關(guān)鍵詞：組成 要求 效率

 

1.汽車(chē)動(dòng)力電池包的組成

 

在純電動(dòng)汽車(chē)中，動(dòng)力電池包作為汽車(chē)唯一的動(dòng)力來(lái)源，動(dòng)力電池包電能的高低決定了電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。提高動(dòng)力電池包電能的方法有兩種：采用高容量的電芯，使用更多的電芯。一般電芯容量越高，成本也越高。因此優(yōu)化動(dòng)力電池包的結構，盡量使用更多的電芯成為動(dòng)力電池設計過(guò)程需要考慮的重要因素。

 

 

1）動(dòng)力電池模組

 

動(dòng)力電池模組是動(dòng)力電池包的“心臟”，負責儲存和釋放能量，為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力。動(dòng)力電池模組可以理解為動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合成的多個(gè)PACK， PACK是單個(gè)組件，是包裝、封裝、裝配的意思，其工序分為加工、組裝、包裝三大部分。

 

動(dòng)力電池模組通過(guò)結構設計，再加上動(dòng)力電池管理系統和熱管理系統就可組成一個(gè)較完整的動(dòng)力電池包。動(dòng)力電池包通過(guò)工藝、結構固定在設計位置，協(xié)同發(fā)揮電能充放存儲的功能�？梢哉f(shuō)模組的基本作用就是連接、固定和安全防護。

 

動(dòng)力電池單體即電芯按正極材料來(lái)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。動(dòng)力電池模組的結構必須對電芯起到支撐、固定和保護作用，可以概括成3個(gè)大項：機械強度，電性能，熱性能和故障處理能力。

 

動(dòng)力電池模組按電芯的結構形狀可分為：圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，其各自的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了動(dòng)力電池模組的性能進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力電池包的性能。因此在進(jìn)行動(dòng)力電池包設計時(shí)一定要根據整車(chē)的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。

 

動(dòng)力電池模組是否能夠完好固定電芯位置，并保護其不發(fā)生有損性能的形變，如何滿(mǎn)足載流性能要求，如何滿(mǎn)足對電芯溫度的控制，遇到嚴重異常時(shí)能否斷電，能否避免熱失控的傳播等，都將是評判動(dòng)力電池模組優(yōu)劣的標準。

 

2）結構系統

 

結構系統主要由動(dòng)力電池PACK上蓋、托盤(pán)、各種金屬支架、端板和螺栓組成，可以看作是動(dòng)力電池PACK的“骨骼”，起到支撐、抗機械沖擊、機械振動(dòng)和環(huán)境保護（防水防塵）作用。動(dòng)力電池包裝載在汽車(chē)上，首先得考慮和滿(mǎn)足機械方面的特征，產(chǎn)品需要具有足夠的強度和剛度，在振動(dòng)、沖擊等機械載荷下不發(fā)生形變和功能異常，在碰撞、擠壓、翻滾、跌落等事故狀態(tài)下有足夠的安全防護。

 

3）電氣系統

 

電氣系統主要由高壓跨接片或高壓線(xiàn)束、低壓線(xiàn)束和繼電器組成，高壓線(xiàn)束可以看作是動(dòng)力電池PACK的“大動(dòng)脈血管”，將動(dòng)力電池包心臟的動(dòng)力不斷輸送到各個(gè)需要的部件中，低壓線(xiàn)束則可以看作動(dòng)力電池PACK的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )”，實(shí)時(shí)傳輸檢測信號和控制信號。

 

4）熱管理系統

 

熱管理系統相當于是給動(dòng)力電池PACK裝了“空調”，因為動(dòng)力電池充放電的過(guò)程實(shí)際上就是化學(xué)反應的過(guò)程，化學(xué)反應會(huì )釋放大量的熱量，需要將熱量帶走，讓動(dòng)力電池處于一個(gè)合理的工作溫度范圍內，以提高動(dòng)力電池的壽命和可靠性。熱管理系統主要有4類(lèi)：風(fēng)冷、水冷、液冷、相變材料。以水冷系統為例，熱管理系統主要由冷卻板，冷卻水管、隔熱墊和導熱墊組成。

 

因為動(dòng)力電池的內阻及電氣連接部件阻抗的存在，在充放電條件下，動(dòng)力電池包內部會(huì )發(fā)熱，電流越大，發(fā)熱量越大，如果不能及時(shí)把內部熱量散出去，輕則影響動(dòng)力電池壽命，導致使用壽命快速衰減，重則引起熱失控，帶來(lái)安全問(wèn)題。動(dòng)力電池包產(chǎn)品的熱管理系統是非常復雜的，要解決加熱、散熱、保溫、熱均衡等幾方面問(wèn)題。

 

首先是針對外部環(huán)境的熱管理要求，在北半球的高緯度地區，冬季的室外溫度會(huì )達到-30℃，甚至更低，而在低緯度地區，夏季的地面溫度可以達到50℃以上，電動(dòng)汽車(chē)必須面對嚴寒和酷暑這兩個(gè)極端的使用環(huán)境溫度要求。

 

目前的動(dòng)力電池技術(shù)，還無(wú)法應對這種挑戰，為延長(cháng)動(dòng)力電池的使用壽命，也不能讓動(dòng)力電池工作在如此寬廣的環(huán)境溫度下，所以必須在設計動(dòng)力電池包時(shí)，為動(dòng)力電池裝配“空調”系統，夏季能夠降溫，冬季能夠加熱，從而解決大范圍變化的環(huán)境溫度所帶來(lái)的挑戰。

 

5）動(dòng)力電池管理系統

 

電動(dòng)汽車(chē)依靠電能驅動(dòng)車(chē)輛行駛，瞬時(shí)功率可能高達幾百千瓦，電壓范圍從幾十伏特到幾百伏特，電流也可以達到正負幾百安培，大電流的充電和放電，以及高電壓的輸出，意味著(zhù)動(dòng)力電池包有很高的電氣載荷要求。

 

 

此外，整個(gè)動(dòng)力電池包由非常多動(dòng)力電池單體構成，為了有效地管理這些動(dòng)力電池，控制動(dòng)力電池包的充放電，以及響應整車(chē)層面的功能需求，動(dòng)力電池包還有一套非常復雜的動(dòng)力電池管理系統(BMS)，由傳感器、執行器、控制器(電控單元)等組件構成，采集系統的電壓、電流、溫度等數據，進(jìn)行復雜的計算，與整車(chē)其他部件進(jìn)行通信，完成特定的功能，實(shí)施判定系統的運行邊界，控制系統的異常狀態(tài)等。

 

動(dòng)力電池管理系統可以看作是動(dòng)力電池的“大腦”，主要由單體監控單元和動(dòng)力電池管理單元組成。首先單體監控單元負責測量動(dòng)力電池的電壓、電流和溫度等參數，同時(shí)還有均衡等功能。當單體監控單元測量到這些數據后，將數據通過(guò)前面講到的動(dòng)力電池“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )”傳送給動(dòng)力電池管理單元。

 

其次動(dòng)力電池管理單元負責評估單體監控單元傳送的數據，如果數據異常，則對動(dòng)力電池進(jìn)行保護，發(fā)出降低電流的要求，或者切斷充放電通路，避免動(dòng)力電池超出許可的使用條件，同時(shí)還對動(dòng)力電池的電量、溫度進(jìn)行管理。根據先前設計的控制策略，判斷需要警示的參數和狀態(tài)，并且將警示發(fā)給整車(chē)控制器，最終傳達給駕駛人員。

 

動(dòng)力電池管理系統在硬件上可以分為主控模塊和從控模塊，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、主控板等組成，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(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現相互間的信息通訊。

 

在動(dòng)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。整體的設計指標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(xiàn)監測與調試功能等。

 

電池管理系統通過(guò)通訊接口與整車(chē)控制器、電機控制器、能量管理系統、車(chē)載顯示系統等進(jìn)行通訊，整個(gè)工作過(guò)程大致為：首先利用數據采集模塊采取動(dòng)力電池的電流、電壓和溫度等數據→然后采集到的數據發(fā)送給主控模塊→主控模塊對數據進(jìn)行分析和處理后，發(fā)出對應的程序控制和變更指令→最后對應的模塊做出處理措施，對動(dòng)力電池包或動(dòng)力電池進(jìn)行調控，同時(shí)將實(shí)時(shí)數據發(fā)送到顯示單元模塊。

 

2.動(dòng)力電池成組技術(shù)

 

深化動(dòng)力電池模組的系統化、集成化設計，提升現有成組生產(chǎn)工藝，進(jìn)而提高成組動(dòng)力電池的安全可靠性，動(dòng)力電池成組技術(shù)要求如下。

 

1）高能量密度

 

提高動(dòng)力電池包能量密度，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)行駛里程。提高動(dòng)力電池包能量密度的方法有，一是提高成組效率，二是采用更高能量密度的電芯。目前，方形電芯將主推能量密度230～240Wh/kg的產(chǎn)品，軟包主推240～260Wh/kg產(chǎn)品，18650電芯將推出3.2～3.4Ah的產(chǎn)品、21700電芯將推出4.8～5.0Ah的產(chǎn)品。

 

 

目前，提高動(dòng)力電池包能量密度的方法不是太多，無(wú)外乎從提高單體能量密度和模組優(yōu)化以及殼體的輕量化這幾個(gè)方面著(zhù)手�？傊�，在動(dòng)力電池包帶電量一定的情況下，盡量提高其成組效率。

 

2）輕量化設計

 

相對于新能源汽車(chē)的其他部件而言，動(dòng)力電池包殼體對防撞、防水、防火、防塵等方面的要求尤為嚴苛。除保障、容納動(dòng)力電池包外，動(dòng)力電池殼體還要有效隔絕操作人員、乘客與動(dòng)力電池的接觸，所以，動(dòng)力電池箱體防護等級較高。因此，動(dòng)力電池殼體的輕量化有一定的難度，既要保障動(dòng)力電池和乘客的安全，也要切實(shí)做到輕量化。

 

當前，通過(guò)動(dòng)力電池包的輕量化來(lái)大幅度提升能量密度已經(jīng)成為行業(yè)內的主流方向，但在輕量化的設計過(guò)程中，一定要注意嚴格把控動(dòng)力電池包的性能變化。輕量化設計的最主要目的是追求續航里程，減少或減掉所有多余負擔，并要與降低成本相結合。輕量化的道路很多，比如提高電芯能量密度；在細節設計中，確保強度的情況下追求結構件的輕�。ū热邕x更薄的材質(zhì)，在板材上挖更大的孔）；用鋁材替換鈑金件，使用密度更低的新材料打造殼體等。

 

如果將動(dòng)力電池鈑金殼體換為全鋁殼體，重量可減輕30％左右。此外碳纖維材料也被視為比較有潛力的殼體材料。碳纖維材料密度小、重量輕，抗拉強度在3400MPa以上，且耐腐蝕、耐高溫，在吸收沖擊力上也有很大的優(yōu)勢，是實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包輕量化的上佳材料。然而，由于存在技術(shù)難度等原因，碳纖維動(dòng)力電池箱價(jià)格高于普通材料，普及尚需時(shí)日。隨著(zhù)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟，以及新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，碳纖維動(dòng)力電池箱需求量也會(huì )進(jìn)一步加大。

 

3）結構設計

 

在不同的動(dòng)力電池包設計需求里，其體積能量密度、質(zhì)量比能量密度以及體積功率密度等都會(huì )與動(dòng)力電池包中單體動(dòng)力電池之間連接結構與工藝相關(guān)。動(dòng)力電池模組由多個(gè)單體電芯串并聯(lián)組裝而成，單體電芯之間連接要緊固、連接片與動(dòng)力電池單體極柱的接觸電阻小、抗振動(dòng)、牢靠程度高。無(wú)論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機械鎖緊，都必須保證成組后的動(dòng)力電池包在電動(dòng)車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中的可靠性和耐久度。動(dòng)力電池模組能承受電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中的碰撞、振動(dòng)而不會(huì )導致動(dòng)力電池發(fā)生位移或變形。

 

對結構設計的要求有：

 

※結構可靠：抗震動(dòng)抗疲勞。

 

※工藝可控：無(wú)過(guò)焊、虛焊，確保電芯100%無(wú)損傷。

 

※成本低廉：PACK產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化成本低，包括生產(chǎn)設備、生產(chǎn)損耗。

 

※易分拆：動(dòng)力電池包易于維護、維修，低成本，電芯可梯次利用性好。

 

※做到必要的熱傳遞隔離，避免熱失控過(guò)快蔓延，也可以把這一步放到pack設計再考慮。

 

提升空間利用率也是優(yōu)化模組的一個(gè)重要途徑，可以通過(guò)改進(jìn)模組和熱管理系統設計，縮小電芯間距，從而提升動(dòng)力電池箱體內空間的利用率。還有一種解決方案，即使用新材料。比如，動(dòng)力電池包內的匯流排（并聯(lián)電路中的總線(xiàn)，一般用銅板做成）由銅替換成鋁，模組固定件由鈑金材料替換為高強鋼和鋁，這樣也能減輕動(dòng)力電池重量。

 

4）安全設計

 

動(dòng)力電池包安全防護的根本原則是：阻止電能和化學(xué)能在系統正常運行狀態(tài)和某些非正常狀態(tài)下(法律法規、標準所規定的情況，以及典型的失效情況)以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來(lái)的危害。安全的防護設計是一個(gè)系統工程，切勿從局部入手，僅根據某些典型的失效案例，采取有限的應對措施，或者僅根據國外和國內標準的要求，簡(jiǎn)單通過(guò)相關(guān)的測試和認證。

 

動(dòng)力電池包的安全設計可以分為：

 

※良好的設計，確保不要發(fā)生事故。要求合理布局，良好的冷卻系統，可靠的結構設計。

 

※在事故發(fā)生前提前預警，給人以反映時(shí)間。需要傳感器更加廣泛的分布到每一個(gè)可能的故障點(diǎn)，全面檢測電壓和溫度，最好監測每一個(gè)電芯的內阻。

 

※已發(fā)生故障，阻止事故過(guò)快蔓延，可以通過(guò)電芯和動(dòng)力電池模組設置熔斷器，動(dòng)力電池模組之間設置防火墻，設計強度冗余應對災害發(fā)生后可能的結構坍塌。這都是高性能動(dòng)力電池模組方向，保證在遇到極端情況（如撞擊、漏液、高溫、短路等）下動(dòng)力電池包不會(huì )發(fā)生危害人身安全的事故。

 

5）熱管理設計

 

動(dòng)力電池模組應能適應不同氣候下的正常運行，如在高溫時(shí)開(kāi)啟制冷系統降低動(dòng)力電池包溫度，低溫時(shí)開(kāi)啟加熱系統保證動(dòng)力電池包的正常充放電。軟包電芯的物理結構決定了其不易爆炸，一般只有外殼能承受的壓力足夠高，才有可能炸，而軟包電芯內部壓力一大，便會(huì )從鋁塑膜邊緣開(kāi)始泄壓、漏液。同時(shí)軟包電芯也是幾種電芯結構中，散熱最好的。

 

 

當前主流的冷卻方式，已經(jīng)轉變?yōu)橐豪湟约跋嘧儾牧侠鋮s。相變材料冷卻可以配合液冷一起使用，或者單獨在環(huán)境不太惡劣的條件下使用。另外還有一種當前國內仍然較多應用的工藝，灌膠。這里灌得是導熱系數遠大于空氣的導熱膠。由導熱膠將電芯散發(fā)的熱量傳遞到模組殼體上，再進(jìn)一步散發(fā)到環(huán)境中。這種方式，電芯再次單獨替換不太可能但也在一定程度上阻止了熱失控的傳播。

 

對于液冷，冷板與液冷水管正是液冷系統的組成部件。動(dòng)力電池模組由電芯層疊而成，而電芯間有間隔排布的冷板，其保證每個(gè)電芯都有一個(gè)大面接觸到冷板。在液冷技術(shù)應用中，必須考慮液冷板的固定，密封性，絕緣性等。

 

6）電氣設計

 

動(dòng)力電池模組的電氣設計包含低壓和高壓兩個(gè)部分：

 

1）低壓設計。在低壓設計時(shí)一般需要考慮以下幾個(gè)方面的功能：

 

①通過(guò)信號采集線(xiàn)束，將動(dòng)力電池電壓、溫度信息傳輸到動(dòng)力電池模組從控板或動(dòng)力電池模組控制器，動(dòng)力電池模組控制器設計有均衡功能（主動(dòng)均衡或者被動(dòng)均衡或者二者并存）。

 

②少量的繼電器通斷控制功能可以設計在從控板上，也可以設計在動(dòng)力電池模組控制器上。

 

③通過(guò)CAN通訊連接動(dòng)力電池模組控制器和主控板，將動(dòng)力電池模組信息傳遞出去。

 

2）高壓設計。高壓設計主要是電芯與電芯之間的串并聯(lián)，以及動(dòng)力電池模組之間的連接導電方式設計，一般模組之間只是考慮串聯(lián)方式。這些高壓連接需要達到兩個(gè)方面的要求：

 

①電芯之間的導電件和接觸電阻分布要均勻，否則單體電壓檢測將受到干擾。

 

②電阻要足夠小，避免電能在傳遞路徑上的浪費。

 

7）標準化設計

 

標準化是大工業(yè)以來(lái)的長(cháng)期追求，標準化是降低成本提高互換性的基石所在。具體到動(dòng)力電池模組，還多了一個(gè)梯次利用的目的。目前我國動(dòng)力電池單體還沒(méi)有標準化，模組標準化還有更遠的路要探索。

 

3.動(dòng)力電池成組效率比較

 

目前，行業(yè)內圓柱電芯的模組成組效率約為87％，系統成組效率約為65％。對于不規則的動(dòng)力電池箱體，圓柱動(dòng)力電池可充分利用空間，相對方形和軟包更有優(yōu)勢。通過(guò)減小電芯間距和模組輕量化，可使模組成組效率得到較大提高。

 

軟包電池

 

軟包電芯模組成組效率約為85％，系統成組效率約為60％。軟包電芯的單體能量密度比圓柱和方形有更高的提升空間，但對模組設計要求較高，安全性不易把控。

 

在成組效率方面，相較于軟包和圓柱動(dòng)力電池，方形動(dòng)力電池成組效率更高。方形電芯的模組成組效率約為89％，系統成組效率約為70％。方型電芯更適用于規則箱體，電芯體積變大有利于提高電芯能量密度，后續模組成組效率提升空間有限，有賴(lài)于單體電芯能量密度的提升。

 

如果按照目前的系統成組效率計算，要達到《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》提出的2020年新型鋰離子動(dòng)力電池包能量密度260Wh／kg的要求，那么，圓柱單體電芯就需要達到400Wh／kg，軟包單體電芯能量密度要達到433Wh／kg，方形單體電芯能量密度需要達到371Wh／kg。顯然，2020年單體電芯能量密度要達到這個(gè)水平有難度，那么進(jìn)一步提高動(dòng)力電池的成組效率就變得十分必要和緊迫。

 

模組優(yōu)化設計可以從多個(gè)方面著(zhù)手，對于圓柱來(lái)說(shuō)，業(yè)內新研發(fā)了21700電芯，相較于18650，電芯直徑變大后，動(dòng)力電池支架板和集流片孔變大，相應重量減輕，動(dòng)力電池包中電芯數量減少，同時(shí)焊接配件的數量也相應減少。

 

在鋰動(dòng)力電池成組技術(shù)中，最重要的是電池管理系統，它是動(dòng)力電池包的“大腦”，它像“管家”一樣，包攬所有的工作，從監控每一級動(dòng)力電池物理變量，環(huán)境溫度，到系統級動(dòng)力電池包性能估計，在線(xiàn)診斷與預警，充、放電與預充控制，熱、冷管理等。大電流主動(dòng)均衡技術(shù)是電池管理系統中最核心的技術(shù)，它需要解決的是動(dòng)力電池包在使用過(guò)程中衰減的問(wèn)題，也就是要確保續航里程穩定及可預測的問(wèn)題。