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        新能源汽車的核心部件大剖析:電池系統篇

        作者: 時間:2017-06-07 來源:網絡 收藏
        的選擇和設計

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/201706/350562.htm

        如前文所介紹的情況,各家車廠面臨油耗和排放的挑戰,不斷推出新能源汽車的情況,成了當前汽車電子電氣系統中,一個最為昂貴也最為受人重視的子系統。本文將從的需求、車用電池的狀態,以及當前車廠和電池廠的關系角度來介紹電池系統。


        電池系統是在混合動力、插入式混合動力和純電動汽車中用來存儲電能,并提供給電驅動系統的需要的能量。電池中的電能,其來源主要有三種,電池處在較低的荷電狀態(SOC)時,車輛利用發動機帶動高壓發電機給電池供電;剎車的時候,能量回收的時候的電能以及充電模式下,從電網得來的能量,如圖1所示,在電池的不同的狀態,相應的車輛也處在不同的工作模式下。


        圖1 電池狀態 vs 車輛模式


        電池系統的選擇和設計,很大一部分的參數來自于設計什么樣的車型,不同的車型的規范,將直接決定電池系統和電驅動系統的參數,如下圖2所示,根據所需要開發的新能源車的具體參數,其電池系統的基本規范也可以確定下來。而電池系統的基本構成,粗略的來說是從電池單體開始,構建電池模組,配置合適電子和電氣系統,在電池包層面進行布置和安全分析。


        圖2 車型規范對電池系統規范的轉化

        電池單體的選擇


        1)電池單體的選擇
        從基本來看,電池單體選擇是考慮電池容量、化學體系和單體形狀。
        • 單體類型:可選的有鉛酸、鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)、高溫電池(NaS和NaNiCl2)、液流電池和,從綜合來看,目前只能依靠來作為儲能單元。而離子電池內的化學體系,其參數差異也很大。
        • 密度:對電池來說,兩個比較重要的參數是能量密度(決定存儲電能)和功率密度(決定放電能力),這兩者往往不可兼得。值得注意的是,從電極材料理論密度到單體密度再到電池包密度,由于其他不儲能的部分,這兩個參數往往遞減迅速。
        • 壽命:可分為循環壽命和使用壽命兩個參數。 循環壽命取決于充放電深度、電壓、 溫度和電流(負荷);使用壽命包括不使用的時間,與溫度和電壓有較大的關系。電池老化以后,直接導致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。
        • 熱特性:主要包括低溫特性和高溫特性。低溫的時候,放電的能力對寒冷地區啟動有直接的影響;當電池的工作溫度增加,會大大影響其壽命。熱特性基于形狀。圓柱、軟包和方形的影響較大,后面會有分析。
        • 安全:不同材料對電池單體的安全性差異明顯,一般會對電池安全性進行評估。
        • 成本:單體的成本與極片材料有一定的關聯,電池單體成本因為要符合較高的安全性,所以成本下降并不是很迅速。


        表1 主要特性



        單體形狀相對簡單些,如下表2所示,目前整車企業在努力推動電池單體的尺寸規格的統一,長期來看電池單體成為通用件的可能性很大。

        不同電池形狀優缺點


        表2 不同電池形狀優缺點

        圓柱電池

        軟包電池

        方形電池

        示意圖

        優點

        廣泛于消費領域和第一代混合動力汽車中
        內在安全性高
        不會受潮濕影響

        功率/能量密度高
        冷卻容易(表面)
        連接容易

        堅固
        連接組裝簡單
        圓柱軟包的優點結合

        缺點

        外殼貴
        冷卻困難
        成組起來較為困難
        電池組能量密度可能較低

        脆弱
        密封泄漏存疑

        電池內壓
        冷卻困難
        單體成本較高



        2)單體成組
        電池組的結構拓撲是首先需要解決的問題,這是由于單個電池的容量往往存在限制,想要做到100Ah以上 ,往往對電池單體的要求較高;而系統總的電壓由于安全考慮以及與其他系統匹配,是被限制在750V以下的。


        圖3 結構


        所以構成電池組的拓撲可分為:
        1. 先并后串:由于電池單體的初期差異性小,所以通過匹配容量、內阻和自放電后,將電池并聯后串聯是種比較理想的辦法。走的更遠的是很多個小單體,通過熔絲連接成模組后進行串聯,如Tesla的電池系統。
        2. 先串后并:將電池單體進行串聯連接以后,在系統上將多個電池模組進行并聯使用。這種方法適用于較大容量需求的情況下,比如電動大巴等較大容量的電池系統。由于電池組內單體差異累積,使得電池組的電壓差異較大,并聯連接需要更多的考慮。 并聯連接的硬連接方式,通常是共享DC/DC轉換器,對電流分配無控制(重新連接困然,有可能斷開一個電池包),必須使用同一種電池;獨立電池組整合,可使用獨立轉換器,能進行控制電流分配(有可能斷開一個電池包、重新連接容易),可使用不同電池 。
        3. 混聯:將電池并聯之后串聯,再通過并聯或者串聯的方式進行連接。比如LEAF的2P2S的基本模塊結構
        將電池連接在一起,可以承受總線電流,這又是一項考慮;目前可選的有兩種連接類型:
        1) 螺絲連接:主要應用在圓柱和方形電池中,較為著名的改裝Prius的自然,也是源于螺紋連接質量不太可靠,導致連接阻抗過高發熱所致,車用不可取。
        2) 焊接連接:可用在所有類型的使用上,由于直接將電池單體的導體焊接直連,其連接是穩定的,由于可能存在不同金屬焊接,目前成本較高。
        3)和電氣系統設計


        圖4 一個典型的電池系統


        一般有以下的功能,主要通過電池管理模塊和電池檢測子模塊實現。
        • 監測電池參數:對單體電池(電壓、溫度)和電池系統(電壓、電流、溫度、絕緣電阻)的物理參數采集,這些數據作為對電池系統狀態判斷的基礎。
        • 參數計算:測得物理參數以后,將進行荷電狀態(SOC)、電池健康狀態(SOH)和電池容量等的計算;為了對壽命方面進行保護,需要計算和統計電池的使用情況,往往需要將單次使用的能量、首次使用后總共使用能量和首次使用后的時間進行統計,以評估汽車電動行駛里程和電池壽命情況。
        • 通信:在電池系統內部交換數據并將核心數據傳輸至整車控制器。在電動汽車充電領域中,直流快速充電和車輛和電網電力交換(V2G)和車輛和住宅電力交換(V2H),在這些未來的擴展功能中,BMS的通信功能起到至關重要的功能。
        • 電池安全保護:電池管理是實現功能安全的最重要的部件,其安全保護功能涵蓋故障診斷和處理兩方面內容,包括電池過壓、欠壓、過流、低溫、高溫和短路。
        • 電氣安全保護:一般需要完成高壓互鎖、絕緣檢測或者其他功能。

        由于電池管理系統是整個電池系統的核心管理單元,因此這里的變化也最多一些。有機會,將會單獨介紹和敘述。


        電氣系統一般包括總線連接和配電系統兩部分。電池模塊之間,是通過總線的方式來連接的,一般還會在之間加入一個維修的開關來確保在維護過程中的安全。配電部分,一般由預充電阻、熔絲、正極主繼電器、負極主繼電器、預充繼電器、慢充電繼電器和快充繼電器等部件所組成,如圖5所示。


        圖5 簡易的電池系統概覽

        電池系統安全測試


        4)熱系統設計
        如上所述,由于電池需要在一定的溫度范圍內工作,而汽車的工作溫度范圍則完全取決于使用環境,所以在考慮電池系統的環境使用條件的之后,往往需要一套相對復雜的散熱(加熱)系統來保證其全天候工作。從設計上考慮,冷卻系統分為單體和電池組兩個層次:
        1. 單體級別:考慮的問題是將單體的熱量散步出去,是考慮將單體與冷卻系統進行有效連接。單體與冷卻系統中使用的接口材料,需要從電氣絕緣和熱傳導效率兩個方面去考慮。
        2. 電池組:從系統層面,液冷和風冷是兩個整體性的考慮,需要從系統空間需求、散熱效率和成本等多個方面去綜合考慮。

        在熱系統設計的角度,日系廠商偏向于風冷,歐美企業偏向于液冷。這方面的細節,也是可以單獨拿出來討論的。


        5)安全設計
        電池系統的安全設計,主要分為考慮與整車集成這塊的碰撞考慮還有本身系統的安全評估,測試項目較多,如表3所示。


        表3 電池系統安全測試

        NO

        分類

        測試項

        可參考標準

        1

        濫用測試

        Overcharge

        過充保護

        SAE J2464
        SAE J2929
        FreedomCAR EESS Abuse Test Manual
        IEC 62660-2
        ISO/CD 12405
        UL 2580

        2

        External Short Circuit

        短路保護

        3

        Over discharge

        過放保護

        4

        High Rate Discharge w/o Thermal Management

        快速放電

        5

        Immersion

        浸水測試

        6

        Open Flame Test

        外部火焰測試

        7

        Nail Penetration

        針刺測試

        8

        環境測試

        Humidity Exposure(Dewing)

        濕熱循環

        9

        Thermal Cycling Test

        冷熱沖擊

        10

        High Temperature Stability

        高溫穩定性

        11

        機械測試

        Vibration

        振動測試

        12

        Shock

        機械沖擊

        13

        Drop

        跌落測試

        14

        Crush

        擠壓測試

        15

        Crash

        碰撞測試

        16

        Roll over

        翻車測試

        汽車企業、車型以及電池廠商對比


        以上的內容,大致給了電池系統一個全貌。電池系統是目前新能源汽車的核心關卡,韓國和日本的零部件企業占得先機,如下表4所示。另外一個有趣的現象是,由于這個部件較為昂貴,又是核心的一個子系統單元,汽車廠商與電池供應商之間,也存在一個博弈過程。如上所述,愿意投入的汽車廠商,是采購電池單體,然后進行子系統設計,甚至完成電池單體成組的一系列工作。不愿意投入的企業,直接花錢買個解決方案往車上安裝即可。

        表4 汽車企業、車型以及電池廠商對應表

        汽車企業

        類型

        車型

        電池供應商

        本田

        HEV

        Honda Accord Hybrid 2014,Honda Civic Hybrid 2013,Honda CR-Z Hybrid 2014,Acura ILX 2014

        Blue Energy

        HEV

        Honda Insight Hybrid 2014

        Sanyo

        PHEV

        Honda Accord Plug-In 2014

        Blue Energy

        BEV

        Honda Fit-EV 2013

        Toshiba

        大眾

        HEV

        Audi Q5 Hybrid 2014,Porsche Cayenne S Hybrid 2013,Volkswagen Jetta Hybrid,Volkswagen Touareg Hybrid

        Sanyo

        PHEV

        Porsche Panamera S E-Hybrid 2014

        BEV

        Volkswagen e-Golf 2014
        Volkswagen e-Up 2014

        寶馬

        HEV

        BMW ActiveHybrid 3 2014,BMW ActiveHybrid 5 2014,BMW ActiveHybrid 7 2014

        A123

        PHEV

        BMW i8 2014

        Samsung SDI

        BEV

        BMW i3 2014,

        通用

        HEV

        Buick LaCrosse eAssist 2014,Buick Regal eAssist 2014,Chevrolet Impala ECO 2014

        Hitachi

        PHEV

        Cadillac ELR 2014,Chevrolet Volt 2014

        LG Chem

        BEV

        Chevrolet Spark EV 2014

        A123

        福特

        HEV

        Ford C-Max Hybrid 2014 1.4 Li-ion,Ford Fusion Hybrid 2014 1.4 Li-ion Panasonic,Lincoln MKZ Hybrid 2014

        Panasonic

        PHEV

        Ford C-Max Energi 2014
        Ford Fusion Energi 2014

        Panasonic

        BEV

        Ford Focus Electric 2013 23 Li-ion

        LG Chem

        現代

        HEV

        Kia Optima 2013
        Hyundai Sonata Hybrid 2013

        LG Chem

        BEV

        Kia Soul EV 2015

        SK Innovation

        日產

        HEV

        Nissan Pathfinder Hybrid 2014
        Infiniti QX60 Hybrid 2014

        Hitachi

        HEV

        Infiniti M Hybrid 2014
        Infiniti Q50 Hybrid 2014

        AESC

        BEV

        Nissan Leaf 2013

        AESC

        豐田

        HEV

        Lexus CT 200h 2014,Lexus ES 300h 2014,Lexus GS 450h 2014,Lexus LS 600h L 2014,Lexus RX 450h 2014
        Toyota Avalon Hybrid 2014,Toyota Camry Hybrid 2014,Toyota Highlander Hybrid 2014,Toyota Prius 2014
        Toyota Prius c 2014,Toyota Prius v 2014

        Primearth
        EV Energy

        PHEV

        Toyota Prius Plug-In 2013

        Panasonic

        BEV

        Toyota RAV 4 EV 2013

        Tesla/Panasonic

        戴姆勒

        HEV

        Mercedes-Benz E400 Hybrid 2014

        Johnson Controls

        BEV

        Mercedes-Benz B-Class EV 2014

        Tesla/Panasonic

        BEV

        Smart For Two Electric Drive 2013

        Deutsche ACCUmotive

        菲亞特

        BEV

        Fiat 500e 2014

        Bosch/Samsung

        特斯拉

        BEV

        Tesla Model S 2013

        Panasonic

        三菱

        BEV

        Mitsubishi iMiEV 2014

        Toshiba, Lithium Energy Japan

        PHEV

        Mitsubishi Outlander 2015 12 Li-ion

        Lithium Energy Japan



        參考文獻
        1. Battery Requirements for Plug-In Hybrid Electric Vehicles Analysis and Rationale Ahmad Pesaran
        2. Energy Storage Systems for Electric Vehicles Battery types, System sizing, Design of battery systems Benedikt Lunz, Dirk Uwe Sauer
        3. Vehicle Battery Safety Roadmap Guidance Daniel H. Doughty, Ph.D. Battery Safety Consulting
        4. 2013 Vehicle Technologies Market Report Oak Ridge National Laboratory

        與非網原創內容,未經許可,不得轉載

        》之一:汽車電子的未來不容樂觀

        》之二:在中國買得起電動汽車未必辦得下充電證!

        》之三:箭在弦上,汽車廠商生死存亡命系新能源汽車的開發



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