劉寶泉

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000）

1 整車動(dòng)力及續(xù)航里程需求

1.1 首先確定整車?yán)m(xù)航里程要求

不同的車型，例如純電動(dòng)汽車 （BEV）、插電式混合動(dòng)力汽車 （PHEV）、混合動(dòng)力汽車 （HEV）等，在NEDC綜合工況或WLTP工況下，純電續(xù)航里程均不同，整車質(zhì)量及百公里能耗水平也不盡相同。

1.2 功率和工作電流

整車在急加速情況下，動(dòng)力電池系統(tǒng)需要提供短時(shí)脈沖放電功率，對(duì)應(yīng)工作電流為峰值放電電流［1］；在緊急制動(dòng)情況下，需要提供短時(shí)能量回收功率，對(duì)應(yīng)回饋電流為峰值充電電流。

在平路持續(xù)加速或長(zhǎng)坡道時(shí)，需要提供持續(xù)穩(wěn)定的放電功率，對(duì)應(yīng)的電流為持續(xù)放電工作電流。

峰值放電工作電流=蜂值放電功率／電池系統(tǒng)端電壓，峰值充電工作電流=峰值回充功率／電池系統(tǒng)端電壓，持續(xù)放電工作電流=持續(xù)放電功率／電池系統(tǒng)端電壓。

1.3 額定電壓及電壓應(yīng)用范圍

參照GB／T31466—2015《電動(dòng)車輛高壓系統(tǒng)電壓等級(jí)》，對(duì)于高速電動(dòng)車輛動(dòng)力電池系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)可選擇144V、288V、320V、346V、400V、576V等，且需要與整車的電機(jī)控制器及電機(jī)的工作電壓相匹配，例如三元電池系統(tǒng)電壓范圍上下限各為系統(tǒng)額定電壓的115%和77%。

1.4 溫度應(yīng)用范圍

動(dòng)力電池系統(tǒng)要求在-20～60℃外部環(huán)境溫度中能正常工作，在-40～60℃范圍內(nèi)能進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.5 電池系統(tǒng)質(zhì)量限制

要滿足GB／T28382—2012《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》動(dòng)力蓄電池 （包含電池箱及箱內(nèi)部件）總質(zhì)量與整車整備質(zhì)量的比值不宜大于30%的要求。

1.6 動(dòng)力電池系統(tǒng)容量

依據(jù)整車的續(xù)駛里程、整車性能 （加速時(shí)間、最高車速、爬坡度等）要求，推算出總能量需求。動(dòng)力電池系統(tǒng)容量主要基于總能量和額定電壓來進(jìn)行計(jì)算。電池系統(tǒng)容量=總能量／電池系統(tǒng)額定電壓，電池系統(tǒng)可用容量=總能量×可用SOC（%）／電池系統(tǒng)額定電壓。

1.7 可用SOC范圍

在SOC范圍內(nèi)電池系統(tǒng)必須滿足峰值放電功率大于整車最大負(fù)載功率，峰值充電功率大于最大能量回饋功率。這是受單體電池功率能力所限制，例如：在低SOC、低溫條件下，放電功率受限；在低溫、高SOC條件下，充電功率受限。

為了保護(hù)動(dòng)力電池系統(tǒng)，延長(zhǎng)其使用壽命，充電時(shí)不能充滿電 （接近100%SOC），放電時(shí)不能完全放電 （低于5%SOC），通常BEV動(dòng)力電池系統(tǒng)SOC可用窗口5%～95%；PHEV產(chǎn)品SOC窗口15%～95%；HEV產(chǎn)品SOC窗口25%～75%。

2 單體電池的選型與設(shè)計(jì)

單體電池的選型和設(shè)計(jì)遵從動(dòng)力電池系統(tǒng)性能要求及輸入。

2.1 單體電池容量選型依據(jù)

1）單體電池的技術(shù)成熟度。優(yōu)先選擇已經(jīng)穩(wěn)定量產(chǎn)的電芯容量規(guī)格。

2）單體電池質(zhì)量能量密度、體積能量密度。優(yōu)先選擇質(zhì)量能量密度、體積能量密度較高的單體電池。有助于提升動(dòng)力電池系統(tǒng)級(jí)的能量密度，相應(yīng)整車?yán)m(xù)航里程提升一定程度。

3）單體電池的安全性。單體電池容量越大，對(duì)應(yīng)能量越高，散熱量增大，安全風(fēng)險(xiǎn)越高。

4）單體電池串并聯(lián)組合后總能量與設(shè)計(jì)容量差別。基于現(xiàn)有的單體電池進(jìn)行選型，單體電池容量是固定的，因此成組之后的總能量可能與理論計(jì)算的電池總能量有差別，所以要選擇成組后能最接近目標(biāo)總電量的單體電池。

5）電池系統(tǒng)電池包體積及內(nèi)部空間限制。盡可能不占用乘坐空間或有效載荷空間。選擇合適尺寸的單體電池，充分利用電池箱內(nèi)有限空間，提高空間體積利用率。同時(shí)，為了兼顧不同整車廠不同車型的布置需求，單體電池尺寸設(shè)計(jì)要做到通用性和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 單體電池類型選擇依據(jù)

相比鉛酸蓄電池、鎳氫電池，鋰離子電池具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，并且具有使用電壓范圍寬、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，是主流的電動(dòng)車輛動(dòng)力電池類型。

主要考慮因素如下：①不同類型電動(dòng)車輛對(duì)動(dòng)力電池需求的差異性；②不同電化學(xué)體系電池的優(yōu)劣勢(shì)，磷酸鐵鋰LiFePO4／C、鎳鉆錳三元NCM／C、錳酸鋰LMO／C等均不相同；③不同結(jié)構(gòu)動(dòng)力電池自身的差異性 （圓柱形、方形硬殼、軟包等），包括電化學(xué)電氣性能、安全性、技術(shù)和工藝成熟度、成本價(jià)格等。

3 動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例

3.1 純電動(dòng)乘用車系統(tǒng)參數(shù)和方案設(shè)計(jì)

某綜合工況條件下達(dá)到500km續(xù)駛里程的純電動(dòng)乘用車，百公里耗電量約15kWh，為其設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池系統(tǒng)性能參數(shù)見表1［2］。

表1 500km續(xù)駛里程的純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)表

動(dòng)力電池系統(tǒng)總能量約為75kWh，可用能量約為67.5kWh。整車選用的電機(jī)和電機(jī)控制器額定工作電壓約為400V，則電池系統(tǒng)總?cè)萘繛椋弘姵叵到y(tǒng)總?cè)萘?總能量／電池系統(tǒng)額定電壓，75000Wh／400V=187.5A，進(jìn)而推算出單體電池串并聯(lián)方案［3］，見表2。

表2 單體電池容量選型、設(shè)計(jì)與并聯(lián)方案

電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度=總能量／總質(zhì)量=166Wh／kg，因此應(yīng)選用具有高能量密度的三元體系鋰離子動(dòng)力電池。

單體電池額定電壓3.65V，則系統(tǒng)的單體電池串聯(lián)數(shù)量：?jiǎn)误w電池串聯(lián)數(shù)量=電池系統(tǒng)額定電壓／單體電池額定電壓=400V／3.65V=109.6≈110。單體串聯(lián)方案及系統(tǒng)電壓參數(shù)見表3。

表3 單體電池串聯(lián)方案示例

電池系統(tǒng)峰值功率與總能量比值 （P／E）約為3，所以應(yīng)選用偏能量型的單體電池。以系統(tǒng)集成效率約為70%計(jì)算，單體電池的比能量應(yīng)不小于237Wh／kg。按電池系統(tǒng)使用壽命 （10年或24萬km）和循環(huán)壽命 （1500次）要求，選用的單體電池循環(huán)壽命應(yīng)不小于1800次。由于續(xù)駛里程需求的差異性及相關(guān)政策驅(qū)動(dòng)等因素影響，整車的純電續(xù)駛里程不盡相同，例如400km、500km、600km等。系統(tǒng)的總?cè)萘俊误w電池的容量設(shè)計(jì)和系統(tǒng)串并聯(lián)方案見表4。

表4 不同續(xù)航里程的電池系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)和系統(tǒng)串并聯(lián)方案

3.2 插電式混合動(dòng)力乘用車系統(tǒng)參數(shù)和方案設(shè)計(jì)

某綜合工況條件下達(dá)到80km續(xù)駛里程的插電式混合動(dòng)力乘用車［4］，百公里耗電量約20kWh，我們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)的動(dòng)力電池系統(tǒng)性能參數(shù)見表5。

表5 80km續(xù)駛里程的插電式混合動(dòng)力乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)表

電池系統(tǒng)峰值功率與總能量比值 （P／E）約為6.5，所以應(yīng)選用偏功率型的單體電池，按系統(tǒng)集成效率約為70%計(jì)算，則單體電池的比能量應(yīng)不小于205Wh／kg。按電池系統(tǒng)使用壽命 （10年）和循環(huán)壽命 （3000次）要求，選用的單體電池循環(huán)壽命應(yīng)不小于4000次。由于不同用戶群體需求的差異性及政策驅(qū)動(dòng)等因素，整車純電續(xù)駛里程也存在不同設(shè)計(jì)需求，例如60km、80km、100km、120km等。系統(tǒng)的總?cè)萘?、單體電池的容量設(shè)計(jì)和系統(tǒng)串并聯(lián)方案見表6。

表6 不同續(xù)航里程的電池系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)和系統(tǒng)串并聯(lián)方案

4 總結(jié)

通過將整車動(dòng)力需求、續(xù)航里程需求、國(guó)標(biāo)要求等信息作為動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入，結(jié)合理論計(jì)算，完成電池系統(tǒng)參數(shù)制定、串并聯(lián)方案設(shè)計(jì)、單體電池類型及容量選型等工作。并以純電動(dòng)汽車、插電混動(dòng)汽車為例，給出了兩類動(dòng)力電池系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)思路及方法。對(duì)于提高電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率、提升整車動(dòng)力匹配性具有指導(dǎo)意義。