續駛500km的電動汽車動力電池系統如何設計？
衆所周知，電池是電動汽車的核心技術之一，不僅影響到整車性能，還關係到續駛里程。但續駛里程並不能簡單通過堆積電池單元來實現，需要通過對純電動汽車的動力需求、使用工況、國家標準等的數據引入，提出了基於整車動力需求的電池系統的電芯容量選用、串並聯搭配、續駛里程拓展的設計方法，提高了動力電池系統設計效率及與整車動力匹配性。
整車動力及續駛里程需求
（1）首先確定整車續駛里程要求 不同的車型，例如純電動汽車（BEV）、插電式混合動力汽車（PHEV）、混合動力汽車（HEV）等，在NEDC綜合工況或WLTP工況下純電續駛里程均不同。整車質量及百公里能耗水平也不盡相同。
（2）功率和工作電流 整車在急加速情況下，動力電池系統需要提供短時脈衝放電功率，對應工作電流爲峯值放電電流。在緊急剎車情況下，需要提供短時能量回收功率，對應回饋電流爲峯值充電電流。
在平路持續加速或長坡道時，需要提供持續穩定的放電功率，對應的電流爲持續放電工作電流。
峯值放電工作電流=峯值放電功率/電池系統端電壓
峯值充電工作電流=峯值回充功率/電池系統端電壓
持續放電工作電流=持續放電功率/電池系統端電壓
（3）額定電壓及電壓應用範圍 參照《電動汽車輛高壓系統電壓等級》（GB/T31466—2015）對於高速電動車輛動力電池系統的額定電壓等級可選擇144V、288V、320V、346V、400V及576V等。且需要與整車的電動機控制器及電動機的工作電壓相匹配，例如三元電池系統電壓範圍上下限各爲系統額定電壓的115%和77%。
（4）溫度應用範圍 動力電池系統要求在-20～60℃外部環境溫度中能正常工作，在-40～60℃範圍內能進行存儲。
（5）電池系統質量限制 要滿足GB/T28382—2012《純電動乘用車技術條件》動力蓄電池（包含電池箱及箱內部件）總質量與整車整備質量的比值不宜大於30%這一要求。
（6）動力電池系統容量 依據整車的續駛里程、整車性能（加速時間、最高車速、爬坡度等）要求，推算出總能量需求。動力電池系統容量主要基於總能量和額定電壓來進行計算。
電池系統容量=總能量/電池系統額定電壓
電池系統可用容量=總能量×可用soc（%）/電池系統額定電壓
（7）可用SOC範圍 在SOC範圍內電池系統必須滿足峯值放電功率大於整車最大負載功率，峯值充電功率大於最大能量回饋功率。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。
爲了保護動力電池系統，延長其使用壽命，充電時不能充滿電（接近100%SOC），放電時不能完全放電（低於5%SOC）。通常BEV動力電池系統SOC可用窗口5%～95%；PHEV產品SOC窗口15%～95%；HEV產品SOC窗口25%～75%。
單體電池的選型與設計
單體電池的選型和設計遵從動力電池系統性能要求及輸入。
1.單體電池容量選型
考慮因素如下：
（1）單體電池的技術成熟度優先選擇已經穩定量產的電芯容量規格。
（2）單體電池質量能量密度、體積能量密度 優先選擇質量能量密度、體積能量密度較高的單體電池。有助於提升動力電池系統級的能量密度，相應整車續駛里程一定程度提升。
（3）單體電池的安全性 單體電池容量越大，對應能量越高，散熱量增大，安全風險越高。
（4）單體電池串並聯組合後總能量與設計容量差別 基於現有的單體電池進行選型，單體電池容量是固定的，因此成組之後的總能量可能與理論計算的電池總能量有差別。所以要選擇成組後能最接近目標總電量的單體電池。
（5）電池系統電池包體積及內部空間限制 儘可能不佔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的利用電池箱內有限空間，提高空間體積利用率。
同時，爲了兼顧不同整車廠不同車型的佈置需求，單體電池尺寸設計要做到通用性和標準化。
2.單體電池類型選擇依據
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、循環壽命長、自放電率低等優點，並且具有使用電壓範圍寬、無記憶效應、環境友好等特點，是主流的電動車輛動力電池類型。
主要考慮因素如下：
1）不同類型電動車輛對動力電池需求的差異性。
2）不同電化學體系電池的優劣勢。磷酸鐵鋰LiFePO4/C、鎳鈷錳三元NCM/C、錳酸鋰LMO/C等均不相同。
3）不同結構動力電池自身的差異性（圓柱形、方形硬殼、軟包等），包括電化學電氣性能、安全性、技術和工藝成熟度、成本價格等。
動力電池系統設計示例
1. 純電動乘用車系統參數和方案設計
某綜合工況條件下達到500km續駛里程的純電動乘用車，百公里耗電量約15kW·h。爲其設計的動力電池系統性能參數見表1。
動力電池系統總能量約爲75kW·h，可用能量約爲67.5kW·h。整車選用的電動機和電動機控制器額定工作電壓約爲400V，則電池系統總容量爲
電池系統總容量=總能量/電池系統額定電壓
75 000Wh/400V=187.5A
進而推算出單體電池串並聯方案，見表2。電池系統質量能量密度=總能量/總重量=166Wh/kg，因此應選用具有高能量密度的三元體系鋰離子動力電池。
單體電池額定電壓3.65V，則：
單體電池串聯數量=電池系統額定電壓/ 單體電池額定電壓=400V/3.65V=109.6≈110
單體串聯方案及系統電壓參數見表3。
電池系統峯值功率與總能量比值（P/E）約爲3，所以應選用偏能量型的單體電池。以系統集成效率約爲70%計算，單體電池的比能量應不小於237Wh/kg。
按電池系統使用壽命（10年或24萬km）和循環壽命 (1 500次）要求，選用的單體電池循環壽命應不小於1800次。
由於續駛里程需求的差異性及相關政策驅動等因素影響，整車的純電續駛里程不盡相同，例如400km、500km、600km等。
系統的總容量、單體電池的容量設計和系統串並聯方案見表4。
2. 插電式混合動力乘用車系統參數和方案設計
某綜合工況條件下達到80km續駛里程的插電式混合動力乘用車,百公里耗電量約20kW·h，爲其設計的動力電池系統性能參數見表5。
電池系統峯值功率與總能量比值（P/E）約爲6.5，所以應選用偏功率型的單體電池，按系統集成效率約爲70%計算，則單體電池的比能量應不小於205Wh/kg。
按電池系統使用壽命（10年）和循環壽命（3 000次）要求，選用的單體電池循環壽命應不小於4 000次。
由於不同用戶羣體需求的差異性及政策驅動等因素，整車純電續駛里程也存在不同設計需求，例如60km、80km、100km、120km等。系統的總容量、單體電池的容量設計和系統串並聯方案見表6。
結語
通過將整車動力需求、續駛里程需求、國標要求等信息作爲動力電池系統設計輸入，結合理論計算，完成電池系統參數制定、串並聯方案設計、單體電池類型及容量選型等工作。並以純電動汽車、插電混動汽車爲例，給出了兩類動力電池系統的正向設計思路及方法。對於提高電池系統設計效率、提升整車動力匹配性具有指導意義。
作者單位：威馬汽車科技集團有限公司
本文已在《汽車工藝師》雜誌2020年第 07 期發表，歡迎聯繫小編索取。
