新能源汽車的核心部件大剖析：電池系統(tǒng)篇

電池系統(tǒng)的選擇和設(shè)計

如前文所介紹的情況，各家車廠面臨油耗和排放的挑戰(zhàn)，不斷推出新能源汽車的情況，電池系統(tǒng)成了當(dāng)前汽車電子電氣系統(tǒng)中，一個最為昂貴也最為受人重視的子系統(tǒng)。本文將從電池系統(tǒng)的需求、車用電池的狀態(tài)，以及當(dāng)前車廠和電池廠的關(guān)系角度來介紹電池系統(tǒng)。

電池系統(tǒng)是在混合動力、插入式混合動力和純電動汽車中用來存儲電能，并提供給電驅(qū)動系統(tǒng)的需要的能量。電池中的電能，其來源主要有三種，電池處在較低的荷電狀態(tài)（SOC）時，車輛利用發(fā)動機帶動高壓發(fā)電機給電池供電；剎車的時候，能量回收的時候的電能以及充電模式下，從電網(wǎng)得來的能量，如圖1所示，在電池的不同的狀態(tài)，相應(yīng)的車輛也處在不同的工作模式下。

圖1 電池狀態(tài) vs 車輛模式

電池系統(tǒng)的選擇和設(shè)計，很大一部分的參數(shù)來自于設(shè)計什么樣的車型，不同的車型的規(guī)范，將直接決定電池系統(tǒng)和電驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)，如下圖2所示，根據(jù)所需要開發(fā)的新能源車的具體參數(shù)，其電池系統(tǒng)的基本規(guī)范也可以確定下來。而電池系統(tǒng)的基本構(gòu)成，粗略的來說是從電池單體開始，構(gòu)建電池模組，配置合適電子和電氣系統(tǒng)，在電池包層面進行布置和安全分析。

圖2 車型規(guī)范對電池系統(tǒng)規(guī)范的轉(zhuǎn)化

電池單體的選擇

1）電池單體的選擇
從基本來看，電池單體選擇是考慮電池容量、化學(xué)體系和單體形狀。???
? 單體類型：可選的有鉛酸、鎳鎘(NiCd)、鎳氫（NiMH）、高溫電池（NaS和NaNiCl2）、液流電池和鋰離子電池，從綜合來看，目前只能依靠鋰離子電池來作為儲能單元。而離子電池內(nèi)的化學(xué)體系，其參數(shù)差異也很大。
? 密度：對電池來說，兩個比較重要的參數(shù)是能量密度（決定存儲電能）和功率密度（決定放電能力），這兩者往往不可兼得。值得注意的是，從電極材料理論密度到單體密度再到電池包密度，由于其他不儲能的部分，這兩個參數(shù)往往遞減迅速。
? 壽命：可分為循環(huán)壽命和使用壽命兩個參數(shù)。 循環(huán)壽命取決于充放電深度、電壓、 溫度和電流（負荷）；使用壽命包括不使用的時間，與溫度和電壓有較大的關(guān)系。電池老化以后，直接導(dǎo)致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
? 熱特性：主要包括低溫特性和高溫特性。低溫的時候，放電的能力對寒冷地區(qū)啟動有直接的影響；當(dāng)電池的工作溫度增加，會大大影響其壽命。熱特性基于形狀。圓柱、軟包和方形的影響較大，后面會有分析。
? 安全：不同材料對電池單體的安全性差異明顯，一般會對電池安全性進行評估。
? 成本：單體的成本與極片材料有一定的關(guān)聯(lián)，電池單體成本因為要符合較高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。

表1 主要鋰離子電池特性

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單體形狀相對簡單些，如下表2所示，目前整車企業(yè)在努力推動電池單體的尺寸規(guī)格的統(tǒng)一，長期來看電池單體成為通用件的可能性很大。

不同電池形狀優(yōu)缺點

表2 不同電池形狀優(yōu)缺點

2）單體成組
電池組的結(jié)構(gòu)拓撲是首先需要解決的問題，這是由于單個電池的容量往往存在限制，想要做到100Ah以上 ，往往對電池單體的要求較高；而系統(tǒng)總的電壓由于安全考慮以及與其他系統(tǒng)匹配，是被限制在750V以下的。

圖3 電池組拓撲結(jié)構(gòu)

所以構(gòu)成電池組的拓撲可分為：
1. 先并后串：由于電池單體的初期差異性小，所以通過匹配容量、內(nèi)阻和自放電后，將電池并聯(lián)后串聯(lián)是種比較理想的辦法。走的更遠的是很多個小單體，通過熔絲連接成模組后進行串聯(lián)，如Tesla的電池系統(tǒng)。
2. 先串后并：將電池單體進行串聯(lián)連接以后，在系統(tǒng)上將多個電池模組進行并聯(lián)使用。這種方法適用于較大容量需求的情況下，比如電動大巴等較大容量的電池系統(tǒng)。由于電池組內(nèi)單體差異累積，使得電池組的電壓差異較大，并聯(lián)連接需要更多的考慮。 并聯(lián)連接的硬連接方式，通常是共享DC/DC轉(zhuǎn)換器，對電流分配無控制（重新連接困然，有可能斷開一個電池包），必須使用同一種電池；獨立電池組整合，可使用獨立轉(zhuǎn)換器，能進行控制電流分配（有可能斷開一個電池包、重新連接容易），可使用不同電池 。
3. 混聯(lián)：將電池并聯(lián)之后串聯(lián)，再通過并聯(lián)或者串聯(lián)的方式進行連接。比如LEAF的2P2S的基本模塊結(jié)構(gòu)
?? 將電池連接在一起，可以承受總線電流，這又是一項考慮；目前可選的有兩種連接類型：
1） 螺絲連接：主要應(yīng)用在圓柱和方形電池中，較為著名的改裝Prius的自然，也是源于螺紋連接質(zhì)量不太可靠，導(dǎo)致連接阻抗過高發(fā)熱所致，車用不可取。
2） 焊接連接：可用在所有類型的使用上，由于直接將電池單體的導(dǎo)體焊接直連，其連接是穩(wěn)定的，由于可能存在不同金屬焊接，目前成本較高。
3）電池管理系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)設(shè)計

圖4 一個典型的電池系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)的功能

電池管理系統(tǒng)一般有以下的功能，主要通過電池管理模塊和電池檢測子模塊實現(xiàn)。
? 監(jiān)測電池參數(shù)：對單體電池（電壓、溫度）和電池系統(tǒng)（電壓、電流、溫度、絕緣電阻）的物理參數(shù)采集，這些數(shù)據(jù)作為對電池系統(tǒng)狀態(tài)判斷的基礎(chǔ)。
? 參數(shù)計算：測得物理參數(shù)以后，將進行荷電狀態(tài)（SOC）、電池健康狀態(tài)（SOH）和電池容量等的計算；為了對壽命方面進行保護，需要計算和統(tǒng)計電池的使用情況，往往需要將單次使用的能量、首次使用后總共使用能量和首次使用后的時間進行統(tǒng)計，以評估汽車電動行駛里程和電池壽命情況。
? 通信：在電池系統(tǒng)內(nèi)部交換數(shù)據(jù)并將核心數(shù)據(jù)傳輸至整車控制器。在電動汽車充電領(lǐng)域中，直流快速充電和車輛和電網(wǎng)電力交換（V2G）和車輛和住宅電力交換（V2H），在這些未來的擴展功能中，BMS的通信功能起到至關(guān)重要的功能。
? 電池安全保護：電池管理是實現(xiàn)功能安全的最重要的部件，其安全保護功能涵蓋故障診斷和處理兩方面內(nèi)容，包括電池過壓、欠壓、過流、低溫、高溫和短路。
? 電氣安全保護：一般需要完成高壓互鎖、絕緣檢測或者其他功能。

由于電池管理系統(tǒng)是整個電池系統(tǒng)的核心管理單元，因此這里的變化也最多一些。有機會，將會單獨介紹和敘述。

電氣系統(tǒng)一般包括總線連接和配電系統(tǒng)兩部分。電池模塊之間，是通過總線的方式來連接的，一般還會在之間加入一個維修的開關(guān)來確保在維護過程中的安全。配電部分，一般由預(yù)充電阻、熔絲、正極主繼電器、負極主繼電器、預(yù)充繼電器、慢充電繼電器和快充繼電器等部件所組成，如圖5所示。

圖5 簡易的電池系統(tǒng)概覽

電池系統(tǒng)安全測試

4）熱系統(tǒng)設(shè)計
如上所述，由于電池需要在一定的溫度范圍內(nèi)工作，而汽車的工作溫度范圍則完全取決于使用環(huán)境，所以在考慮電池系統(tǒng)的環(huán)境使用條件的之后，往往需要一套相對復(fù)雜的散熱（加熱）系統(tǒng)來保證其全天候工作。從設(shè)計上考慮，冷卻系統(tǒng)分為單體和電池組兩個層次：
1. 單體級別：考慮的問題是將單體的熱量散步出去，是考慮將單體與冷卻系統(tǒng)進行有效連接。單體與冷卻系統(tǒng)中使用的接口材料，需要從電氣絕緣和熱傳導(dǎo)效率兩個方面去考慮。
2. 電池組：從系統(tǒng)層面，液冷和風(fēng)冷是兩個整體性的考慮，需要從系統(tǒng)空間需求、散熱效率和成本等多個方面去綜合考慮。

在熱系統(tǒng)設(shè)計的角度，日系廠商偏向于風(fēng)冷，歐美企業(yè)偏向于液冷。這方面的細節(jié)，也是可以單獨拿出來討論的。

5）安全設(shè)計
電池系統(tǒng)的安全設(shè)計，主要分為考慮與整車集成這塊的碰撞考慮還有本身系統(tǒng)的安全評估，測試項目較多，如表3所示。

表3 電池系統(tǒng)安全測試

汽車企業(yè)、車型以及電池廠商對比

以上的內(nèi)容，大致給了電池系統(tǒng)一個全貌。電池系統(tǒng)是目前新能源汽車的核心關(guān)卡，韓國和日本的零部件企業(yè)占得先機，如下表4所示。另外一個有趣的現(xiàn)象是，由于這個部件較為昂貴，又是核心的一個子系統(tǒng)單元，汽車廠商與電池供應(yīng)商之間，也存在一個博弈過程。如上所述，愿意投入的汽車廠商，是采購電池單體，然后進行子系統(tǒng)設(shè)計，甚至完成電池單體成組的一系列工作。不愿意投入的企業(yè)，直接花錢買個解決方案往車上安裝即可。

表4 汽車企業(yè)、車型以及電池廠商對應(yīng)表

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參考文獻????
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