.6 机械单元设计

2.6.1 电池包系统的整车布置

动力电池总成在整车上的位置，经过3D数模分析和布置后，装配在承载式车身底盘的下部，与地面间预留必要的间隙空间，并考虑装配和维修的方便性。

动力电池包总成的外部组成结构如图4所示。

动力电池包总成与整车的连接方式，则采用6个M12×40的六角法兰螺栓（强度等级为12.9级）与车架进行连接，车架上焊接有6个M12螺母。

2.6.2 外箱设计

电池外箱体总成经过CAE强度分析及质量校核后，在钢材和铝合金型材之间最终采用铝合金材料（包括板材和型材）通过焊接而成。铝合金板材的种类为 5052H32，型材的种类为 6061 T6和6082 T5。

电池外箱的结构如图5所示。

经对结构和材料进行CAE强度分析，该铝电池框各部件最大应力均不大于其材料屈服极限，满足强度要求。

2.6.3 内部结构

在外部空间确定后，电池包内部将进行电池模块总成的分布布置，尽量将内部空间利用率达到最优。

动力电池包的内部组成结构如图6所示。

2.7 系统匹配设计

2.7.1 电气连接设计

该车型动力电池包系统的电气连接如图7所示。

外部接口（包括动力接口和通讯接口）如图8所示。

2.7.2 高压安全设计

高压线路上配置了手动维修开关，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。

2.8 模拟仿真测试

设计完成后，制作好的电池包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。

3 动力电池包系统的检测与评价

目前国际国内相继制订了动力电池包系统的相关标准和评价方法，主要是针对电池或管理系统的，对整个系统尚没有明确的标准。但是关于动力电池包系统的检测与评价对整车的应用来说至关重要，对各项现有标准作了很多分析工作，制定出适合本公司车型平台应用的相关评价标准。

经过本公司评价标准的各项试验验证，该动力电池包系统的性能基本符合设计要求。

4 结 论

就目前新能源车的发展现状来看，对动力电池包系统的成熟应用还需要一个长期的研究过程，需要电池技术、电控技术、系统集成技术、结构技术和热能分析技术的全面发展来进行配合，需要相关各行业的技术人员付出辛苦的努力，通力合作来完成，更需要整个新能源汽车产业的实质性发展来支撑。这是一门涉及面广、专业知识纵深度强的领域，相信靠大家点滴的积累和努力，一定能将电池包系统发挥最大的效益，更好地应用于纯电动汽车。

[1] 李相哲，苏芳，林道勇. 电动汽车动力电源系统[M]. 北京：化学工业出版社，2011：223-307.

[2] GB/T 743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池[S].

U469.72+2.02

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.06.007

2014-06-27

1002-4581（2014）06-0030-04