新能源轿车电池包规划概论

题目：新能源轿车电池包规划概论

摘要：本文以新能源轿车为目标，以电池包为目标，论述了电池规划的内容与思路。其间包括电池包结构规划要求，电池包的功能点评内容及参数规划内容;而后论述了电池模组的规划及电池包的全体规划，并以电池包的尺度规划为例具体论述了规划思路。本文论述，重视电池包开发的规划思路，从基本要求到参数规划、再到模组、在到电池包，逻辑清晰，为电池开发供给了一个基本思路。

关键词：新能源;模组;电池包;结构规划

1、前言

现在，油价攀升及国家及国际方针的推进，新能源轿车总体销量节节攀升。新能源轿车首要有直流电驱动轿车(EV)，燃油电力混合轿车(HEV)和化学燃料轿车(FCV)，其间纯电动轿车是当时的干流。纯电动轿车运用电池作为储能装备单元，并运用驱动电动机作为动力转化设备;其间三电是现在纯电动轿车研制的核心技术。

动力电池包作为整车价格最高、分量比重相对最大的主体，一起也是限制EV车辆续驶路程的核心要素，自然成为整车中规划剖析的重中之重。电池包结构首要由箱体、模组电芯、高压操控模块及高压电路等组成。动力电池体系的规划是一个体系工程，不只包括动力电池模块、电池办理、电池保护等功能的规划，还应包括体系保护以及通信功能的规划。关于电池模块的规划，不只要充分考虑机械固定结构，还应充分考虑电与热问题。

动力电池体系一般是先由多个电池单体构成电池模块，再根据新能源轿车的需求，串联或并联多个电池模块构成动为电池体系。电池单体一般是指单个电化学电芯，经过必定的机械衔接和电衔接，将电池单体串联或许并联成具有大电压或许大电流的结构，称之为电池模块。电池模块具有质量小、电压低、便于移动等特色，便于组装成电池体系。动力电池体系除了电池模块、电衔接结构以及机械固定结构外还包括电池热办理、电池、电压办理化及电池安全所需的BMS模块，BMS模块常包括电池传感器、操控器以及操控器。

本文首要以电池的规划为主题论述电池包的规划。

1、结构规划基本要求

动力电池规划，便是根据用电设备的要求，为设备供给作业电源或动力电源。因而，动力电池规划首要有必要根据用电设备需求及电池的特性，确认电池的电极、电解液、外壳以及其他部件的参数，对工艺参数进行优化，并将它们组成有必定规范和指标(如电压、容量、体积和分量等)的电池组。动力电池规划是否合理，关系到电池的运用功能，有必要尽可能使其达到规划最优化。

电池包是一个机械、电及软件的集合体，动力电池包安置在整车上，遭到轿车行驶时的地上激励以及电池在充放电过程中发生很多的热量等一系列问题。所以在纯电动轿车机械结构规划过程中，要满意一下原则[1]：

(1)杰出的绝缘性：电动轿车的电池箱的输出电池一般为120V，远高于人体的安全电压，地点规划过程中，要充分考虑电池组与电池箱体、电池箱体与轿车之间的绝缘问题;

(2)减震防撞才能：轿车行驶在颠叛的路面上，这样要充分考虑电池模块在电池箱体中的 固定、电池箱体在轿车上的固定要满意轿车振荡、侧翻和防撞的基本要求;

(3)具有杰出的散热能为：电池在放电 过程中会发生很多的热量，电池箱体的规划不只满意按捺电池箱体温度上升的要求，还应使电 池箱内部温度差异较小;

(4)杰出的防水防尘才能：电池箱体具 有必定的防水防尘才能;

(5)满意整车的设备条件：电池最大外 形应该满意轿车整车设备的要求。

2、基本参数规划

2.1、点评功能

动力电池功能一般经过以下几个方面来点评:

容量：电池容量是指在必定放电条件下，能够从电池取得的电量，即电流对时间的积分，一般用 Ah 表明，它直接影响电池的最大作业电流和作业时间。

放电特性和内阻：电池放电特性是指电池在必定的放电准则下，其作业电压的平稳性，电压渠道的高低以及大电流放电功能等，它表明电池带负载的才能。电池内阻包括欧姆内阻和电化学电阻，大电流放电时，内阻对放电特性的影响尤为显着。

作业温度规模：用电设备的作业环境和运用条件要求电池在特定的温度规模内有杰出的功能。

贮存功能：电池贮存一段时间后，会因某些要素的影响使功能发生变化，导致电池自放电，电解液泄漏，电池短路等。

循环功能：循环寿数是指 二次电池依照必定的准则进行充放电，其功能衰减 到某一程度时循环次数，它首要影响电池的运用寿数。

安全功能：首要是指电池在乱用的条件下电池的安全功能怎么，乱用条件首要包括过充电、短路、针刺、挤压、热箱、重物冲击、振荡等，抗乱用功能的好坏是决定电池能否很多应用的首要条件。

2.2、规划参数

(1)电池包容量确认：

电池包的容量，能够根据从整车产品定义关于功率及续驶路程的需求，以轿车理论为根底[2]，进行核算得到;一起还能够进行Benchmark剖析，与竞争对手进行对标剖析;另外，轿车规划是一个长时间过程，还需考虑技术与工业的发展，电池包的容量的设定需求具有必定的前瞻性。

(2)电压渠道的设定：

为了保护电源体系，使操控总线的作业电 流在必定的规模内，需求进行必定的高压规划，这样电机输出的转矩以及功率也会越大，车满动力学功能较好。可是直流总线的最高电压不能过 高，电压应在必定的规模内。国标中引荐的电足等级有120V、144V、168V、192V、216V等。电压渠道的选取，还得结合企业的现有车型渠道及其资源来断定;另外，电压越高销量会越高，这个也是一个断定条件。

(3)电池包基本参数的设定：

电源体系单体个数：驱动电机电极的作业电压不超越额外电压的120%不低于额外电压的80%，再结合电池单体的标称电压是3.6V(规模是3.2~4.2V之间)，这样就能够核算出需求串联的电池个数，则这个三电体系的作业电压规模也就能够定了。

 

电源体系输出功率：首要需求核算整车功率需求，这里首要包括驱动电机、空调体系及附件电器能耗，一起需求考虑功率的转化;

电池组：由电压核算出了每组电池的个数，有电池的个数能够核算出每组电池的电量容量;又由整车关于电池容量的需求，能够反算出需求多少个电池组，那么这便是咱们所需求的整个电池包的电池单体及电池模组的需求。

(4)串联与并联的挑选：

 

 

由上图所示为常见的两种电池承租模型，一般的，先并联后串联的方法要好于先串联后并 的衔接方法。并联电池模块单个电池损坏，不会影响其他电池单元的作业，电池模块的容量会下降。只要合理的规划，并联的电池模块还会进步电池组的可靠性。

王震坡、孙逢春等人经过对比两种串并联方 式的锂电池组发现，选用先并后串的衔接方法，电池电压散布较为集中，没有低电压的电池出 现[3]。先串联后并联的方法，电池电压散布区间较大，假如持续运用，将会影响电池电压的共同化 加速电池的损耗。先并联的电池单体可彼此的 充放电，对电池的电压具有必定的均衡效果。串并联确认后，根据电池包物理空间巨细、电压渠道及容量需求，可推导出电池数及电池模组数量，后进行电池包内部安置。

3、电池组规划

由第二章确认了功率需求和电压渠道，那么电池包的电流巨细也就确认了，依次来核算电池包内部高压导电模块的接受电流才能。

模组规划规矩：电池模组的规划须考虑电池体系的冷却、加热等规划，需求结合考虑;电池上任一带电点与模组组合导电部件之间的绝缘阻抗应不低于20MΩ;电池模块之间的衔接、机械强度等需严厉确保，防止在振荡环境下、高低温环境下衔接结构的松动、电芯遭到损坏等;防止车辆在颠簸路况、急刹车、转弯、侧翻等情况下电池模块的串动。尽量减轻零部件分量，满意要求下挑选本钱低的资料;电池模组便于设备，在电池箱体上的设备一般选用不小于M8的螺栓。在电池模组的规划上，考虑电芯在车辆上设备的方向性;一般圆柱电芯最适宜的方向是上下垂直设备(盖帽朝上)，次之为平放，电芯前后串动方向与车辆行进方向垂直，最差的为与车辆前进方向共同;软包电芯的设备方向适宜平放，上下设备时需考虑极耳的抗振受力;方形电池的设备方向为上下垂直设备。一切电芯均不允许倒置方向设备。为便于电池模组的设备，电池模组总分量不能超越30Kg。而且规划时要考虑电池模组的吊装。零部件的规范化也是有必要要考虑的。

3.1、模组的规划

模组的集流片：效果是承载着电池模组的电流，资料首要是铜;依照铜的最大导电安全电流7A/mm2可校核出模组集流片的面积需求。

 

极柱：极柱的规划首要考察电流接受才能(惯例开车、启动电流)、设备定位的效果。

传感器：传感器一般是选型开发，挑选市面上适宜的传感器，并根据电池模组的特色进行传感器的方位安置，一起设定一个传感器对应监控几个电芯。

电池固定：电芯的固定有机械结构固定方法和胶粘的方式，也能够两种方式结合的方法。

3.2、电池包规划

电池包的全体规划，重心包括外廓尺度、设备结构、电池包资料选取，需求结合整车的结构方式予以确认。

(1)电功能要求：

新能源车与一般车的全体要求是共同的，由于添加了动力电源，额外添加了一些要求。首要添加的是体系内的高压防护和安全问题。规划方面需求满意的要求如下：严厉的绝缘要求：任何情况下不能呈现触电危险;电池若发生气体，该气体不能与乘客触摸;防水、防尘要求;满意车辆侧翻、磕碰要求;办理体系满意EMC/EMI要求;部分车辆要求电池包快速更换;应有灰心设备。

(2)机械规划

电池包机械规划包括如下：电池包尺度满意车辆装置要求;多方面绝缘功能规划;冷却体系畅通，布局合理;线路规划合理，高压、低压、信号线束分开;固定牢靠，满意车辆振荡、冲击等方面的要求，一起电池箱要进行轻量化规划;电池组呈现安全问题不能影响其他恶化;电池箱的分量一般在几百公斤，有必要考虑电池箱的设备、吊装、装卸与运输，确保电池能够快速固定和脱离车体;要根据电池的安置方位，考虑箱体的强度问题;要考虑电池箱彼此串联的方便性，满意快速安全的串联接口方式;要满意现场修理人员能快速对单箱模块的电器元件进行保护;导线的安置及固定，要用扎带禁锢在相应的固定点，有必要确保导线的接线端子丝毫不能发生晃动或松动的可能性。

(3)壳体规划：

电池包壳体是包容和保护电池组的，其结构有必要确保在保存最大的包容空间根底上满意满意的强度。其内部包括电池模块、箱体、衔接线束、办理板等。电池包的规划需满意以下要求：满意整车设备条件，包括尺度、设备接口等;电池箱体与电池模块之间的绝缘，电池箱体与整车之间绝缘;防水、防尘满意规矩要求;削减电池包内部使电池发生自放电的可能性;各种接口(通讯、电气、保护、机械)等彻底、合理;模块在电池箱体内的固定、电池包在整车上的固定满意振荡、侧翻、磕碰等要求;温度场规划合理;制止有害或危险性气体在电池包内累积;首选规范的规矩结构，尽可能防止异型结构;通讯、电力衔接部位有必要规划防碰击组织。一切板材、结构件、零部件需挑选通用零部件，零部件品种数量的挑选以最少为原则。

(4)电池包资料

电池包外壳的资料一般有钢和轻量化资料，而钢材的选取一般选用高强钢，在满意强度的一起考虑轻量化;另外便是选用铝材或镁铝合金，当然也能够考虑碳纤维，只不过碳纤维资料不是一般家用乘用车本钱能够接受的。

(5)具体规划：

电池包其他的规划还包括铭牌、标贴、密封等要求，每一项要求还能够持续往下深挖，以尺度为例阐明如下：

Z向尺度：电池包离地空隙：在电池下表面有结构件保护的情况下，一起也需求满意以下条件：最大上跳的状态下，电池间隔地上需求确保必定的空隙(如图2所示);满载状态下确保具有竞争性的离地空隙;电池包在正向需求有保护;电池包安置不得低于周边车身结构的最低面。

 

电池包厚度也会影响到整车地板的高度，这和整车地板的高度又会影响到人机乘坐舒适性，估还需结合人机工程设定电池包厚度的鸿沟。

Y向尺度：电池包的Y向尺度，首要受设备结构和侧面磕碰的缓冲要求而定。特别是GB31498-2021电动轿车磕碰后安全要求法规的发布，关于侧碰和柱碰均有要求[4]，因而电池包在整车安置时需求设置合理的安全溃缩空隙，其间侧向磕碰工况尤为苛刻。具体车型要经过CAE迭代剖析手法，得出合理的电池到门槛板侧向溃缩间隔规划。

X向尺度：首要受整车长度和前后悬架安置空间所限而框定。

4、总结

规划开发后，需求进行实验验证，实验验证包括虚拟验证和什物验证，虚拟验证关于电池包首要包括强度、耐久、磕碰、热办理方面，什物验证则包括虚拟剖析的项目以及环保、腐蚀、电磁干扰、充放电才能以及功能验证等。电池包的实验内容很多，但本文要点不在此，估不做赘述。如上，从电池包规划的基本要求，一向论述到模组的规划及电池包全体的规划，内容全且思路层层递进。