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深入淺出 史上*易懂的動力電池系統設計講解

日期:2019-09-13 17:54
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摘要: 深入淺出 史上*易懂的動力電池系統設計講解 動力電池系統指用來給電動汽車的驅動提供能量的一種能量儲存裝置,由一個或多個電池包以及電池管理(控制)系統組成。動力電池系統設計要以滿足整車的動力要求和其他設計為前提,同時要考慮電池系統自身的内部結構和安全及管理設計等方面。 比如整車廠會針對要設計的整車,在考慮安全設計、線束連接線設計、接插件設計等相關要求後,形成一個有限的動力電池系統空間大小。然後在有限的空間約束下,進行電池模組、電池管理系統、熱管理系統、高壓系統等布置,...

深入淺出 史上*易懂的動力電池系統設計講解

動力電池系統指用來給電動汽車的驅動提供能量的一種能量儲存裝置,由一個或多個電池包以及電池管理(控制)系統組成。動力電池系統設計要以滿足整車的動力要求和其他設計為前提,同時要考慮電池系統自身的内部結構和安全及管理設計等方面。

比如整車廠會針對要設計的整車,在考慮安全設計、線束連接線設計、接插件設計等相關要求後,形成一個有限的動力電池系統空間大小。然後在有限的空間約束下,進行電池模組、電池管理系統、熱管理系統、高壓系統等布置,保證電池單體及模塊均勻散熱,保證電池的一緻性,提高電池系統的壽命與安全。設計時要考慮到的一些整體和通用性原則包括安全性好、高比能量、高比功率、溫度适應性強、使用壽命長、安裝維護性強、綜合成本低等。

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一種典型的動力電池系統


由于不同種類電動汽車的結構和工作模式的不同,導緻對動力電池的性能要求也不一樣。純電動汽車行駛完全依賴于動力電池系統的能量,電池系統容量越大,可以續航裡程越長,但所需電池系統的體積和重量也越大。雖然混合動力汽車對動力電池系統的容量要求比純電動汽車要低,但要能夠在某些時候提供較大的瞬時功率。而串聯式和并聯式混合動力汽車對電池系統的要求又有所區别。

因此動力電池系統的設計流程一般如下:(1)先确定整車的設計要求;(2)然後确定車輛的功率及能量要求(3)選擇所能匹配合适的電芯(4)确定電池模塊的組合結構形式(5)确定電池管理系統設計及熱管理系統設計要求(6)仿真模拟及具體試驗驗證。

動力電池系統作為電動汽車的重要組成部分,下文主要按其的具體結構及功能來談談設計要求。分為電池模組、電池管理系統、熱管理系統、電氣及機械系統這四個主要部分。

1.電池模組的結構及設計

動力電池模組是指動力電池單體經由串并聯方式組合并加保護線路闆及外殼後,能夠直接提供電能的組合體,是組成動力電池系統的次級結構之一。動力電池單體即電芯,按正極材料來分,主要包括钴酸锂、錳酸锂、磷酸鐵锂以及鎳钴錳酸锂三元材料等。在查閱資料統計得到的不同材料電芯基本性質如下表所示。

正極材料

LFP

LMO

LTO

LCO

NCA

NCM

能量密度(Wh/kg)

80-130

105-120

70

120-150

80-220

140-180

功率密度(W/kg)

1400-2400

1000

750

600

1500-1900

500-3000

單體電壓(V)

3.2-3.3

3.8

2.2-2.3

3.6-3.8

3.6

3.6-3.7

循環壽命

1000-2000

>500

>4000

>700

>1000

1000-4000

工作溫度(℃)

-20到+60

-20到+60

-40到+60

-20到+60

-20到+60

-20到+55

按電芯的結構形狀來分,主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種,各自的優缺點也十分明顯。在一定程度上,電芯的性能決定了電池模組的性能進而影響整個動力電池系統的性能。因此在進行動力電池系統設計,一定要根據整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。

電池結構

圓柱結構

方形結構

軟包結構

優點

工藝成熟度高、生産效率高、過程控制嚴格,成品率及電芯一緻性高。殼體結構成熟,工藝制造成本低。

對電芯的保護作用要高,可以通過減少單體電池的厚度保證内部熱量的快速傳導,電芯的安全性能有較大的改善。

外部結構對電芯的影響小,電芯性能能優良;封裝采用的材質質量要小,電池的能量密度*高。

缺點

集流體上電流密度分布不均勻,造成内部各部分反應程度不一緻;電芯内部産生的熱量很難得到快速釋放,累積會造成電池的安全隐患。

殼體在電芯總重中所占的比重較大,導緻單體電池的能量密度較低,内部結構複雜,自動化工藝成熟度相對較低。

大容量電池密封工藝難度增加、可靠性相對較差;所采用的鋁塑複合封裝膜機械強度低,鋁塑複合膜的壽命制約了電池的使用壽命。

那麼首先要通過電動汽車的動力需求以及各種高電壓機器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來确定電池系統的容量。然後在進行電池模塊設計時要考慮到動力電池的特性。因為動力電池在不同溫度下輸出/輸入會發生變化。容量、輸出性能會随使用時間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現設計錯誤,将不能滿足低溫時的加速性能和爬坡性能,并且當電池老化時還會給系統性能造成影響。電池模組由多個動力電芯串并聯組合而成,包括單體電芯、固定框架、電連接裝置,還有溫度傳感器、電壓檢測線路等。

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動力電池系統的結構設計流程(電芯→模塊→系統)

在結合整車設計要求的前提下對電池模組進行設計時,電池模組設計需要考慮以下幾個方面:

·電池成組的固定連接方式要根據動力電池系統設計的整體要求對選定好的電芯結構形狀進行。

·電池模塊的裝配要求松緊度适中,各結構部件具有足夠的強度,防止因電池内外部力的作用而發生變形或破壞。

·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置,結構緊湊且要根據電池箱體的散熱情況設置通風散熱通道。

·電池單體之間的導電連接距離盡量短,連接可靠,*好是柔性連接,各導電連接部位的導電能力要滿足用電設備的*大過流能力。

·充分考慮電池串并聯高壓連接之間的絕緣保護問題,例如絕緣間隙和爬電距離等。

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方形電芯和圓柱電芯的電池模組

2.電池管理系統的設計

電池管理系統(BMS),即Battery Management System,通過檢測電池組中各單體電池的狀态來确定整個電池系統的狀态,并根據它們的狀态對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施,實現對動力電池系統及各單體的充放電管理以保證動力電池系統安全穩定地運行。電池管理系統的基本功能可以分為檢測、管理、保護這三大塊。具體來看,包括數據采集、狀态監測、均衡控制、熱管理、安全保護、信息管理等功能。

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電池管理系統

電池管理系統在硬件上可以分為主課模塊和從控模塊兩大塊。主要由數據采集單元(采集模塊)、中央處理單元(主控模塊)、顯示單元、均衡單元檢測模塊(電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測)、控制部件(熔斷裝置、繼電器)等組成。中央處理單元由高壓控制回路、主控闆等組成,數據采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成。一般采用CAN現場總線技術實現相互間的信息通訊。

在動力電池管理系統中的軟件設計功能一般包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統自檢功能、系統檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設計指标包括*高可測量總電壓、*大可測量電流、SOC估算誤差、單體電壓測量精度、電流測量精度、溫度測量精度、工作溫度範圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監測與調試功能等。

BMS通過通訊接口與整車控制器、電機控制器、能量管理系統、車載顯示系統等進行通訊,整個工作過程大緻為:首先利用數據采集模塊采取電池的電流、電壓和溫度等數據→然後采集到的數據發送給主控模塊→主控模塊對數據進行分析和處理後,發出對應的程序控制和變更指令→*後對應的模塊做出處理措施,對電池系統或電池進行調控,同時将實時數據發送到顯示單元模塊。

在電池管理系統的技術要求方面要滿足相關标準,比如QC/T 897-2011:

·電池管理系統與動力電池相連的帶電部件和其殼體之間的絕緣電阻值不小于2MΩ。

·電池管理系統應能經受相關的絕緣耐壓性能試驗,在試驗過程中應無擊穿或閃絡等破壞性放電現象。

·SOC的估算精度要求不大于10%。

·電池管理系統應能在相關規定條件下,比如過電壓運行、欠電壓運行、高低溫運行情況下滿足狀态參數測量精度的要求。

3.熱管理系統的設計

電池熱管理系統是從使角度出發,用來确保電池系統工作在适宜溫度範圍内的一套管理系統,主要由電池箱、傳熱介質、監測設備等部件構成。電池熱管理系統有如下幾項主要功能:(1)電池溫度的準确測量和監控;(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風;(3)低溫條件下的快速加熱,使電池組能夠正常工作;(4)有害氣體産生時的有效通風;(5)保證電池組溫度場的均勻分布。

當車輛在不同運行工況下,電池系統由于其自身有一定的内阻,在輸出功率、電能的同時産生一定的熱量從而産生熱量累積使電池溫度升高,空間布置的不同使得各處電池溫度并不一緻。當電池溫度超出其正常工作溫度區間時,必須限功率工作,否則會影響電池的壽命。為了保證電池系統的電性能和壽命,車用動力電池系統一般設計具有熱管理系統。

可以從動力電池系統本身結構組成看到,熱管理系統設計時要考慮到電池單體和電池模塊兩個層次的結構。因此在電池系統的整體設計中就必須要考慮到電池單體和電池模塊所在位置的溫度環境的影響。在進行電池熱管理系統設計時,一般設計要求有如下幾個方面:

·電池滿功率工作的溫度區間定義及電池降功率工作區間定義。具備電池低溫啟動性能要求及電池隔熱功能。

·電池制冷和制熱功能:電池系統需要設計在低溫下能夠快速升溫, 以達到整車大功率和能量的需求, 或者整車熱管理系統采用空調系統或發動機冷卻水來維持電池系統在*優的工作溫度區間。而采用主動方式還是被動方式的加熱和散熱,效率會有很大差别。

·制冷和制熱方案, 如風冷或液冷。風冷方案設計主要考慮電池系統結構的設計, 風道, 風扇的位置及功率的選擇, 風扇的控制策略等。液冷方案設計主要考慮冷卻管道, 流場, 進出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調壓縮機的控制策略等。在采用風冷冷卻系統與與液冷冷卻系統時要考慮各自的優缺點。

方式

風冷

液冷

優點

結構配置相對簡單,系統重量相對較輕,工藝成本低。不會出現漏液的可能,能夠及時通風排除有害氣體。

與電池接觸壁面之間的熱交換系統相對較大,冷卻或加熱的速度要快。

缺點

與電池接觸壁面之間的熱交換系統低,冷卻或加熱速度相對液體較慢。

系統重量相對較大,設計較複雜,零部件多。維修和**成本高。存在漏液的可能性,

**電動網新聞圖片

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風冷冷卻結構和液冷式冷卻結構示意圖

4.電氣及機械系統的設計

電氣及機械系統主要包括高壓系統、電池箱體、連接線束、機械接插件等,其中高壓系統主要由繼電器、電流傳感器、電阻和熔斷器等器件組成。電氣系統能夠保證設備運行的可靠與安全,實現某項控制功能。電池系統的箱體則要固定安裝到整車上,是電動汽車的一個重要的零部件組成。因此,電池箱體必須具備一些基本功能,如與整車的信号通信,電源輸出,增程器充電輸入,維護開關設計等。

動力電池系統的電氣系統設計主要涉及到高壓部分,在設計高電壓系統時,需要考慮電力供給端和輸出端的平衡。電力供給端對于EV指的是驅動用電池;對于HEV和PHEV則指的是驅動用電池和發動機的發電電力。車輛則需要根據車輛狀态和行駛狀态随時改變供給端。輸出端是指由高電壓電力驅動的機器,如用于驅動的電機、空調設備、DC-DC電源轉換器、電動轉向助力器等。高壓系統的安全設計尤為重要,在高壓線路上配置手動維修開關,自動斷路器、動力控制繼電器、系統互鎖和高壓熔斷器。整個箱體内采用電木和環氧闆進行高壓電絕緣;箱體外部與車底盤可靠連接;電池管理系統對系統絕緣電阻實施監控。

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A123的動力電池系統及電池箱外觀

電池箱作為電池模塊的承載體,對電池模塊的安全工作和防護起着關鍵作用。電池箱的外觀設計主要從材質、表面防腐蝕、絕緣處理、産品标識等方面進行。電池箱體的設計目标要滿足強度剛度要求和電氣設備外殼防護等級IP67設計要求并且提供碰撞保護,箱内電池模塊在底闆生根,線束走向合理、美觀且固定可靠。設計的通用要求要滿足相關标準,比如QC/T 989-2014:

(1)一般要求

·具有維護的方便性。

·在車輛發生碰撞或電池發生自燃等意外情況下,宜考慮防止煙火、液體、氣體等進入車廂的結構或防護措施。

·電池箱應留有銘牌與安全标志布置位置,給保險、動力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎。

·所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應采取加強防護。在連接件、端子、電觸頭接合後應符合GB 4208-2008防護等級為3的要求。

(2)外觀與尺寸

·外表面無明顯的劃傷、變形等缺陷,表面塗鍍層應均勻。

·零部件緊固可靠,無鏽蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。

(3)機械強度

·耐振動強度和耐沖擊強度,在試驗後不應有機械損壞、變形和緊固部位的松動現象,鎖止裝置不應受到損壞。

·采取鎖止裝置固定的蓄電池箱,鎖止裝置應可靠,具有防誤操作措施。

(4)安全要求

·在試驗後,蓄電池箱防護等級不低于IP55。

·人員觸電防護應符合相關要求。

5.相關規範标準要求

在完成整個動力電池系統的設計後,制作好的動力電池系統必須經過台架性能測試,驗證是否符合設計要求,再經過裝車試驗,對系統進行改進和完善。整個動力電池系統的各個設計部分均需要符合相關規範标準要求,比如電池箱内所有連接線阻燃和耐火性能需滿足GB/T 19666-2005的要求,其他一些在動力電池系統設計過程中涉及到的相關标準如表所示。

标準

名稱

GB/T 31484-2015

電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法

GB/T 31485-2015

電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法

GB/T 31486-2015

電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法

GB/T 31467.1-2015

電動汽車用锂離子動力蓄電池包和系統第1部分:高功率應用測試規程

GB/T 31467.2-2015

電動汽車用锂離子動力蓄電池包和系統第2部分:高能量應用測試規程

GB/T 31467.3-2015

電動汽車用锂離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法

GB/T 18384.1-2015

電動汽車 安全要求 第1部分:車載可充電儲能系統

GB/T 18384.2-2015

電動汽車 安全要求 第2部分:操作安全和故障防護

GB/T 18384.3-2015

電動汽車 安全要求 第3部分:人員觸電防護

GB 4208-2008

外殼防護等級(IP代碼)

總結

從目前電動汽車的發展來看,*大的障礙就是動力電池系統的性能。雖然單體電池的技術在不斷發展,性能與以前相比已有很大地提高,但是目前的充放電技術和電池管理技術相對不成熟先進,導緻電池在成組後一緻性降低、性能衰減。動力電池系統的設計優劣是關鍵影響因素之一,因此需要針對動力電池系統不斷進行結構優化和設計分析。

本文簡單地從整體上探讨了動力電池系統設計,并未深入,因為這是一門涉及面廣、專業知識縱深度強的領域。動力電池系統是一個綜合電池技術、電控技術、結構設計技術和熱能分析技術的複雜體系,需要各個相關行業的技術人員通力合作來完成。