動力電池系統(tǒng)指用來給電動汽車的驅(qū)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(tǒng)組成。動力電池系統(tǒng)設(shè)計要以滿足整車的動力要求和其他設(shè)計為前提，同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計等方面。

比如整車廠會針對要設(shè)計的整車，在考慮安全設(shè)計、線束連接線設(shè)計、接插件設(shè)計等相關(guān)要求后，形成一個有限的動力電池系統(tǒng)空間大小。然后在有限的空間約束下，進(jìn)行電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等布置，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命與安全。設(shè)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、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長、安裝維護(hù)性強(qiáng)、綜合成本低等。

一種典型的動力電池系統(tǒng)

由于不同種類電動汽車的結(jié)構(gòu)和工作模式的不同，導(dǎo)致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(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動力汽車對動力電池系統(tǒng)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(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車對電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

因此動力電池系統(tǒng)的設(shè)計流程一般如下：（1）先確定整車的設(shè)計要求；（2）然后確定車輛的功率及能量要求（3）選擇所能匹配合適的電芯（4）確定電池模塊的組合結(jié)構(gòu)形式（5）確定電池管理系統(tǒng)設(shè)計及熱管理系統(tǒng)設(shè)計要求（6）仿真模擬及具體試驗驗證。

動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的重要組成部分，下文主要按其的具體結(jié)構(gòu)及功能來談?wù)勗O(shè)計要求。分為電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機(jī)械系統(tǒng)這四個主要部分。

1.電池模組的結(jié)構(gòu)及設(shè)計

動力電池模組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動力電池系統(tǒng)的次級結(jié)構(gòu)之一。動力電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。在查閱資料統(tǒng)計得到的不同材料電芯基本性質(zhì)如下表所示。

按電芯的結(jié)構(gòu)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(yōu)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(jìn)而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。因此在進(jìn)行動力電池系統(tǒng)設(shè)計，一定要根據(jù)整車的設(shè)計要求去選擇電芯的材料及形狀。

那么首先要通過電動汽車的動力需求以及各種高電壓機(jī)器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量。然后在進(jìn)行電池模塊設(shè)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(fā)生變化。容量、輸出性能會隨使用時間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現(xiàn)設(shè)計錯誤，將不能滿足低溫時的加速性能和爬坡性能，并且當(dāng)電池老化時還會給系統(tǒng)性能造成影響。電池模組由多個動力電芯串并聯(lián)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。

動力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程（電芯→模塊→系統(tǒng))

在結(jié)合整車設(shè)計要求的前提下對電池模組進(jìn)行設(shè)計時，電池模組設(shè)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(jù)動力電池系統(tǒng)設(shè)計的整體要求對選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行。

·電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結(jié)構(gòu)部件具有足夠的強(qiáng)度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風(fēng)散熱通道。

·電池單體之間的導(dǎo)電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導(dǎo)電連接部位的導(dǎo)電能力要滿足用電設(shè)備的最大過流能力。

·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護(hù)問題，例如絕緣間隙和爬電距離等。

方形電芯和圓柱電芯的電池模組

2.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

電池管理系統(tǒng)（BMS），即Battery Management System，通過檢測電池組中各單體電池的狀態(tài)來確定整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)它們的狀態(tài)對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行對應(yīng)的控制調(diào)整和策略實施，實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)及各單體的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。電池管理系統(tǒng)的基本功能可以分為檢測、管理、保護(hù)這三大塊。具體來看，包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、均衡控制、熱管理、安全保護(hù)、信息管理等功能。

電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)在硬件上可以分為主課模塊和從控模塊兩大塊。主要由數(shù)據(jù)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、主控板等組成，數(shù)據(jù)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(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)相互間的信息通訊。

在動力電池管理系統(tǒng)中的軟件設(shè)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(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設(shè)計指標(biāo)包括最高可測量總電壓、最大可測量電流、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、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監(jiān)測與調(diào)試功能等。

BMS通過通訊接口與整車控制器、電機(jī)控制器、能量管理系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行通訊，整個工作過程大致為：首先利用數(shù)據(jù)采集模塊采取電池的電流、電壓和溫度等數(shù)據(jù)→然后采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊→主控模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，發(fā)出對應(yīng)的程序控制和變更指令→最后對應(yīng)的模塊做出處理措施，對電池系統(tǒng)或電池進(jìn)行調(diào)控，同時將實時數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示單元模塊。

在電池管理系統(tǒng)的技術(shù)要求方面要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如QC/T 897-2011：

·電池管理系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)能經(jīng)受相關(guān)的絕緣耐壓性能試驗，在試驗過程中應(yīng)無擊穿或閃絡(luò)等破壞性放電現(xiàn)象。

·SOC的估算精度要求不大于10%。

·電池管理系統(tǒng)應(yīng)能在相關(guān)規(guī)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態(tài)參數(shù)測量精度的要求。

3.熱管理系統(tǒng)的設(shè)計

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是從使角度出發(fā)，用來確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng),主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備等部件構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有如下幾項主要功能:(1)電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；(3)低溫條件下的快速加熱,使電池組能夠正常工作；(4)有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；(5)保證電池組溫度場的均勻分布。

當(dāng)車輛在不同運行工況下，電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻，在輸出功率、電能的同時產(chǎn)生一定的熱量從而產(chǎn)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致。當(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)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(tǒng)的電性能和壽命，車用動力電池系統(tǒng)一般設(shè)計具有熱管理系統(tǒng)。

可以從動力電池系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)組成看到，熱管理系統(tǒng)設(shè)計時要考慮到電池單體和電池模塊兩個層次的結(jié)構(gòu)。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)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(huán)境的影響。在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計時，一般設(shè)計要求有如下幾個方面：

·電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義及電池降功率工作區(qū)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(tǒng)需要設(shè)計在低溫下能夠快速升溫, 以達(dá)到整車大功率和能量的需求, 或者整車熱管理系統(tǒng)采用空調(diào)系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)冷卻水來維持電池系統(tǒng)在最優(yōu)的工作溫度區(qū)間。而采用主動方式還是被動方式的加熱和散熱，效率會有很大差別。

·制冷和制熱方案, 如風(fēng)冷或液冷。風(fēng)冷方案設(shè)計主要考慮電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計, 風(fēng)道, 風(fēng)扇的位置及功率的選擇, 風(fēng)扇的控制策略等。液冷方案設(shè)計主要考慮冷卻管道, 流場, 進(jìn)出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調(diào)壓縮機(jī)的控制策略等。在采用風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)與與液冷冷卻系統(tǒng)時要考慮各自的優(yōu)缺點。

風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)和液冷式冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

4.電氣及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計

電氣及機(jī)械系統(tǒng)主要包括高壓系統(tǒng)、電池箱體、連接線束、機(jī)械接插件等，其中高壓系統(tǒng)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(tǒng)能夠保證設(shè)備運行的可靠與安全，實現(xiàn)某項控制功能。電池系統(tǒng)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，如與整車的信號通信，電源輸出，增程器充電輸入，維護(hù)開關(guān)設(shè)計等。

動力電池系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計主要涉及到高壓部分，在設(shè)計高電壓系統(tǒng)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(qū)動用電池；對于HEV和PHEV則指的是驅(qū)動用電池和發(fā)動機(jī)的發(fā)電電力。車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時改變供給端。輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動的機(jī)器，如用于驅(qū)動的電機(jī)、空調(diào)設(shè)備、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、電動轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的安全設(shè)計尤為重要，在高壓線路上配置手動維修開關(guān)，自動斷路器、動力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個箱體內(nèi)采用電木和環(huán)氧板進(jìn)行高壓電絕緣；箱體外部與車底盤可靠連接；電池管理系統(tǒng)對系統(tǒng)絕緣電阻實施監(jiān)控。

A123的動力電池系統(tǒng)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(hù)起著關(guān)鍵作用。電池箱的外觀設(shè)計主要從材質(zhì)、表面防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標(biāo)識等方面進(jìn)行。電池箱體的設(shè)計目標(biāo)要滿足強(qiáng)度剛度要求和電氣設(shè)備外殼防護(hù)等級IP67設(shè)計要求并且提供碰撞保護(hù)，箱內(nèi)電池模塊在底板生根，線束走向合理、美觀且固定可靠。設(shè)計的通用要求要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如QC/T 989-2014：

（1）一般要求

·具有維護(hù)的方便性。

·在車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進(jìn)入車廂的結(jié)構(gòu)或防護(hù)措施。

·電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標(biāo)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(chǔ)。

·所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應(yīng)采取加強(qiáng)防護(hù)。在連接件、端子、電觸頭接合后應(yīng)符合GB 4208-2008防護(hù)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，表面涂鍍層應(yīng)均勻。

·零部件緊固可靠，無銹蝕、毛刺、裂紋等缺陷和損傷。

（3）機(jī)械強(qiáng)度

·耐振動強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度，在試驗后不應(yīng)有機(jī)械損壞、變形和緊固部位的松動現(xiàn)象，鎖止裝置不應(yīng)受到損壞。

·采取鎖止裝置固定的蓄電池箱，鎖止裝置應(yīng)可靠，具有防誤操作措施。

（4）安全要求

·在試驗后，蓄電池箱防護(hù)等級不低于IP55。

·人員觸電防護(hù)應(yīng)符合相關(guān)要求。

5.相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求

在完成整個動力電池系統(tǒng)的設(shè)計后，制作好的動力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺架性能測試，驗證是否符合設(shè)計要求，再經(jīng)過裝車試驗，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。整個動力電池系統(tǒng)的各個設(shè)計部分均需要符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，比如電池箱內(nèi)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(tǒng)設(shè)計過程中涉及到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表所示。

總結(jié)

從目前電動汽車的發(fā)展來看，最大的障礙就是動力電池系統(tǒng)的性能。雖然單體電池的技術(shù)在不斷發(fā)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(shù)和電池管理技術(shù)相對不成熟先進(jìn)，導(dǎo)致電池在成組后一致性降低、性能衰減。動力電池系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)劣是關(guān)鍵影響因素之一，因此需要針對動力電池系統(tǒng)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計分析。

本文簡單地從整體上探討了動力電池系統(tǒng)設(shè)計，并未深入，因為這是一門涉及面廣、專業(yè)知識縱深度強(qiáng)的領(lǐng)域。動力電池系統(tǒng)是一個綜合電池技術(shù)、電控技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和熱能分析技術(shù)的復(fù)雜體系，需要各個相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員通力合作來完成。

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