搜狐|续驶500km的电动汽车动力电池系统如何设计？

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。分页标题
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 。

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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。

本文插图
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 。

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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 。

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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 。

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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（3000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 。

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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。分页标题
作者单位：威马汽车科技集团有限公司
【搜狐|续驶500km的电动汽车动力电池系统如何设计？】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。