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电池系统的选择和设计
如前文所介绍的情况，各家车厂面临油耗和排放的挑战，不断推出新能源汽车的情况，电池系统成了当前汽车电子电气系统中，一个最为昂贵也最为受人重视的子系统。本文将从电池系统的需求、车用电池的状态，以及当前车厂和电池厂的关系角度来介绍电池系统。
电池系统是在混合动力、插入式混合动力和纯电动汽车中用来存储电能，并提供给电驱动系统的需要的能量。电池中的电能，其来源主要有三种，电池处在较低的荷电状态（SOC）时，车辆利用发动机带动高压发电机给电池供电；刹车的时候，能量回收的时候的电能以及充电模式下，从电网得来的能量，如图1所示，在电池的不同的状态，相应的车辆也处在不同的工作模式下。
图1 电池状态 vs 车辆模式
电池系统的选择和设计，很大一部分的参数来自于设计什么样的车型，不同的车型的规范，将直接决定电池系统和电驱动系统的参数，如下图2所示，根据所需要开发的新能源车的具体参数，其电池系统的基本规范也可以确定下来。而电池系统的基本构成，粗略的来说是从电池单体开始，构建电池模组，配置合适电子和电气系统，在电池包层面进行布置和安全分析。
图2 车型规范对电池系统规范的转化
电池单体的选择
1）电池单体的选择
从基本来看，电池单体选择是考虑电池容量、化学体系和单体形状。
• 单体类型：可选的有铅酸、镍镉(NiCd)、镍氢（NiMH）、高温电池（NaS和NaNiCl2）、液流电池和锂离子电池，从综合来看，目前只能依靠锂离子电池来作为储能单元。而离子电池内的化学体系，其参数差异也很大。
• 密度：对电池来说，两个比较重要的参数是能量密度（决定存储电能）和功率密度（决定放电能力），这两者往往不可兼得。值得注意的是，从电极材料理论密度到单体密度再到电池包密度，由于其他不储能的部分，这两个参数往往递减迅速。
• 寿命：可分为循环寿命和使用寿命两个参数。 循环寿命取决于充放电深度、电压、 温度和电流（负荷）；使用寿命包括不使用的时间，与温度和电压有较大的关系。电池老化以后，直接导致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
• 热特性：主要包括低温特性和高温特性。低温的时候，放电的能力对寒冷地区启动有直接的影响；当电池的工作温度增加，会大大影响其寿命。热特性基于形状。圆柱、软包和方形的影响较大，后面会有分析。
• 安全：不同材料对电池单体的安全性差异明显，一般会对电池安全性进行评估。
• 成本：单体的成本与极片材料有一定的关联，电池单体成本因为要符合较高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。
表1 主要锂离子电池特性
单体形状相对简单些，如下表2所示，目前整车企业在努力推动电池单体的尺寸规格的统一，长期来看电池单体成为通用件的可能性很大。
不同电池形状优缺点
表2 不同电池形状优缺点
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圆柱电池 |
软包电池 |
方形电池 |
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示意图 |
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优点 |
广泛于消费领域和第一代混合动力汽车中 |
功率 /能量密度高 |
坚固 |
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缺点 |
外壳贵 |
脆弱 |
电池内压 |
2）单体成组
电池组的结构拓扑是首先需要解决的问题，这是由于单个电池的容量往往存在限制，想要做到100Ah以上 ，往往对电池单体的要求较高；而系统总的电压由于安全考虑以及与其他系统匹配，是被限制在750V以下的。
图3 电池组拓扑结构
所以构成电池组的拓扑可分为：
1. 先并后串：由于电池单体的初期差异性小，所以通过匹配容量、内阻和自放电后，将电池并联后串联是种比较理想的办法。走的更远的是很多个小单体，通过熔丝连接成模组后进行串联，如Tesla的电池系统。
2. 先串后并：将电池单体进行串联连接以后，在系统上将多个电池模组进行并联使用。这种方法适用于较大容量需求的情况下，比如电动大巴等较大容量的电池系统。由于电池组内单体差异累积，使得电池组的电压差异较大，并联连接需要更多的考虑。 并联连接的硬连接方式，通常是共享DC/DC转换器，对电流分配无控制（重新连接困然，有可能断开一个电池包），必须使用同一种电池；独立电池组整合，可使用独立转换器，能进行控制电流分配（有可能断开一个电池包、重新连接容易），可使用不同电池 。
3. 混联：将电池并联之后串联，再通过并联或者串联的方式进行连接。比如LEAF的2P2S的基本模块结构
将电池连接在一起，可以承受总线电流，这又是一项考虑；目前可选的有两种连接类型：
1） 螺丝连接：主要应用在圆柱和方形电池中，较为著名的改装Prius的自然，也是源于螺纹连接质量不太可靠，导致连接阻抗过高发热所致，车用不可取。
2） 焊接连接：可用在所有类型的使用上，由于直接将电池单体的导体焊接直连，其连接是稳定的，由于可能存在不同金属焊接，目前成本较高。
3）电池管理系统和电气系统设计
图4 一个典型的电池系统
电池管理系统的功能
电池管理系统一般有以下的功能，主要通过电池管理模块和电池检测子模块实现。
• 监测电池参数：对单体电池（电压、温度）和电池系统（电压、电流、温度、绝缘电阻）的物理参数采集，这些数据作为对电池系统状态判断的基础。
• 参数计算：测得物理参数以后，将进行荷电状态（SOC）、电池健康状态（SOH）和电池容量等的计算；为了对寿命方面进行保护，需要计算和统计电池的使用情况，往往需要将单次使用的能量、首次使用后总共使用能量和首次使用后的时间进行统计，以评估汽车电动行驶里程和电池寿命情况。
• 通信：在电池系统内部交换数据并将核心数据传输至整车控制器。在电动汽车充电领域中，直流快速充电和车辆和电网电力交换（V2G）和车辆和住宅电力交换（V2H），在这些未来的扩展功能中，BMS的通信功能起到至关重要的功能。
• 电池安全保护：电池管理是实现功能安全的最重要的部件，其安全保护功能涵盖故障诊断和处理两方面内容，包括电池过压、欠压、过流、低温、高温和短路。
• 电气安全保护：一般需要完成高压互锁、绝缘检测或者其他功能。
由于电池管理系统是整个电池系统的核心管理单元，因此这里的变化也最多一些。有机会，将会单独介绍和叙述。
电气系统一般包括总线连接和配电系统两部分。电池模块之间，是通过总线的方式来连接的，一般还会在之间加入一个维修的开关来确保在维护过程中的安全。配电部分，一般由预充电阻、熔丝、正极主继电器、负极主继电器、预充继电器、慢充电继电器和快充继电器等部件所组成，如图5所示。
图5 简易的电池系统概览
电池系统安全测试
4）热系统设计
如上所述，由于电池需要在一定的温度范围内工作，而汽车的工作温度范围则完全取决于使用环境，所以在考虑电池系统的环境使用条件的之后，往往需要一套相对复杂的散热（加热）系统来保证其全天候工作。从设计上考虑，冷却系统分为单体和电池组两个层次：
1. 单体级别：考虑的问题是将单体的热量散步出去，是考虑将单体与冷却系统进行有效连接。单体与冷却系统中使用的接口材料，需要从电气绝缘和热传导效率两个方面去考虑。
2. 电池组：从系统层面，液冷和风冷是两个整体性的考虑，需要从系统空间需求、散热效率和成本等多个方面去综合考虑。
在热系统设计的角度，日系厂商偏向于风冷，欧美企业偏向于液冷。这方面的细节，也是可以单独拿出来讨论的。
5）安全设计
电池系统的安全设计，主要分为考虑与整车集成这块的碰撞考虑还有本身系统的安全评估，测试项目较多，如表3所示。
表3 电池系统安全测试
|
NO |
分 类 |
测试 项 |
可参考标 准 |
|
|
1 |
滥用测 试 |
Overcharge |
过充保 护 |
SAE J2464 |
|
2 |
External Short Circuit |
短路保 护 |
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3 |
Over discharge |
过放保 护 |
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4 |
High Rate Discharge w/o Thermal Management |
快速放 电 |
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5 |
Immersion |
浸水测 试 |
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6 |
Open Flame Test |
外部火焰测 试 |
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7 |
Nail Penetration |
针刺测 试 |
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8 |
环境测 试 |
Humidity Exposure(Dewing) |
湿热循 环 |
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9 |
Thermal Cycling Test |
冷热冲 击 |
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10 |
High Temperature Stability |
高温稳定 性 |
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11 |
机械测 试 |
Vibration |
振动测 试 |
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|
12 |
Shock |
机械冲 击 |
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|
13 |
Drop |
跌落测 试 |
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14 |
Crush |
挤压测 试 |
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15 |
Crash |
碰撞测 试 |
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|
16 |
Roll over |
翻车测 试 |
||
汽车企业、车型以及电池厂商对比
以上的内容，大致给了电池系统一个全貌。电池系统是目前新能源汽车的核心关卡，韩国和日本的零部件企业占得先机，如下表4所示。另外一个有趣的现象是，由于这个部件较为昂贵，又是核心的一个子系统单元，汽车厂商与电池供应商之间，也存在一个博弈过程。如上所述，愿意投入的汽车厂商，是采购电池单体，然后进行子系统设计，甚至完成电池单体成组的一系列工作。不愿意投入的企业，直接花钱买个解决方案往车上安装即可。
表4 汽车企业、车型以及电池厂商对应表
|
汽车企 业 |
类 型 |
车 型 |
电池供应 商 |
|
本田 |
HEV |
Honda Accord Hybrid 2014 ，Honda Civic Hybrid 2013 ，Honda CR-Z Hybrid 2014 ，Acura ILX 2014 |
Blue Energy |
|
HEV |
Honda Insight Hybrid 2014 |
Sanyo |
|
|
PHEV |
Honda Accord Plug-In 2014 |
Blue Energy |
|
|
BEV |
Honda Fit-EV 2013 |
Toshiba |
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|
大众 |
HEV |
Audi Q5 Hybrid 2014 ，Porsche Cayenne S Hybrid 2013 ，Volkswagen Jetta Hybrid ，Volkswagen Touareg Hybrid |
Sanyo |
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PHEV |
Porsche Panamera S E-Hybrid 2014 |
||
|
BEV |
Volkswagen e-Golf 2014 |
||
|
宝马 |
HEV |
BMW ActiveHybrid 3 2014 ，BMW ActiveHybrid 5 2014 ，BMW ActiveHybrid 7 2014 |
A123 |
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PHEV |
BMW i8 2014 |
Samsung SDI |
|
|
BEV |
BMW i3 2014 ， |
||
|
通用 |
HEV |
Buick LaCrosse eAssist 2014 ，Buick Regal eAssist 2014 ，Chevrolet Impala ECO 2014 |
Hitachi |
|
PHEV |
Cadillac ELR 2014 ，Chevrolet Volt 2014 |
LG Chem |
|
|
BEV |
Chevrolet Spark EV 2014 |
A123 |
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|
福特 |
HEV |
Ford C-Max Hybrid 2014 1.4 Li-ion ，Ford Fusion Hybrid 2014 1.4 Li-ion Panasonic， Lincoln MKZ Hybrid 2014 |
Panasonic |
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PHEV |
Ford C-Max Energi 2014 |
Panasonic |
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|
BEV |
Ford Focus Electric 2013 23 Li-ion |
LG Chem |
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|
现代 |
HEV |
Kia Optima 2013 |
LG Chem |
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BEV |
Kia Soul EV 2015 |
SK Innovation |
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日产 |
HEV |
Nissan Pathfinder Hybrid 2014 |
Hitachi |
|
|
HEV |
Infiniti M Hybrid 2014 |
AESC |
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|
BEV |
Nissan Leaf 2013 |
AESC |
|
HEV |
Lexus CT 200h 2014 ，Lexus ES 300h 2014 ，Lexus GS 450h 2014，Lexus LS 600h L 2014， Lexus RX 450h 2014 |
Primearth |
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PHEV |
Toyota Prius Plug-In 2013 |
Panasonic |
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BEV |
Toyota RAV 4 EV 2013 |
Tesla/Panasonic |
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戴姆勒 |
HEV |
Mercedes-Benz E400 Hybrid 2014 |
Johnson Controls |
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BEV |
Mercedes-Benz B-Class EV 2014 |
Tesla/Panasonic |
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|
BEV |
Smart For Two Electric Drive 2013 |
Deutsche ACCUmotive |
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|
菲亚特 |
BEV |
Fiat 500e 2014 |
Bosch/Samsung |
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BEV |
Tesla Model S 2013 |
Panasonic |
|
|
三菱 |
BEV |
Mitsubishi iMiEV 2014 |
Toshiba, Lithium Energy Japan |
|
PHEV |
Mitsubishi Outlander 2015 12 Li-ion |
Lithium Energy Japan |
参考文献
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
4. 2013 Vehicle Technologies Market Report Oak Ridge National Laboratory
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