电动汽车动力电池系统总体方案设计

电动汽车动力电池系统总体方案设计1.1

额定电压及电压应用范围对于高速电动车辆动力电池系统的额定电压等级，参照《GB/T31466-2015电动车辆高压系统电压等级》可选择144V、288V、320V、346V、400V、576V等。对于微型低速电动车动力电池系统的电压等级，100V以下主要以48V、60V、72V和96V为主。动力电池系统的额定电压及电压范围必须与整车所选用的电机和电机控制器工作电压相匹配，因此为保证整车动力系统的可靠运行，需要根据电动整车电机的电压等级及工作电压范围要求，选择合适的单体电池规格（化学体系、额定电压、容量规格等）并确定单体电池的串联数量、系统额定电压及工作电压范围。通常允许使用的电压范围上限为系统额定电压的115%~120%，下限为系统额定电压的75%~80%。1.2

动力电池系统容量整车概念设计阶段，从整车车重和设定的典型工况出发，续驶里程、整车性能（最高车速、爬坡度、加速时间等）要求，可以计算出汽车行驶所需搭载的总能量需求。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。1.3

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，对应的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，对应的回馈电流为峰值充电电流。整车在平路持续加速或长坡道时，动力电池系统需要提供稳定的持续放电功率，此时要求能够长时间稳定输出一定额度的电流，即持续放电工作电流。1.4

可用SOC范围在动力电池系统产品设计上，由于SOC可用范围会直接影响总能量的设计，直接体现到单体电池的选型及数量要求，因此，也会对电池箱体的包络尺寸设计、内部布置及安装空间间隙以及对总体成本等方面产生最直接的影响。动力电池系统SOC应用范围的选择首先考虑整车对充放电功率和可用能量等方面的需求，同时结合单体电池在不同温度条件下的充放电能力（功率和能量）、存储性能（自放电率）、寿命、安全特性，以及电池管理系统的SOC估算精度等影响因素来确定。动力电池系统在其应用SOC范围内必须满足整车负载的峰值放电功率要求，保证电池系统具有的峰值放电能力大于负载的最大功率需求；同时，为了尽可能多的接受回收的能量，应满足所设定的峰值充电功率/回充功率要求。由于动力电池系统的充放电功率能力主要受选用的单体电池功率能力限制，其中：在低温、低SOC条件下，单体电池的放电功率会受到限制；在低温、高SOC条件下，单体电池的充电/回充功率会受到限制。因此，需要结合整车动力系统峰值（放电/回充）功率需求，定义SOC可用范围。动力电池系统SOC使用范围的选择还要根据整车设计的纯电续驶里程目标，通过分析整车能耗情况确定对应的可用能量需求，计算动力电池系统可用能量与整车能量需求差距，并调整SOC使用范围需求。通常为了更好地保护动力电池系统，并延长其使用寿命，充电时不能将其充满电（接近100%SOC），放电时也不能完全放电（低于5%SOC），否则可能会损坏单体电池、缩短其使用寿命。但是，如果单方面为了延长动力电池使用寿命而加大电池系统的能量,来减小SOC使用区间，对于系统成本和空间布置都会产生不利影响。由于动力电池均存在一定程度的自放电，因此，考虑到电池包的存储周期可能达到3个月以上（6个星期的工厂/物流/配送和6个星期的存储区存储）的情况，为避免因为自放电而导致发生电芯过放电的情况发生，通常动力电池系统的SOC的下限应不低于5%。综上所述，动力电池系统SOC使用区间的选择应该综合权衡以上各个影响因素，因此，需进行综合平衡选择，确定SOC使用区间的最佳方案。通常，BEV产品SOC可用窗口10%~95%；PHEV产品SOC窗口20%~95%；HEV产品SOC窗口30%~70%。1.5

温度应用范围动力电池系统的温度应用范围主要考虑：低温条件下对单体电池的充电、放电功率和能量的影响；高温条件下对单体电池的寿命和安全特性的影响。基于整车对应的持续放电和脉冲放电功率能力要求，以及单体电池在低温条件下的充电窗口，确定温度下限应用范围。为避免由于温度过高引起单体电池寿命的快速衰减和出现热失控，根据单体电池的温度特性及以往电池包产品使用经验，确定温度上限应用范围。在整个生命周期内，动力电池系统产品必须满足使用区域的环境和气候条件，因此环境条件要求主要与整车目标市场区域相关，一方面需要结合整车用户分布的地域特点，另一方面主要考虑动力电池系统产品在整车上布置位置的温度特性，以及在生命周期中的应用环境温度特性。按照10年的设计寿命（87600小时），在国内几个典型城市的环境温度分布数据：表2-1国内典型城市的环境温度分布整个生命周期中，考虑从动力电池系统产品装配完成之后，通过运输进入整车厂物料存放仓库、整车装配过程中会进入整车装配车间（高温喷漆）、日常运行过程中（行车、充电、驻车停放等过程），以及容量发生衰减后进行退役等过程中可能经受的环境温度、湿度及高海拔等环境条件。主要是考虑没有外部的温度辅助和调节装置的条件下，动力电池系统暴露在整车装配、运输、存放，以及使用过程中，整个产品不会发生明显的功能降级，不会发生破损或破坏，更不会产生严重的安全问题或风险等。（1）工作温度范围：一般情况下，动力电池系统要求在10℃～50℃范围内能满足整车使用要求。在低温条件下，动力电池系统由于受到单体电池功率特性的限制，很难满足整车正常条件下的峰值放电或峰值回馈充电功率需求。在高温条件下，动力电池系统由于受到单体电池温升特性、安全及可靠性应用温度范围等因素的限制，不能允许按峰值放电或峰值回馈充电功率进行工作。因此，需要基于单体电池的温度和功率特性，在低温、低SOC状态下对应放电功率能力和高温、高SOC状态下的充电功率能力结合使用温度区间进行限制。（2）存储温度范围：一般条件下，要求动力电池系统产品能在-40℃~60℃范围内能进行存储。由于动力电池系统产品装配完成之后，会经历由制造工厂出厂，经由物流运输（夏季高温运输途中暴晒）和配送到整车厂物料仓库存储区进行存储的情况，因此，要求动力