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)，以及當前車廠和電池廠的關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，從電網得來的能量，如圖1所示，在電池的不同的狀態(tài)，相應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)的選擇和設計，很大一部分的參數來自于設計什么樣的車型，不同的車型的規(guī)范，將直接決定電池系統(tǒng)和電驅動系統(tǒng)的參數，如下圖2所示，根據所需要開發(fā)的新能源車的具體參數，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)的基本構成，粗略的來說是從電池單體開始，構建電池模組，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。而離子電池內的化學體系，其參數差異也很大。
? 密度：對電池來說，兩個比較重要的參數是能量密度（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。 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系。電池老化以后，直接導致容量下降、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
電池組的結構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 電池組拓撲結構

所以構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的基本模塊結構
?? 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量不太可靠，導致連接阻抗過高發(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：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）的物理參數采集，這些數據作為對電池系統(tǒng)狀態(tài)判斷的基礎。
? 參數計算：測得物理參數以后，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)內部交換數據并將核心數據傳輸至整車控制器。在電動汽車充電領域中，直流快速充電和車輛和電網電力交換（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來確保在維護過程中的安全。配電部分，一般由預充電阻、熔絲、正極主繼電器、負極主繼電器、預充繼電器、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)設計
如上所述，由于電池需要在一定的溫度范圍內工作，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雜的散熱（加熱）系統(tǒng)來保證其全天候工作。從設計上考慮，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效率兩個方面去考慮。
2. 電池組：從系統(tǒng)層面，液冷和風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)設計的角度，日系廠商偏向于風冷，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）安全設計
電池系統(tǒng)的安全設計，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表

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參考文獻????
1. Battery Requirements for Plug-In Hybrid Electric Vehicles? Analysis and Rationale Ahmad Pesaran
2. Energy Storage Systems for Electric Vehicles Battery types, System sizing, Design of battery systems Benedikt Lunz, Dirk Uwe Sauer
3. Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance Daniel H. Doughty, Ph.D. Battery Safety Consulting
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