新能源汽车用锂离子动力电池单体选型方法

王记磊，杨 坤，刘庆新，王 杰

（1.广东省珠海市质量计量监督检测所，广东 珠海 519060；2.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 255000；3.北汽福田汽车股份有限公司诸城汽车厂，山东 诸城 262200）

1 引言

随着能源安全与环境污染问题的日益严重，新能源车成为我国汽车发展的重要方向[1]。动力电池作为新能源汽车的能量源，其性能直接决定了新能源汽车的整车性能，更成为决定电动车能否普及的关键因素[2-3]。其中，锂离子电池因具有功率密度高、能量密度高、循环次数高、无记忆效应、成本低等优势，成为新能源汽车动力电池的主流[4-5]。同时，随着电机和电动附件等关键部件的逐步成熟，电池总成成为影响整车动力性、经济性、纯电动续驶里程、充电时间等性能的关键因素[6]，进而成为整车厂重点关注的电动车核心技术，而如何从整车实际应用角度合理选择电池单体成为电池总成开发的重中之重。基于该问题，从电池总成的匹配流程出发，对电池单体的选型、性能测试方案和选型评价方法进行了深入研究。

2 面向整车需求的动力电池开发流程

动力电池是电动汽车的核心部件之一，相应的开发工作主要包括电池总成参数匹配、单体选型、电池总成总布置设计、模块设计和总成设计等环节。如何从整车应用的角度优化开发流程，合理匹配动力电池是新能源汽车研发所面临的关键技术问题。为此，结合整车开发流程提出了图1所示的新能源汽车动力电池开发流程。首先由整车设计部门和整车性能开发部门确定整车输入，具体包括整车性能需求和整车对电池的空间要求，其中，整车性能需求主要包括动力性要求、续驶里程要求等；然后根据整车性能要求确定电机的性能要求，结合可利用的电机资源，得到电机性能参数，据此结合整车纯电动续驶里程要求，并考虑电机与电池之间的电压匹配、整车布置空间限制和低温使用特性等，确定电池的能量要求、功率要求，以及对电池比能量、比功率、低温特性、循环寿命等性能的要求，从而完成电池性能参数的初步匹配；最后，在考虑整车布置空间的前提下，对电池总布置进行设计，对电池总成进行三维设计，同时对电池管理系统和电池热管理系统进行设计，在完成电池零部件试制及总成装配后，对包括电池管理系统在内的电池总成进行测试，验证所开发的电池总成是否满足系统要求，从而完成电池总成的开发。

图1 基于整车需求的动力电池总成开发流程Fig.1 Developing Process of Power Battery Assembly Based on Vehicle Demand

在电池总成的开发过程中，电池单体的合理选型及测试，是提高电池总成开发效率并实现电池总成精细设计的关键，原因主要包括二个方面：（1）电动车整车开发是一个并行开发过程，在未完成电池总成设计前，需要根据电池单体性能推导得到电池总成的性能，以完成细化整车动力系统前期匹配及整车性能验证；（2）电池单体的性能数据是电池模块设计和电池总成设计的基础。通过整车开发实践发现，如果没有电池单体性能的测试或电池单体性能测试不全面，整车性能匹配和电池总成性能实际值与目标值间误差偏大的概率会增加，从而导致电池系统甚至整车的重复设计，造成整车开发成本增加。综上所述，电池单体的选型、测试对于电池总成开发至关重要。

3 电池需求分析

电池的需求分析主要包括整车实际应用过程中，对电池总成功率、能量的需求和对电池单体材料、封装及性能的需求。其中电池能量主要考虑如下几个指标需求：满足常用循环工况纯电动续驶里程要求，满足车辆加速、制动时的能量需求以及低温等特殊工况下的电池能量需求。电池功率可由如下公式确定：

式中：Pbat—电池的需求功率；Pmot_max—电机系统的峰值功率；ηmot—电机系统在峰值输出时的平均效率；Pacc—电动附件的需求功率；ηacc—电动附件的平均效率。

由式（1）可知，电机峰值功率是影响电池需求功率的关键因素。以纯电动车为例，电机峰值功率由最高车速、最大爬坡度、百公里加速时间确定[5]。

式中：Pmax1—由最高车速确定的电机峰值功率；η—传动系传动效率；M—整车重量；g—重力加速度；f—路面滚动阻力系数；uamax—最高车速；CD—空气阻力系数；A—整车迎风面积；ρa—空气密度；ur—汽车与空气的相对速度；Pmax2—由最大爬坡度确定的电机峰值功率；α—道路坡度；ua—爬坡车速；Pmax3—由整车百公里加速时间确定的电机峰值功率；ta为百公里加速时间；Vb—电机基速对应的车速；Vf—最终加速的车速。

完成电池总成的能量、功率匹配后，结合对电池总成电压、布置空间、电池单体正极材料、电池封装形式[7]要求，可分解并筛选得到多种可用的电池单体，从而为电池单体的测试及选型奠定基础。

4 锂离子动力电池单体测试

表1 面向整车需求的锂离子动力电池单体测试方案Tab.1 Test Plan of Lithium-Ion Power Battery Based on Vehicle Demand

在初步选择得到多种可用电池单体后，电池单体测试成为电池单体合理选型的关键。基于整车实际使用需求，提出了表3所示的面向整车需求的动力电池单体测试方案。其中，安全性测试和循环寿命测试为否决项，所选单体必须满足；性能测试则是单体选择的参考项。以四种典型工况为例对性能测试及数据用途进行说明，所用测试设备，如图2所示。

图2 电池单体性能测试设备Fig.2 Test Equipment for Performance Test of Battery Cell

4.1 电池单体倍率放电特性

某电池单体的倍率放电特性曲线，如图3所示。放电倍率分别为1/3C、1C、5C，分别对应电池小功率、中等功率和大功率输出的情况，相关数据可为前期的整车性能仿真和整车控制提供数据支撑。

图3 电池单体倍率放电特性曲线Fig.3 Discharge Characteristic Curve of Battery Cell

倍率放电过程中的电池容量和能量特性，如表2所示。相关数据可为前期分析电池总成的容量和能量（即电池成组）提供支撑，其中的放电容量比与放电能量比均以1/3C放电实际测量值为基准。

表2 电池单体倍率放电性能表Tab.2 Discharge Performance of Battery Cell

4.2 电池单体倍率充电特性

某电池单体的倍率充电特性曲线，如图4所示。充电倍率分别为1/3C、1C、3C，分别对应小功率、中等功率和大功率充电的情况，相关数据是整车性能仿真、制动能量回收控制和快充、慢充控制的重要支撑。倍率充电过程中的恒流充电量、恒压充电量、充电容量和充电能量等特性，如表3所示。相关数据可为前期分析电池总成的容量和能量（即电池成组）提供数据支撑，其中的充电容量比与充电能量比均以1/3C放电实际测量值为基准。

图4 电池单体倍率充电特性曲线Fig.4 Charge Characteristic Curve of Battery Cell

表3 电池单体倍率充电性能表Tab.3 Charge Performance of Battery Cell

4.3 电池单体温度放电特性

电池在不同温度下的放电特性，对整车开发至关重要，尤其是电池在低温下的使用特性[8-9]，直接关系到电动车整车性能。某电池在三种典型温度下的放电特性，如图5所示。据此，可以分析电池单体在高温、常温和低温下的电池特性，为整车控制的开发提供数据支撑。

图5 电池单体温度放电特性曲线Fig.5 Discharge Characteristic Curve of Battery Cell at Different Temperatures

各温度下，1/3倍率放电过程中的电池容量和能量特性，如表4所示。相关数据可为前期分析电池总成的容量和能量（即电池成组）提供支撑，表中放电容量比与放电能量比均以20℃放电为基准。

表4 不同温度下的电池单体放电性能表（以1/3C为例）Tab.4 Discharge Performance of Battery Cell at Different Temperatures（Take 1/3C as An Example）

4.4 电池单体温度充电特性

电池单体在不同温度下的充电特性，是整车的充电策略及制动能量回收策略的基础。某电池在两种典型温度下的充电特性，如图6所示。

图6 电池单体温度充电特性曲线Fig.6 Charge Characteristic Curve of Battery Cell at Different Temperatures

两种温度下，1/3倍率充电过程中的电池容量和能量特性，如表5所示。相关数据可为前期分析电池总成的容量和能量（即电池成组）提供支撑，表中充电容量比以20℃充电为基准。

表5 不同温度下的电池单体充电性能表（以1/3C为例）Tab.5 Charge Performance of Battery cell at Different Temperatures（Take 1/3C As an Example）

5 电池单体选型评价方法

在完成电池单体性能测试后，如何根据整车需求选择性价比最优的电池单体，是电池总成开发的关键，为此，提出了基于电池单体测试方案的电池单体评价体系表，如表6所示。

表6 电池单体评价体系表Tab.6 Evaluation Table for Battery Cell

表中：ai、bi、ci—相应车型第i项指标的权重系数，相应取值由车型对电池性能要求的侧重点决定，例如：纯电动车（EV）侧重考虑容量、比能量、低温性能及寿命；混合动力汽车（HEV）侧重考虑比功率、低温性能及寿命；插电式混合动力汽车（PHEV）侧重考虑容量、比能量、比功率、低温性能及寿命[10]。以纯电动车为例，相应的评价结果如下：

式中：ki—第i项指标的得分值；li—可用单体第i项指标的实测参数值；ltar—可用单体第i项指标的目标参数值；p—电池否决项指标，当电池安全性和循环寿命指标满足要求时为1，反之为0；M—单体的评价结果值。M值较大的单体可以用于匹配相应的车型。若出现某几种单体的结果值相等，则通过量产价格来进行比较，选择价格最低的单体进行匹配。

6 结束语

以实现电池总成精细设计为目标，提出了电池的设计流程，分析了电池单体选型及测试的重要性；针对电池单体选型及测试进行了详细论述，提出了包括否决项（安全性能和循环寿命）和参考项（性能）在内的电池单体性能测试方案。并以某款电池单体为例，对性能测试进行说明；基于电池测试结果提出了评价方法，对电动车电池单体的选型具有较强的实用价值。