动力电池系统设计讲解

深入浅出史上最易懂的动力电池系统

设计讲解 2

[摘要]动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提，同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。

动力电池系统指用来给电动汽车的驱动提供能量的一种能量储存装置，由一个或多个电池包以及电池管理（控制）系统组成。动力电池系统设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提，同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。

比如整车厂会针对要设计的整车，在考虑安全设计、线束连接线设计、接插件设计等相关要求后，形成一个有限的动力电池系统空间大小。然后在有限的空间约束下，进行电池模组、电池管理系统、热管理系统、高压系统等布置，保证电池单体及模块均匀散热，保证电池的一致性，提高电池系统的寿命与安全。设计时要考虑到的一些整体和通用性原则包括安全性好、高比能量、高比功率、温度适应性强、使用寿命长、安装维护性强、综合成本低等。

一种典型的动力电池系统

由于不同种类电动汽车的结构和工作模式的不同，导致对动力电池的性能要求也不一样。纯电动汽车行驶完全依赖于动力电池系统的能量，电池系统容量越大，可以续航里程越长，但所需电池系统的体积和重量也越大。虽然混合动力汽车对动力电池系统的容量要求比纯电动汽车要低，但要能够在某些时候提供较大的瞬时功率。而串联式和并联式混合动力汽车对电池系统的要求又有所区别。

因此动力电池系统的设计流程一般如下：（1）先确定整车的设计要求；（2）然后确定车辆的功率及能量要求（3）选择所能匹配合适的电芯（4）确定电池模块的组合结构形式（5）确定电池管理系统设计及热管理系统设计要求（6）仿真模拟及具体试验验证。

动力电池系统作为电动汽车的重要组成部分，下文主要按其的具体结构及功能来谈谈设计要求。分为电池模组、电池管理系统、热管理系统、电气及机械系统这四个主要部分。

1.电池模组的结构及设计

动力电池模组是指动力电池单体经由串并联方式组合并加保护线路板及外壳后，能够直接提供电能的组合体，是组成动力电池系统的次级结构之一。动力电池单体即电芯，按正极材料来分，主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。在查阅资料统计得到的不同材料电芯基本性质如下表所示。

按电芯的结构形状来分，主要分为圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种，各自的优缺点也十分明显。在一定程度上，电芯的性能决定了电池模组的性能进而影响整个动力电池系统的性能。因此在进行动力电池系统设计，一定要根据整车的设计要求去选择电芯的材料及形状。

电池结构圆柱结构方形结构软包结构

优点工艺成熟度高、生产效率高、过程控制严格，成品率及电芯

一致性高。壳体结构成熟，工

艺制造成本低。对电芯的保护作用要高，可以

通过减少单体电池的厚度保证

内部热量的快速传导，电芯的

安全性能有较大的改善。

外部结构对电芯的影响小，电

芯性能能优良；封装采用的材

质质量要小，电池的能量密度

最高。

缺点集流体上电流密度分布不均

匀，造成内部各部分反应程度

不一致；电芯内部产生的热量壳体在电芯总重中所占的比重

较大，导致单体电池的能量密

度较低，内部结构复杂，自动

大容量电池密封工艺难度增

加、可靠性相对较差；所采用

的铝塑复合封装膜机械强度

很难得到快速释放，累积会造成电池的安全隐患。化工艺成熟度相对较低。低，铝塑复合膜的寿命制约了

电池的使用寿命。

那么首先要通过电动汽车的动力需求以及各种高电压机器配件等所需的消

耗电力、时间以及使用温度来确定电池系统的容量。然后在进行电池模块设计时要考虑到动力电池的特性。因为动力电池在不同温度下输出/输入会发生变化。容量、输出性能会随使用时间逐渐退化。电池的性能与选择一旦出现设计错误，将不能满足低温时的加速性能和爬坡性能，并且当电池老化时还会给系统性能造成影响。电池模组由多个动力电芯串并联组合而成，包括单体电芯、固定框架、电连接装置，还有温度传感器、电压检测线路等。

动力电池系统的结构设计流程（电芯→模块→系统)

在结合整车设计要求的前提下对电池模组进行设计时，电池模组设计需要考虑以下几个方面：

·电池成组的固定连接方式要根据动力电池系统设计的整体要求对选定好

的电芯结构形状进行。

·电池模块的装配要求松紧度适中，各结构部件具有足够的强度，防止因电池内外部力的作用而发生变形或破坏。

·电芯及电池模块要有专门的固定装置，结构紧凑且要根据电池箱体的散热情况设置通风散热通道。

·电池单体之间的导电连接距离尽量短，连接可靠，最好是柔性连接，各导电连接部位的导电能力要满足用电设备的最大过流能力。

·充分考虑电池串并联高压连接之间的绝缘保护问题，例如绝缘间隙和爬电距离等。

方形电芯和圆柱电芯的电池模组

2.电池管理系统的设计

电池管理系统（BMS），即Battery Management System，通过检测电池组中各单体电池的状态来确定整个电池系统的状态，并根据它们的状态对动力电池系统进行对应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。电池管理系统的基本功能可以分为检测、管理、保护这三大块。具体来看，包括数据采集、状态监测、均衡控制、热管理、安全保护、信息管理等功能。

电池管理系统

电池管理系统在硬件上可以分为主课模块和从控模块两大块。主要由数据采集单元（采集模块）、中央处理单元（主控模块）、显示单元、均衡单元检测模块（电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测）、控制部件（熔断装置、继电器）等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成，数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。

在动力电池管理系统中的软件设计功能一般包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC 估算、CAN 通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。整体的设计指标包括最高可测量总电压、最大可测量电流、SOC估算误差、单体电压测量精度、电流测量精度、温度测量精度、工作温度范围、CAN通讯、故障诊断、故障记忆功能、在线监测与调试功能等。