【編者按】《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》將于8月份出版，該書是繼《電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設(shè)計(jì)》之后系列叢書的第二本專著，由王芳、夏軍等多位專家耗時(shí)一年聯(lián)袂打造，內(nèi)容涵蓋動力電池系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展綜述、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、BMS設(shè)計(jì)、熱管理設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)仿真分析、測試驗(yàn)證，以及生產(chǎn)制造技術(shù)，全方位多角度為讀者提供最佳的工程實(shí)踐參考。本文節(jié)選自《電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)》第二章“動力電池系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)”。

第三篇：動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)匹配性分析

1.額定電壓及電壓應(yīng)用范圍

對于高速電動車輛動力電池系統(tǒng)的額定電壓等級，參照《GB/T 31466-2015 電動車輛高壓系統(tǒng)電壓等級》可選擇144V、288V、320V、346V、400V、576V等。對于微型低速電動車動力電池系統(tǒng)的電壓等級，100V以下主要以48V、60V、72V和96V為主。

動力電池系統(tǒng)的額定電壓及電壓范圍必須與整車所選用的電機(jī)和電機(jī)控制器工作電壓相匹配，因此為保證整車動力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需要根據(jù)電動整車電機(jī)的電壓等級及工作電壓范圍要求，選擇合適的單體電池規(guī)格（化學(xué)體系、額定電壓、容量規(guī)格等）并確定單體電池的串聯(lián)數(shù)量、系統(tǒng)額定電壓及工作電壓范圍。通常允許使用的電壓范圍上限為系統(tǒng)額定電壓的115%~120%，下限為系統(tǒng)額定電壓的75%~80%。

2.動力電池系統(tǒng)容量

整車概念設(shè)計(jì)階段，從整車車重和設(shè)定的典型工況出發(fā)，續(xù)駛里程、整車性能（最高車速、爬坡度、加速時(shí)間等）要求，可以計(jì)算出汽車行駛所需搭載的總能量需求。動力電池系統(tǒng)容量主要基于總能量和額定電壓來進(jìn)行計(jì)算。

3.功率和工作電流

整車在急加速情況下，動力電池系統(tǒng)需要提供短時(shí)脈沖放電功率，對應(yīng)的工作電流為峰值放電電流；在緊急剎車情況下，需要提供短時(shí)能量回收功率，對應(yīng)的回饋電流為峰值充電電流。

整車在平路持續(xù)加速或長坡道時(shí)，動力電池系統(tǒng)需要提供穩(wěn)定的持續(xù)放電功率，此時(shí)要求能夠長時(shí)間穩(wěn)定輸出一定額度的電流，即持續(xù)放電工作電流。

4.可用SOC范圍

在動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，由于SOC可用范圍會直接影響總能量的設(shè)計(jì)，直接體現(xiàn)到單體電池的選型及數(shù)量要求，因此，也會對電池箱體的包絡(luò)尺寸設(shè)計(jì)、內(nèi)部布置及安裝空間間隙以及對總體成本等方面產(chǎn)生最直接的影響。動力電池系統(tǒng)SOC應(yīng)用范圍的選擇首先考慮整車對充放電功率和可用能量等方面的需求，同時(shí)結(jié)合單體電池在不同溫度條件下的充放電能力（功率和能量）、存儲性能（自放電率）、壽命、安全特性，以及電池管理系統(tǒng)的SOC估算精度等影響因素來確定。

動力電池系統(tǒng)在其應(yīng)用SOC范圍內(nèi)必須滿足整車負(fù)載的峰值放電功率要求，保證電池系統(tǒng)具有的峰值放電能力大于負(fù)載的最大功率需求；同時(shí)，為了盡可能多的接受回收的能量，應(yīng)滿足所設(shè)定的峰值充電功率/回充功率要求。由于動力電池系統(tǒng)的充放電功率能力主要受選用的單體電池功率能力限制，其中：在低溫、低SOC條件下，單體電池的放電功率會受到限制；在低溫、高SOC條件下，單體電池的充電/回充功率會受到限制。因此，需要結(jié)合整車動力系統(tǒng)峰值（放電/回充）功率需求，定義SOC可用范圍。

動力電池系統(tǒng)SOC使用范圍的選擇還要根據(jù)整車設(shè)計(jì)的純電續(xù)駛里程目標(biāo)，通過分析整車能耗情況確定對應(yīng)的可用能量需求，計(jì)算動力電池系統(tǒng)可用能量與整車能量需求差距，并調(diào)整SOC使用范圍需求。

通常為了更好地保護(hù)動力電池系統(tǒng)，并延長其使用壽命，充電時(shí)不能將其充滿電（接近100%SOC），放電時(shí)也不能完全放電（低于5%SOC），否則可能會損壞單體電池、縮短其使用壽命。但是，如果單方面為了延長動力電池使用壽命而加大電池系統(tǒng)的能量,來減小SOC使用區(qū)間，對于系統(tǒng)成本和空間布置都會產(chǎn)生不利影響。

由于動力電池均存在一定程度的自放電，因此，考慮到電池包的存儲周期可能達(dá)到3個(gè)月以上（6個(gè)星期的工廠/物流/配送和6個(gè)星期的存儲區(qū)存儲）的情況，為避免因?yàn)樽苑烹姸鴮?dǎo)致發(fā)生電芯過放電的情況發(fā)生，通常動力電池系統(tǒng)的SOC的下限應(yīng)不低于5%。

綜上所述，動力電池系統(tǒng)SOC使用區(qū)間的選擇應(yīng)該綜合權(quán)衡以上各個(gè)影響因素，因此，需進(jìn)行綜合平衡選擇，確定SOC使用區(qū)間的最佳方案。通常，BEV產(chǎn)品SOC可用窗口10%~95%；PHEV產(chǎn)品SOC窗口20%~95%；HEV產(chǎn)品SOC窗口30%~70%。

圖2-5 可用SOC窗口示意圖

5.溫度應(yīng)用范圍

動力電池系統(tǒng)的溫度應(yīng)用范圍主要考慮：低溫條件下對單體電池的充電、放電功率和能量的影響；高溫條件下對單體電池的壽命和安全特性的影響?；谡噷?yīng)的持續(xù)放電和脈沖放電功率能力要求，以及單體電池在低溫條件下的充電窗口，確定溫度下限應(yīng)用范圍。為避免由于溫度過高引起單體電池壽命的快速衰減和出現(xiàn)熱失控，根據(jù)單體電池的溫度特性及以往電池包產(chǎn)品使用經(jīng)驗(yàn)，確定溫度上限應(yīng)用范圍。

在整個(gè)生命周期內(nèi)，動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品必須滿足使用區(qū)域的環(huán)境和氣候條件，因此環(huán)境條件要求主要與整車目標(biāo)市場區(qū)域相關(guān)，一方面需要結(jié)合整車用戶分布的地域特點(diǎn)，另一方面主要考慮動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品在整車上布置位置的溫度特性，以及在生命周期中的應(yīng)用環(huán)境溫度特性。按照10年的設(shè)計(jì)壽命（87600小時(shí)），在國內(nèi)幾個(gè)典型城市的環(huán)境溫度分布數(shù)據(jù)：

整個(gè)生命周期中，考慮從動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品裝配完成之后，通過運(yùn)輸進(jìn)入整車廠物料存放倉庫、整車裝配過程中會進(jìn)入整車裝配車間（高溫噴漆）、日常運(yùn)行過程中（行車、充電、駐車停放等過程），以及容量發(fā)生衰減后進(jìn)行退役等過程中可能經(jīng)受的環(huán)境溫度、濕度及高海拔等環(huán)境條件。主要是考慮沒有外部的溫度輔助和調(diào)節(jié)裝置的條件下，動力電池系統(tǒng)暴露在整車裝配、運(yùn)輸、存放，以及使用過程中，整個(gè)產(chǎn)品不會發(fā)生明顯的功能降級，不會發(fā)生破損或破壞，更不會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題或風(fēng)險(xiǎn)等。

（1）工作溫度范圍：

一般情況下，動力電池系統(tǒng)要求在10℃～50℃范圍內(nèi)能滿足整車使用要求。

在低溫條件下，動力電池系統(tǒng)由于受到單體電池功率特性的限制，很難滿足整車正常條件下的峰值放電或峰值回饋充電功率需求。在高溫條件下，動力電池系統(tǒng)由于受到單體電池溫升特性、安全及可靠性應(yīng)用溫度范圍等因素的限制，不能允許按峰值放電或峰值回饋充電功率進(jìn)行工作。因此，需要基于單體電池的溫度和功率特性，在低溫、低SOC狀態(tài)下對應(yīng)放電功率能力和高溫、高SOC狀態(tài)下的充電功率能力結(jié)合使用溫度區(qū)間進(jìn)行限制。

（2）存儲溫度范圍：

一般條件下，要求動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品能在-40℃~60℃范圍內(nèi)能進(jìn)行存儲。

由于動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品裝配完成之后，會經(jīng)歷由制造工廠出廠，經(jīng)由物流運(yùn)輸（夏季高溫運(yùn)輸途中暴曬）和配送到整車廠物料倉庫存儲區(qū)進(jìn)行存儲的情況，因此，要求動力電池產(chǎn)品能滿足：在環(huán)境溫度不超過45℃條件下，允許存儲2-3個(gè)月，不發(fā)生明顯的壽命衰減（或出現(xiàn)明顯的不可逆容量損失）。

動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品在整車駐車停放在車庫過程中，不能因?yàn)闇囟鹊淖兓瘜?dǎo)致自放電率大幅增加而發(fā)生過放電或者輸出功率能力不足，導(dǎo)致影響整車的啟動、爬坡性能。

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