動(dòng)力電池系統(tǒng)指用來給電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)提供能量的一種能量?jī)?chǔ)存裝置，由一個(gè)或多個(gè)電池包以及電池管理系統(tǒng)組成。動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)要以滿足整車的動(dòng)力要求和其他設(shè)計(jì)為前提，同時(shí)要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計(jì)等方面。

　　一種典型的動(dòng)力電池系統(tǒng)

　　由于不同種類電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)和工作模式的不同，導(dǎo)致對(duì)動(dòng)力電池的性能要求也不一樣。純電動(dòng)汽車行駛完全依賴于動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長(zhǎng)，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動(dòng)力汽車對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的容量要求比純電動(dòng)汽車要低，但要能夠在某些時(shí)候提供較大的瞬時(shí)功率。而串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車對(duì)電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

　　因此動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程一般如下：（1）首先確定整車的設(shè)計(jì)要求（2）然后確定車輛的功率及能量要求（3）選擇所能匹配合適的電芯（4）確定電池模塊的組合結(jié)構(gòu)形式（5）確定電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求（6）仿真模擬及具體試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要組成部分，下文主要按其具體結(jié)構(gòu)及功能來談?wù)勗O(shè)計(jì)要求。分為電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機(jī)械系統(tǒng)這四個(gè)主要部分。

　　1.電池模組的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

　　動(dòng)力電池模組是指動(dòng)力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)方式組合并加保護(hù)線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，是組成動(dòng)力電池系統(tǒng)的次級(jí)結(jié)構(gòu)之一。動(dòng)力電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。

　　按電芯的結(jié)構(gòu)形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，各自的優(yōu)缺點(diǎn)也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了電池模組的性能進(jìn)而影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。因此在進(jìn)行動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一定要根據(jù)整車的設(shè)計(jì)要求去選擇電芯的材料及形狀。

　　那么首先要通過電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求以及各種高電壓機(jī)器配件等所需的消耗電力、時(shí)間以及使用溫度來確定電池系統(tǒng)的容量。然后在進(jìn)行電池模塊設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到動(dòng)力電池的特性。因?yàn)閯?dòng)力電池在不同溫度下輸出/輸入會(huì)發(fā)生變化。容量、輸出性能會(huì)隨使用時(shí)間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，將不能滿足低溫時(shí)的加速性能和爬坡性能，并且當(dāng)電池老化時(shí)還會(huì)給系統(tǒng)性能造成影響。電池模組由多個(gè)動(dòng)力電芯串并聯(lián)組合而成，包括單體電芯、固定框架、電連接裝置，還有溫度傳感器、電壓檢測(cè)線路等。

　　動(dòng)力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程（電芯→模塊→系統(tǒng)）

　　在結(jié)合整車設(shè)計(jì)要求的前提下對(duì)電池模組進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電池模組設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

　　·電池成組的固定連接方式要根據(jù)動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體要求對(duì)選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行。

　　·電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結(jié)構(gòu)部件具有足夠的強(qiáng)度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

　　·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風(fēng)散熱通道。

　　·電池單體之間的導(dǎo)電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導(dǎo)電連接部位的導(dǎo)電能力要滿足用電設(shè)備的最大過流能力。

　　·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護(hù)問題，例如絕緣間隙和爬電距離等。

　　2.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　電池管理系統(tǒng)（BMS），即Battery Management System，主要檢測(cè)電池的狀態(tài)以及電池組中各單體電池的狀態(tài)，并根據(jù)電池（組）的狀態(tài)對(duì)電池（組）進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂撇呗哉{(diào)整，可以接受上層控制模塊的控制信息并做出必要的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池（組）的充放電管理以保證動(dòng)力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

　　電池管理系統(tǒng)

　　電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及軟件設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件主要由數(shù)據(jù)采集單元（采集模塊）、中央處理單元（主控模塊）、顯示單元、均衡單元檢測(cè)模塊（電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測(cè)）、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等組成。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成。一般采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互間的信息通訊。

　　電池管理系統(tǒng)的拓?fù)鋱D

　　在動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)功能一般包括電壓檢測(cè)、溫度采集、電流檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、SOC估算、CAN通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測(cè)功能、充電管理、熱管理等。硬件設(shè)計(jì)則對(duì)軟件設(shè)計(jì)的功能提供支持，比如MCU模塊用來采集、分析數(shù)據(jù)、收發(fā)控制信號(hào)；電流檢測(cè)模塊則是采集電池組充放電過程中的充放電電流。

　　3.熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)車輛在不同運(yùn)行工況下,電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻,在輸出功率、電能的同時(shí)產(chǎn)生一定的熱量從而產(chǎn)生熱量累積使電池溫度升高,空間布置的不同使得各處電池溫度并不一致。當(dāng)電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時(shí),必須限功率工作,否則會(huì)影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命,車用動(dòng)力電池系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)具有熱管理系統(tǒng)，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測(cè)設(shè)備等部件構(gòu)成。

　　可以從動(dòng)力電池系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)組成看到，熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到電池單體和電池模塊兩個(gè)層次的結(jié)構(gòu)。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)中就必須要考慮到電池單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般設(shè)計(jì)要求有如下幾個(gè)方面：

　　·電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義及電池降功率工作區(qū)間定義。具備電池低溫啟動(dòng)性能要求及電池隔熱功能。

　　·電池制冷和制熱功能：電池系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)在低溫下能夠快速升溫,以達(dá)到整車大功率和能量的需求,或者整車熱管理系統(tǒng)采用空調(diào)系統(tǒng)或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水來維持電池系統(tǒng)在最優(yōu)的工作溫度區(qū)間。而采用主動(dòng)方式還是被動(dòng)方式的加熱和散熱，效率會(huì)有很大差別。

　　·制冷和制熱方案,如風(fēng)冷或液冷。在采用風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)與與液冷冷卻系統(tǒng)時(shí)要考慮各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　風(fēng)冷冷卻結(jié)構(gòu)和液冷式冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

　　4.電氣及機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　電氣及機(jī)械系統(tǒng)主要包括高壓系統(tǒng)、電池箱體、連接線束、機(jī)械接插件等。

　　電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要涉及到高壓部分，其中高壓系統(tǒng)主要由繼電器、電流傳感器、電阻和熔斷器等器件組成。在設(shè)計(jì)高電壓系統(tǒng)時(shí)，需要考慮電力供給端和輸出端的平衡。電力供給端對(duì)于EV指的是驅(qū)動(dòng)用電池；對(duì)于HEV和PHEV則指的是驅(qū)動(dòng)用電池和發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電電力。車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時(shí)改變供給端。輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器，如用于驅(qū)動(dòng)的電機(jī)、空調(diào)設(shè)備、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)尤為重要，在高壓線路上配置手動(dòng)維修開關(guān)，自動(dòng)斷路器、動(dòng)力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個(gè)箱體內(nèi)采用電木和環(huán)氧板進(jìn)行高壓電絕緣；箱體外部與車底盤可靠連接；電池管理系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)絕緣電阻實(shí)施監(jiān)控。

　　電池箱體作為電池模塊的承載體，對(duì)電池模塊的安全工作和防護(hù)起著關(guān)鍵作用。電池箱的外觀設(shè)計(jì)主要從材質(zhì)、表面防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)等方面進(jìn)行。設(shè)計(jì)的通用要求要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如：

　　·具有維護(hù)的方便性。

　　·在車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進(jìn)入車廂的結(jié)構(gòu)或防護(hù)措施。

　　·電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標(biāo)志布置位置，給保險(xiǎn)、動(dòng)力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎(chǔ)。

　　·所有無級(jí)基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應(yīng)采取加強(qiáng)防護(hù)。在連接件、端子、電觸頭接合后應(yīng)符合GB4208-2008防護(hù)等級(jí)為3的要求

　　·在試驗(yàn)后，蓄電池箱防護(hù)等級(jí)不低于IP55。

　　·人員觸電防護(hù)應(yīng)符合相關(guān)要求。

　　A123的動(dòng)力電池系統(tǒng)及電池箱外觀

　　5.相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求

　　在完成整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，制作好的動(dòng)力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺(tái)架性能測(cè)試，驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)要求，再經(jīng)過裝車試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)部分均需要符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，一些在動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及到的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表所示。

　　總結(jié)

　　從目前電動(dòng)汽車的發(fā)展來看，最大的障礙就是動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能，動(dòng)力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣是關(guān)鍵影響因素之一，因此需要針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)分析。本文簡(jiǎn)單地從整體上探討了動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并未深入，因?yàn)檫@是一門涉及面廣、專業(yè)知識(shí)縱深度強(qiáng)的領(lǐng)域。動(dòng)力電池系統(tǒng)是一個(gè)綜合電池技術(shù)、電控技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和熱能分析技術(shù)的復(fù)雜體系，需要各個(gè)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員通力合作來完成。