新能源轿车的核心部件大分析：电池体系篇

如前文所介绍的状况，各家车厂面对油耗和排放的应战，不断推出新能源轿车的状况，电池体系成了当时轿车电子电气体系中，一个最为贵重也最为受人注重的子体系。本文将从电池体系的需求、车用电池的状况，以及当时车厂和电池厂的联系视点来介绍电池体系。

电池体系是在混合动力、刺进式混合动力和纯电动轿车中用来存储电能，并提供应电驱动体系的需求的能量。电池中的电能，其来历首要有三种，电池处在较低的荷电状况（SOC）时，车辆运用发动机带动高压发电机给电池供电；刹车的时分，能量收回的时分的电能以及充电形式下，从电网得来的能量，如图1所示，在电池的不同的状况，相应的车辆也处在不同的作业形式下。

图1 电池状况 vs 车辆形式

电池体系的挑选和规划，很大一部分的参数来自于规划什么样的车型，不同的车型的规范，将直接决议电池体系和电驱动体系的参数，如下图2所示，依据所需求开发的新能源车的详细参数，其电池体系的根本规范也能够确认下来。而电池体系的根本构成，大略的来说是从电池单体开端，构建电池模组，装备适宜电子和电气体系，在电池包层面进行安置和安全剖析。

图2 车型规范对电池体系规范的转化

1）电池单体的挑选
从根本来看，电池单体挑选是考虑电池容量、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，从归纳来看，现在只能依托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（决议存储电能）和功率密度（决议放电才能），这两者往往不行兼得。值得注意的是，从电极资料理论密度到单体密度再到电池包密度，因为其他不储能的部分，这两个参数往往递减敏捷。
• 寿数：可分为循环寿数和运用寿数两个参数。 循环寿数取决于充放电深度、电压、 温度和电流（负荷）；运用寿数包含不运用的时刻，与温度和电压有较大的联系。电池老化今后，直接导致容量下降、功率充放才能下降以及失功率添加。
• 热特性：首要包含低温特性和高温特性。低温的时分，放电的才能对冰冷区域发动有直接的影响；当电池的作业温度添加，会大大影响其寿数。热特性根据形状。圆柱、软包和方形的影响较大，后边会有剖析。
• 安全：不同资料对电池单体的安全性差异显着，一般会对电池安全性进行评价。
• 本钱：单体的本钱与极片资料有必定的相关，电池单体本钱因为要契合较高的安全性，所以本钱下降并不是很敏捷。

表1 首要锂离子电池特性

单体形状相对简略些，如下表2所示，现在整车企业在尽力推进电池单体的尺度规范的一致，长时刻来看电池单体成为通用件的或许性很大。

表2 不同电池形状优缺陷

2）单体成组
电池组的结构拓扑是首要需求处理的问题，这是因为单个电池的容量往往存在约束，想要做到100Ah以上 ，往往对电池单体的要求较高；而体系总的电压因为安全考虑以及与其他体系匹配，是被约束在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：因为电池单体的初期差异性小，所以经过匹配容量、内阻和自放电后，将电池并联后串联是种比较抱负的办法。走的更远的是很多个小单体，经过熔丝衔接成模组后进行串联，如Tesla的电池体系。
2. 先串后并：将电池单体进行串联衔接今后，在体系大将多个电池模组进行并联运用。这种办法适用于较大容量需求的状况下，比方电动大巴等较大容量的电池体系。因为电池组内单体差异累积，使得电池组的电压差异较大，并联衔接需求更多的考虑。 并联衔接的硬衔接方法，通常是同享DC/DC转换器，对电流分配无操控（从头衔接困然，有或许断开一个电池包），有必要运用同一种电池；独立电池组整合，可运用独立转换器，能进行操控电流分配（有或许断开一个电池包、从头衔接简略），可运用不同电池 。
3. 混联：将电池并联之后串联，再经过并联或许串联的方法进行衔接。比方LEAF的2P2S的根本模块结构
将电池衔接在一起，能够接受总线电流，这又是一项考虑；现在可选的有两种衔接类型：
1） 螺丝衔接：首要应用在圆柱和方形电池中，较为闻名的改装Prius的天然，也是源于螺纹衔接质量不太牢靠，导致衔接阻抗过高发热所造成的，车用不行取。
2） 焊接衔接：可用在一切类型的运用上，因为直接将电池单体的导体焊接直连，其衔接是安稳的，因为或许存在不同金属焊接，现在本钱较高。
3）电池办理体系和电气体系规划

图4 一个典型的电池体系

电池办理体系一般有以下的功用，首要经过电池办理模块和电池检测子模块完结。
• 监测电池参数：对单体电池（电压、温度）和电池体系（电压、电流、温度、绝缘电阻）的物理参数收集，这些数据作为对电池体系状况判别的根底。
• 参数核算：测得物理参数今后，将进行荷电状况（SOC）、电池健康状况（SOH）和电池容量等的核算；为了对寿数方面进行维护，需求核算和计算电池的运用状况，往往需求将单次运用的能量、初次运用后一共运用能量和初次运用后的时刻进行计算，以评价轿车电动行进路程和电池寿数状况。
• 通讯：在电池体系内部交流数据并将中心数据传输至整车操控器。在电动轿车充电范畴中，直流快速充电和车辆和电网电力交流（V2G）和车辆和住所电力交流（V2H），在这些未来的扩展功用中，BMS的通讯功用起到至关重要的功用。
• 电池安全维护：电池办理是完结功用安全的最重要的部件，其安全维护功用包含故障诊断和处理两方面内容，包含电池过压、欠压、过流、低温、高温文短路。
• 电气安全维护：一般需求完结高压互锁、绝缘检测或许其他功用。

因为电池办理体系是整个电池体系的中心办理单元，因而这儿的改变也最多一些。有时机，将会独自介绍和叙说。

电气系一致般包含总线衔接和配电体系两部分。电池模块之间，是经过总线的方法来衔接的，一般还会在之间参加一个修理的开关来保证在维护进程中的安全。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 简易的电池体系概览

4）热体系规划
如上所述，因为电池需求在必定的温度规模内作业，而轿车的作业温度规模则彻底取决于运用环境，所以在考虑电池体系的环境运用条件的之后，往往需求一套相对杂乱的散热（加热）体系来保证其全天候作业。从规划上考虑，冷却体系分为单体和电池组两个层次：
1. 单体等级：考虑的问题是将单体的热量漫步出去，是考虑将单体与冷却体系进行有用衔接。单体与冷却体系中运用的接口资料，需求从电气绝缘和热传导功率两个方面去考虑。
2. 电池组：从体系层面，液冷和风冷是两个整体性的考虑，需求从体系空间需求、散热功率和本钱等多个方面去归纳考虑。

在热体系规划的视点，日系厂商倾向于风冷，欧美企业倾向于液冷。这方面的细节，也是能够独自拿出来评论的。

5）安全规划
电池体系的安全规划，首要分为考虑与整车集成这块的磕碰考虑还有自身体系的安全评价，测验项目较多，如表3所示。

表3 电池体系安全测验

以上的内容，大致给了电池系一致个全貌。电池体系是现在新能源轿车的中心关卡，韩国和日本的零部件企业占得先机，如下表4所示。别的一个风趣的现象是，因为这个部件较为贵重，又是中心的一个子体系单元，轿车厂商与电池供货商之间，也存在一个博弈进程。如上所述，乐意投入的轿车厂商，是收购电池单体，然后进行子体系规划，乃至完结电池单体成组的一系列作业。不乐意投入的企业，直接花钱买个处理方案往车上装置即可。

表4 轿车企业、车型以及电池厂商对应表

参阅文献
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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