汽车动力电池系统的设计与制造——评《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》<br/>

汽车动力电池系统的设计与制造——评《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》

2021-11-05凌艳军

电池 2021年5期

凌艳军

（太原城市职业技术学院,山西太原 030027）

近年来,国家出台了一系列政策,以减少CO2及其他有害气体的排放,其中就有提升电动汽车的比例,促进电动汽车的发展。在电动汽车的设计和制造中,电池系统占据重要地位。王芳等著的《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》一书聚焦于电动汽车动力电池系统的设计与制造,首先介绍电动汽车动力电池系统的发展概况、关键技术等;接着给出动力电池系统的总体设计,详述动力电池系统的设计流程、组成架构和各个组成部件的功能;然后阐述动力电池的电气系统设计方案,包括电池箱、高压箱和进入防护（IP）的设计;再介绍电池管理系统（BMS）相关内容,对BMS的功能、软硬件开发要点等做了详细的叙述;继而阐述电池热管理系统的设计,详细介绍其组成和功能;最后对动力电池系统的部分模组进行建模分析,并简述动力电池系统开发测试过程。

1 动力电池系统综述

动力电池系统是电动汽车的关键组分,主要功能是电能的储存和释放。动力电池系统由动力电池组、控制开关、热交换部件及相关电气设备线路构成,其中动力电池组中储能电池的选择对于电动汽车的性能起着决定性作用。在电动汽车发展初期,铅酸电池具有成本低、制造方便等特点,广泛使用于电动汽车中,但体积较大,能量密度低,维护频繁,会影响电动汽车的续航里程。之后,寿命长、能量密度高、污染小的镍氢电池逐步应用到电动汽车中。此后,随着电池技术的发展,锂离子电池在性能上可完全替代镍氢电池。经过十几年的技术沉淀,大部分主流电动汽车生产企业已将锂离子电池作为汽车的动力储能电池。电动汽车动力电池系统中,零部件的集成、电芯类型的选择、系统结构设计,以及电气电路设计、管理系统与散热系统设计、安全防护设计等,都是需要重点考虑的问题。

2 动力电池系统设计

与燃油汽车不同,电动汽车主要依靠电池系统产生的电力来提供动力,电池系统的质量几乎占据电动汽车总质量的一半,因此,在设计动力电池系统时,应尽量减轻电池系统的质量,减小体积。此外,由于汽车运行时会出现颠簸、振动甚至碰撞等现象,电池系统的防撞性、密封防护性、抗冲击性应达到相应标准。电动汽车动力电池系统主要由电池模组、电池箱体组件、BMS、高压电气系统和热管理系统等组成。在电池模组中,单体电池的作用至关重要,要依据电动汽车的设计特点,以及电池的价格、性能及对环境的影响等因素选择动力电池。锂离子电池具有比能量高、寿命长、污染小的特点,在电动汽车上使用较多。此外,电池模组中还集成了参数传感器、导热部件、电气部件以及各种连接线和侧板底板等。动力电池系统通常放置在电池箱体内。电池箱体由韧性强、密度小的金属材料组成,通过螺栓紧固方式固定于车身,以保护电池系统免受伤害。BMS是动力电池系统的重要组成部分,能实现电池的各类信息采集与分析、安全管理和故障诊断等功能,以确保电池系统正常运行。BMS一般采用分布式模块化结构设计,利用控制器局域网络（CAN）总线连通主控模块、从控模块和控制模块等部件,使各个模块之间的信息能够互相交换。高压电气系统主要由电流电压传感器、高压接插件、保险丝和接触器等构成,以确保电动汽车中高压系统的电能传输要求。在设计高压电气系统时,要根据动力电池系统的电流、电压,以及电动汽车正常运行时所处的外部环境,来选择各个部件的型号,做好绝缘、屏蔽防护、电磁兼容等措施,并按照国家标准规范设置高压标识。热管理系统的功能是将电池的运行温度维持在合理的范围内,当电池系统的温度出现异常时,启动相应的冷却方案或加热方案控制温度,避免出现急速升温或降温现象,以消除安全隐患,延长使用寿命,保障电动汽车安全运行。

3 电池管理系统（BMS）设计

BMS是一种由控制器、传感器、通信模块和开关器件等组成的电子控制系统,用于监测和分析电池的运行状态,当电池运行出现问题时,及时采取相应的措施,使电池免受损害。BMS的设计分为硬件和软件两方面。在硬件设计中,第一步要确定BMS的拓扑结构。常用的BMS拓扑结构分为3种:①一体式结构,特点是成本低、维护简单,适用于低速乘用车等车型;②星型结构,由一个电池控制单元（BCU）搭配多个电池监测回路（BMC）,实现信道共享,维护较难、易造成信道浪费,适用于小型物流车等车型;③总线型结构,使用最广泛,利用CAN总线连通BCU和BMC,使各个模块之间的信息能够互相交换,适用于大客车等车型。第二步进行数据采集电路的设计。数据采集包括对电池电压、电流、温度等的采集,设计电路时要考虑采集的同步性和精度问题。通常利用集成芯片设计电压监测电路,利用霍尔传感器设计电流监测电路。第三步进行预充电电路和安全监测电路的设计。预充电电路的功能是防止电机等设备因瞬时冲击电流过大造成损坏;安全监测电路包括绝缘监测和高压监测,用于保护BMS的安全运行。第四步是抗干扰设计。当电动汽车处于复杂环境时,可能会给车内的设备带来电磁干扰,造成运行异常,可利用硬件滤波、增设抗干扰装置等方式排除干扰。第五步是冗余性设计,即增加额外的线路或装置,以提升BMS的效率。在BMS的软件开发中,荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）和功能状态（SOF）是重点。为提升计算的准确性,消除电磁干扰的影响,常利用基于扩展卡尔曼滤波的算法计算SOC;SOH包括电池的劣化程度和失效,其中,电池的劣化程度可用电池的容量衰减和直流内阻谱两个指标来衡量,电池失效则是指电压、温度、放电效率等参数是否处于正常状态;SOF是指电池组在某一时刻能够提供的功率,影响因素众多,主要与电池的剩余能量和温度有关。

4 热管理系统设计

锂离子电池在自身温度为0～45℃时,才能更好地发挥性能。在实际环境中,由于天气原因,电池的环境温度可能会低于0℃;电动汽车在正常行驶过程中会产生热量,导致电池的环境温度高于45℃。在动力电池系统中要设计热管理系统,保证锂离子电池的正常工作。热管理系统包括冷却系统、加热系统和保温系统等3部分。冷却系统在电池温度过高时,通过内置的冷却方式降低电池温度,以延长寿命。常用的冷却方式有:①自然冷却,即利用空气自然对流,将电池周围的热量扩散到空气中,达到降温的目的,效率偏低,但成本也较低;②强制风冷,即利用风扇使空气掠过电池表面以带走热量,降低温度,需要对风道进行特殊设计,并选择合适的风扇类型和温度适宜的冷却空气;③液冷,即设计电池系统内部的冷却系统,电池热量经内部液冷系统传递到外部冷却回路,再传递到空调系统中,最后传递到外部环境中,也需要根据实际需求专门设计定制;④直冷,即利用制冷剂的相变吸收热量以降低电池温度,冷却效率较高,但目前还处在研发阶段。加热系统在锂离子电池环境温度较低时进行加热,以提高低温下的充电效率。常见的加热方式有:①电加热膜,即利用电阻丝发热的方式进行加热;②正温度系数（PTC）材料加热,即利用特殊的热敏材料（温度升高时,材料的内阻也会增加）,在加热器的作用下实现加热;③液热,即在液冷系统的外部冷却回路中添加额外的加热回路进行加热。保温系统的功能是将电池系统的温度维持在稳定状态。在设计保温系统时,要根据成本和目标选择恰当的保温材料,并根据实际要求进行隔热设计。

5 动力电池系统模组仿真分析

动力电池系统由诸多功能各异的模组组成。为研究动力电池系统的性能,该书对模组进行建模分析。以电池箱体为例,根据冲压成型原理,采用深拉材料建立电池箱体上盖模型（尺寸1 735 mm×900 mm×70mm）,设置参数为:胚料尺寸1 960 mm×1 200 mm,摩擦系数0.15。仿真结果表明,该材料部分区域存在超出极限应变的风险,为此,需增大该区域的圆角,以减小撕裂风险。由于电池电芯极柱以铝合金为主要材料,模组输出极通常使用铜铝转接,以增强汇流能力。超声波焊接常应用于铜铝转接中,但焊接过程会使金属产生振动疲劳,导致裂纹出现。针对此问题,该书建立仿真模型,将超声波焊头置于工件上端,设置振幅为0.04 mm、频率为20 kHz、焊接时间为0.6 s,对焊头进行正弦振动。根据输出模态应力和输出载荷因子,利用模态叠加法对金属进行疲劳分析,结果表明:在2并状态下,由于铝巴较短,并无撕裂风险;在3并状态下,由于铝巴较长,出现撕裂风险的概率较大,此时可以适当增加焊接底座的面积,并在工件的外部添加支撑结构,以减少振动疲劳,避免出现撕裂现象。

6 动力电池系统开发的验证测试

动力电池系统从设计到开发完成,需要进行多项测试,应以高效、准确为原则,确保系统能满足设计目标。测试主要包括:①系统功能,即对电池系统的常用功能和采样精度进行全面测试;②系统壳体防护功能,即测试电池系统外壳的防护效果;③可靠性,即测试电池系统的机械、保护等方面的可靠性;④电性能,即测试系统的电性能是否满足要求;⑤安全性,即测试在极端条件下系统运行的安全性。

7 结语

《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》一书介绍了电动汽车动力电池系统的发展概况、关键技术等内容,给出动力电池系统的总体设计流程和电气系统设计方案,详述了BMS和电池热管理系统的组成功能和设计流程,对动力电池系统的部分模组进行建模分析研究,并给出了动力电池系统开发的验证测试。该书内容饱满、思路清晰,可供从事动力电池系统研究的科研人员参考。