众所周知,电池是电动汽车的核心技术之一,不仅影响到整车性能,还关系到续驶里程。但续驶里程并不能简单通过堆积电池单元来实现,需要通过对纯电动汽车的动力需求、使用工况、国家标准等的数据引入,提出了基于整车动力需求的电池系统的电芯容量选用、串并联搭配、续驶里程拓展的设计方法,提高了动力电池系统设计效率及与整车动力匹配性。

整车动力及续驶里程需求

(1)首先确定整车续驶里程要求 不同的车型,例如纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)、混合动力汽车(HEV)等,在NEDC综合工况或WLTP工况下纯电续驶里程均不同。整车质量及百公里能耗水平也不尽相同。

(2)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,对应回馈电流为峰值充电电流。

在平路持续加速或长坡道时,需要提供持续稳定的放电功率,对应的电流为持续放电工作电流。

峰值放电工作电流=峰值放电功率/电池系统端电压

峰值充电工作电流=峰值回充功率/电池系统端电压

持续放电工作电流=持续放电功率/电池系统端电压

(3)额定电压及电压应用范围 参照《电动汽车辆高压系统电压等级》(GB/T31466—2015)对于高速电动车辆动力电池系统的额定电压等级可选择144V、288V、320V、346V、400V及576V等。且需要与整车的电动机控制器及电动机的工作电压相匹配,例如三元电池系统电压范围上下限各为系统额定电压的115%和77%。

(4)温度应用范围 动力电池系统要求在-20~60℃外部环境温度中能正常工作,在-40~60℃范围内能进行存储。

(5)电池系统质量限制 要满足GB/T28382—2012《纯电动乘用车技术条件》动力蓄电池(包含电池箱及箱内部件)总质量与整车整备质量的比值不宜大于30%这一要求。

(6)动力电池系统容量 依据整车的续驶里程、整车性能(加速时间、最高车速、爬坡度等)要求,推算出总能量需求。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。

电池系统容量=总能量/电池系统额定电压

电池系统可用容量=总能量×可用soc(%)/电池系统额定电压

(7)可用SOC范围 在SOC范围内电池系统必须满足峰值放电功率大于整车最大负载功率,峰值充电功率大于最大能量回馈功率。这是受单体电池功率能力所限制,例如,在低SOC、低温条件下,放电功率受限。在低温、高SOC条件下,充电功率受限。

为了保护动力电池系统,延长其使用寿命,充电时不能充满电(接近100%SOC),放电时不能完全放电(低于5%SOC)。通常BEV动力电池系统SOC可用窗口5%~95%;PHEV产品SOC窗口15%~95%;HEV产品SOC窗口25%~75%。

单体电池的选型与设计

单体电池的选型和设计遵从动力电池系统性能要求及输入。

1.单体电池容量选型

考虑因素如下:

(1)单体电池的技术成熟度优先选择已经稳定量产的电芯容量规格。

(2)单体电池质量能量密度、体积能量密度 优先选择质量能量密度、体积能量密度较高的单体电池。有助于提升动力电池系统级的能量密度,相应整车续驶里程一定程度提升。

(3)单体电池的安全性 单体电池容量越大,对应能量越高,散热量增大,安全风险越高。

(4)单体电池串并联组合后总能量与设计容量差别 基于现有的单体电池进行选型,单体电池容量是固定的,因此成组之后的总能量可能与理论计算的电池总能量有差别。所以要选择成组后能最接近目标总电量的单体电池。

(5)电池系统电池包体积及内部空间限制 尽可能不占用乘坐空间或有效载荷空间。选择合适尺寸的单体电池充分的利用电池箱内有限空间,提高空间体积利用率。

同时,为了兼顾不同整车厂不同车型的布置需求,单体电池尺寸设计要做到通用性和标准化。

2.单体电池类型选择依据

相比铅酸蓄电池、镍氢电池,锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电率低等优点,并且具有使用电压范围宽、无记忆效应、环境友好等特点,是主流的电动车辆动力电池类型。

主要考虑因素如下:

1)不同类型电动车辆对动力电池需求的差异性。

2)不同电化学体系电池的优劣势。磷酸铁锂LiFePO4/C、镍钴锰三元NCM/C、锰酸锂LMO/C等均不相同。

3)不同结构动力电池自身的差异性(圆柱形、方形硬壳、软包等),包括电化学电气性能、安全性、技术和工艺成熟度、成本价格等。

动力电池系统设计示例

1. 纯电动乘用车系统参数和方案设计

某综合工况条件下达到500km续驶里程的纯电动乘用车,百公里耗电量约15kW·h。为其设计的动力电池系统性能参数见表1。

动力电池系统总能量约为75kW·h,可用能量约为67.5kW·h。整车选用的电动机和电动机控制器额定工作电压约为400V,则电池系统总容量为

电池系统总容量=总能量/电池系统额定电压

75 000Wh/400V=187.5A

进而推算出单体电池串并联方案,见表2。电池系统质量能量密度=总能量/总重量=166Wh/kg,因此应选用具有高能量密度的三元体系锂离子动力电池。

单体电池额定电压3.65V,则:

单体电池串联数量=电池系统额定电压/ 单体电池额定电压=400V/3.65V=109.6≈110

单体串联方案及系统电压参数见表3。

电池系统峰值功率与总能量比值(P/E)约为3,所以应选用偏能量型的单体电池。以系统集成效率约为70%计算,单体电池的比能量应不小于237Wh/kg。

按电池系统使用寿命(10年或24万km)和循环寿命 (1 500次)要求,选用的单体电池循环寿命应不小于1800次。

由于续驶里程需求的差异性及相关政策驱动等因素影响,整车的纯电续驶里程不尽相同,例如400km、500km、600km等。

系统的总容量、单体电池的容量设计和系统串并联方案见表4。

2. 插电式混合动力乘用车系统参数和方案设计

某综合工况条件下达到80km续驶里程的插电式混合动力乘用车,百公里耗电量约20kW·h,为其设计的动力电池系统性能参数见表5。

电池系统峰值功率与总能量比值(P/E)约为6.5,所以应选用偏功率型的单体电池,按系统集成效率约为70%计算,则单体电池的比能量应不小于205Wh/kg。

按电池系统使用寿命(10年)和循环寿命(3 000次)要求,选用的单体电池循环寿命应不小于4 000次。

由于不同用户群体需求的差异性及政策驱动等因素,整车纯电续驶里程也存在不同设计需求,例如60km、80km、100km、120km等。系统的总容量、单体电池的容量设计和系统串并联方案见表6。

结语

通过将整车动力需求、续驶里程需求、国标要求等信息作为动力电池系统设计输入,结合理论计算,完成电池系统参数制定、串并联方案设计、单体电池类型及容量选型等工作。并以纯电动汽车、插电混动汽车为例,给出了两类动力电池系统的正向设计思路及方法。对于提高电池系统设计效率、提升整车动力匹配性具有指导意义。

作者单位:威马汽车科技集团有限公司

本文已在《汽车工艺师》杂志2020年第 07 期发表,欢迎联系小编索取。

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