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续驶500km的电动汽车动力电池系统如何设计？
汽车工艺师 2020-07-14 15:46:06
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众所周知，电池是电动汽车的核心技术之一，不仅影响到整车性能，还关系到续驶里程。但续驶里程并不能简单通过堆积电池单元来实现，需要通过对纯电动汽车的动力需求、使用工况、国家标准等的数据引入，提出了基于整车动力需求的电池系统的电芯容量选用、串并联搭配、续驶里程拓展的设计方法，提高了动力电池系统设计效率及与整车动力匹配性。
整车动力及续驶里程需求
（1）首先确定整车续驶里程要求 不同的车型，例如纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、混合动力汽车（HEV）等，在NEDC综合工况或WLTP工况下纯电续驶里程均不同。整车质量及百公里能耗水平也不尽相同。
（2）功率和工作电流 整车在急加速情况下，动力电池系统需要提供短时脉冲放电功率，对应工作电流为峰值放电电流。在紧急刹车情况下，需要提供短时能量回收功率，对应回馈电流为峰值充电电流。
在平路持续加速或长坡道时，需要提供持续稳定的放电功率，对应的电流为持续放电工作电流。
峰值放电工作电流=峰值放电功率/电池系统端电压
峰值充电工作电流=峰值回充功率/电池系统端电压
持续放电工作电流=持续放电功率/电池系统端电压
（3）额定电压及电压应用范围 参照《电动汽车辆高压系统电压等级》（GB/T31466—2015）对于高速电动车辆动力电池系统的额定电压等级可选择144V、288V、320V、346V、400V及576V等。且需要与整车的电动机控制器及电动机的工作电压相匹配，例如三元电池系统电压范围上下限各为系统额定电压的115%和77%。
（4）温度应用范围 动力电池系统要求在-20～60℃外部环境温度中能正常工作，在-40～60℃范围内能进行存储。
（5）电池系统质量限制 要满足GB/T28382—2012《纯电动乘用车技术条件》动力蓄电池（包含电池箱及箱内部件）总质量与整车整备质量的比值不宜大于30%这一要求。
（6）动力电池系统容量 依据整车的续驶里程、整车性能（加速时间、最高车速、爬坡度等）要求，推算出总能量需求。动力电池系统容量主要基于总能量和额定电压来进行计算。
电池系统容量=总能量/电池系统额定电压
电池系统可用容量=总能量×可用soc（%）/电池系统额定电压
（7）可用SOC范围 在SOC范围内电池系统必须满足峰值放电功率大于整车最大负载功率，峰值充电功率大于最大能量回馈功率。这是受单体电池功率能力所限制，例如，在低SOC、低温条件下，放电功率受限。在低温、高SOC条件下，充电功率受限。
为了保护动力电池系统，延长其使用寿命，充电时不能充满电（接近100%SOC），放电时不能完全放电（低于5%SOC）。通常BEV动力电池系统SOC可用窗口5%～95%；PHEV产品SOC窗口15%～95%；HEV产品SOC窗口25%～75%。
单体电池的选型与设计
单体电池的选型和设计遵从动力电池系统性能要求及输入。
1.单体电池容量选型
考虑因素如下：
（1）单体电池的技术成熟度优先选择已经稳定量产的电芯容量规格。
（2）单体电池质量能量密度、体积能量密度 优先选择质量能量密度、体积能量密度较高的单体电池。有助于提升动力电池系统级的能量密度，相应整车续驶里程一定程度提升。
（3）单体电池的安全性 单体电池容量越大，对应能量越高，散热量增大，安全风险越高。
（4）单体电池串并联组合后总能量与设计容量差别 基于现有的单体电池进行选型，单体电池容量是固定的，因此成组之后的总能量可能与理论计算的电池总能量有差别。所以要选择成组后能最接近目标总电量的单体电池。
（5）电池系统电池包体积及内部空间限制 尽可能不占用乘坐空间或有效载荷空间。选择合适尺寸的单体电池充分的利用电池箱内有限空间，提高空间体积利用率。
同时，为了兼顾不同整车厂不同车型的布置需求，单体电池尺寸设计要做到通用性和标准化。
2.单体电池类型选择依据
相比铅酸蓄电池、镍氢电池，锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电率低等优点，并且具有使用电压范围宽、无记忆效应、环境友好等特点，是主流的电动车辆动力电池类型。
主要考虑因素如下：
1）不同类型电动车辆对动力电池需求的差异性。
2）不同电化学体系电池的优劣势。磷酸铁锂LiFePO4/C、镍钴锰三元NCM/C、锰酸锂LMO/C等均不相同。
3）不同结构动力电池自身的差异性（圆柱形、方形硬壳、软包等），包括电化学电气性能、安全性、技术和工艺成熟度、成本价格等。
动力电池系统设计示例
1. 纯电动乘用车系统参数和方案设计
某综合工况条件下达到500km续驶里程的纯电动乘用车，百公里耗电量约15kW·h。为其设计的动力电池系统性能参数见表1。
动力电池系统总能量约为75kW·h，可用能量约为67.5kW·h。整车选用的电动机和电动机控制器额定工作电压约为400V，则电池系统总容量为
电池系统总容量=总能量/电池系统额定电压
75 000Wh/400V=187.5A
进而推算出单体电池串并联方案，见表2。电池系统质量能量密度=总能量/总重量=166Wh/kg，因此应选用具有高能量密度的三元体系锂离子动力电池。
单体电池额定电压3.65V，则：
单体电池串联数量=电池系统额定电压/ 单体电池额定电压=400V/3.65V=109.6≈110
单体串联方案及系统电压参数见表3。
电池系统峰值功率与总能量比值（P/E）约为3，所以应选用偏能量型的单体电池。以系统集成效率约为70%计算，单体电池的比能量应不小于237Wh/kg。
按电池系统使用寿命（10年或24万km）和循环寿命 (1 500次）要求，选用的单体电池循环寿命应不小于1800次。
由于续驶里程需求的差异性及相关政策驱动等因素影响，整车的纯电续驶里程不尽相同，例如400km、500km、600km等。
系统的总容量、单体电池的容量设计和系统串并联方案见表4。
2. 插电式混合动力乘用车系统参数和方案设计
某综合工况条件下达到80km续驶里程的插电式混合动力乘用车,百公里耗电量约20kW·h，为其设计的动力电池系统性能参数见表5。
电池系统峰值功率与总能量比值（P/E）约为6.5，所以应选用偏功率型的单体电池，按系统集成效率约为70%计算，则单体电池的比能量应不小于205Wh/kg。
按电池系统使用寿命（10年）和循环寿命（3 000次）要求，选用的单体电池循环寿命应不小于4 000次。
由于不同用户群体需求的差异性及政策驱动等因素，整车纯电续驶里程也存在不同设计需求，例如60km、80km、100km、120km等。系统的总容量、单体电池的容量设计和系统串并联方案见表6。
结语
通过将整车动力需求、续驶里程需求、国标要求等信息作为动力电池系统设计输入，结合理论计算，完成电池系统参数制定、串并联方案设计、单体电池类型及容量选型等工作。并以纯电动汽车、插电混动汽车为例，给出了两类动力电池系统的正向设计思路及方法。对于提高电池系统设计效率、提升整车动力匹配性具有指导意义。
作者单位：威马汽车科技集团有限公司
本文已在《汽车工艺师》杂志2020年第 07 期发表，欢迎联系小编索取。