[干货] 电动汽车动力电池系统知识一次看个够

[干货]|电动汽车动力电池系统知识一次看个够！——《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》内容摘选...2017-11-23xmsun2007来源阅12转藏到我的图书馆微信分享：QQ空间QQ好友新浪微博推荐给朋友《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》是继《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》之后，系列丛书的第二本专著，由王芳、夏军等多位专家耗时一年联袂打造,内容涵盖动力电池系统的技术发展综述、系统设计、结构设计、BMS设计、热管理设计、结构仿真分析、测试验证，以及生产制造技术，全方位多角度为读者提供最佳的工程实践参考！第1篇：动力电池系统在整车的安装位置节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第一章“电动汽车动力电池系统技术发展综述”，作者：夏军电动汽车所增加的动力电池系统，由于体积大，重量重，很难在整车上找到非常完美的安装空间，在电池包的布置上，需要考虑以下几个方面：首先，要尽可能的在有限的空间内，布置更多的电量，这样才能达到更大的续航里程，减少充电的频次，任何可以利用的空间，都有利于整车电量的提升。其次，要充分考虑电池包的位置对整车安全性能的影响，尤其是在发生碰撞、翻滚、跌落等极端情况下，电池包是否会因为很大的加速度或严重的挤压变形，发生起火和爆炸，或者是否会有电池包的部件进入乘客舱，引起附加伤害。第三，要充分考虑电池包的重量和形状对整车结构寿命的影响，因为电池包的重量通常达到数百公斤，给整车的底盘和悬挂带来很大的静态载荷和动态载荷，在长时间的振动、冲击条件下，很容易引起整车机械部分的疲劳损伤，降低寿命。第四，要充分考虑电池包的散热条件，尤其是在高温工作条件和高电气载荷工作条件下，电池包会产生大量的热量，如果散热条件不理想，或者靠近热源，会引起电池包的寿命加速衰减。第五，电池包在整车的安装位置，还会影响到整车的轴荷分配和重心，进而影响到整车的驾乘体验和舒适性。我们总结了市场上几款常见的电动汽车产品，将电池包在整车上的装配空间和位置加以概述，以供读者参考。2.3.1工字型和T字形电池包安装早期的电动汽车，都是基于传统的燃油车进行改装，在去掉发动机、变速箱、油箱和一些传动装置，这样整车上空出来的空间，是最适合安装电池包的。图1-32芝诺1E纯电动汽车电池包安装位置华晨宝马芝诺1E纯电动汽车就有一个典型的工字型电池包，在宝马X1车型的基础上，充分挖掘可以利用的布置空间，前后串联的三个高电压蓄电池单元则被安装在车身的前部（前机舱盖下方的发动机位置）、中部（传统的传动轴通道中）和后部（传统燃油箱的位置），这样的设计可以确保更好的前后轴负荷分配，赋予车辆更低的重心，同时让车辆在碰撞发生时更加安全。图1-33VoltT字形电池包及安装位置雪弗兰“沃蓝达”（Volt）是一款典型的T字形电池包布置，因为是一款增程式电动车，因此发动机和油箱仍然保留，设计师充分利用了去掉变速箱和传动轴后的空间和后排座位下面的空间，将电池包设计成一个“T”型。不管是华晨宝马芝诺1E，还是雪弗兰Volt，都是在传统燃油车基础上做了非常小的改动，空间非常有限，能够装载的电池包体积和重量都受限，因此容量不大，续航里程也有限。华晨宝马芝诺1E采用宁德时代（CATL）的磷酸铁锂电池，Pack容量为27kWh，可达到150km的续航里程，第一代雪弗兰Volt车型采用LG的锰酸锂电池，Pack容量为16kWh，纯电续航里程为64km。2.3.2土字形电池包安装要想进一步提升整车的续航里程，就必须要增加整车的电量，有两个可行的途径：提高电池包的能量密度，在同样的空间内存储更多的电量；扩展电池包的空间，增大电池包的体积和重量，进而增加可用电量。一般而言，能量密度的提升是比较缓慢的，受制于动力电池技术的进步速度，很难在短时间内大幅度改善，那么就需要我们在电池包的体积上面做文章，从整车上面挖掘更多的空间，来装载更多的电池，存储更多的电量，从而提升电动汽车的续航里程。图1-34e-Golf土字形电池包及安装位置2015版e-Golf电池包是一个典型的“土”字形结构，充分利用了整车上可以利用的空间。总电量为24.2kWh，总电压为320V，容量为75Ah，电池包重量为313kg，体积为229.4L。2016年起，大众选用新的三元电芯，在原有体积不变的情况下，电池包的总电量达到35.8kWh，整车的续航里程也从134公里提升至200公里。图1-35吉利帝豪EV电池包安装位置吉利帝豪EV车型则是另一款“土”字形电池包的代表，为了装载更多的电池，吉利还对整车的底盘做了二次开发，腾出了更多的形状规则的空间，用于容纳锂离子电池组。2015款的帝豪EV采用了宁德时代的三元电芯，电量为44kWh，续航里程达到250km。2017款的帝豪EV，仍然采用同样的三元电芯，但是对电池包、热管理系统和动力总成做了设计优化，从而使得续航里程达到了300km。“土”字形的电池包，可以将电动汽车的续航里程提升到200~300公里，如果想进一步提升续航里程，就有相当大的难度了，因为整车可拓展的空间已经被挖掘的差不多了。2.3.3一体式（滑板式）电池包安装受限于传统燃油车的结构局限，不管怎样挖掘可用空间，始终不能实现电动汽车的最优化设计。客户对于电动汽车续航里程的需求，已经从100公里、200公里，提升到300公里、400公里，甚至是500公里以上。在这种情况下，电池包和底盘的一体化设计，已经逐渐成为一种必然的趋势。这是一种全新的产品思路，整车的设计需要围绕核心零部件电池包来展开，将电池包进行模块化设计，平铺在车辆的底盘上，以最大限度获得可用空间，调整整车的重心位置，同时还可以利用电池包的结构来加强底盘的强度和刚度，也可以利用整车的框架强化对电池包的结构防护。图1-36一体式电池包安装示例最早采用这种方案来做整车设计的是Tesla，在畅销的ModelS和ModelX车型上，Tesla都采用了电池包和底盘的一体化设计，以达到最优的车辆性能。得益于领先对手的设计思路，ModelS车型可以给用户提供多种规格的电池包容量，从60kWh一直扩展到90kWh，续航里程可以达到惊人的526公里（P90D版本），这是在传统燃油车进行改造所无法达到的。图1-37大众一体式电池包示例在Tesla的成功指引下，大众和宝马等车企也纷纷跟进，推出了自己的一体式电动汽车产品解决方案。大众汽车集团推出了电动汽车专用平台：MEB平台，预计将于2019年投入使用，该平台具有较强的扩展性。这意味着，大众的设计师可以通过改变轴距、轮距以及座椅布局，以应用于更多种类的车辆制造。而安装在底盘上的电池组则尤其引人瞩目，由于完全模块化设计，它允许工程师按照适用车辆的类型来调整电池组的数量和大小，从而满足不同车型的需求。大众汽车集团希望借助MEB平台（电动车模块化平台）将纯电动车的续航里程提升至400~600公里之间，完全可以对标目前的燃油车。新书抢购｜《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》火爆现货抢购中第2篇：我国电动汽车Pack技术发展趋势节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第一章“电动汽车动力电池系统技术发展综述”，作者：夏军电动汽车产品要走入千家万户，在运营市场和个人市场占据非常重要的地位，必然要在续航里程、环境适应性、使用寿命、购置成本等方面能够追赶甚至超越传统的燃油车，这也给电池包的技术发展带来了更高的挑战。4.1我国新能源汽车的发展阶段我国新能源汽车的发展阶段，从2009年开始算起，到2020年，可以大致划分为4个阶段：第一个阶段：2009年~2013年。这个阶段，是技术、产品、用户、市场的积累期，这个阶段的特点是核心技术、产品形态、用户使用习惯等基本上都是空白，到底该怎么搞，大家都不知道。但是有一点是毋庸置疑的，就是一定要发展节能与新能源汽车这个产业，这涉及我国能源安全，事关我国汽车产业能否做强，也是我国制造业转型升级的必由之路。第二个阶段：2014年~2015年。经过第一个阶段的探索，核心技术有了一定的突破，产品形态呈现多种多样的局面，用户也慢慢的接受了新能源汽车这个新鲜事物，最重要的是，由于中央财政补贴和地方财政补贴的双重刺激，吸引了众多的企业和资本进入了这个产业，从而造成了2014年和2015年的井喷式发展。第三个阶段：2016年~2017年（进行中）。我们把这个阶段叫做窗口期，或者摇摆期，是因为这个阶段是政策逐步让位于市场的阶段，但是由于政府对于监管的加强，以及消化前期政策所遗留的额问题需要一定的时间，客观上加剧了产业发展的波动，使得行业的发展在一年当中会出现大起大落的情况。第四个阶段：2018年~2020年（预测）。我们把这个阶段称作突破期，政府建立新能源汽车产业发展的长效机制，补贴政策逐步退出，技术和产品取得重大突破，新能源汽车的市场化运作机制初步建立，从而一举奠定我国新能源汽车产业在全球的领先地位。4.22020年的关键技术目标不同的国家，对于新能源汽车的发展有各自的考虑，选择了适合自己的技术路线。我国新能源汽车产业的发展，在产业目标、市场目标、技术路线等方面都有非常明确的规划，对整个产业的发展起到了非常好的促进作用。这其中有三份比较重要的文件，对动力电池及Pack的技术路线会有很大影响，值得我们关注。2012年6月28日，国务院下达关于印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》的通知。这是我国新能源汽车产业发展过程中最重要的一份纲领性文件，将节能与新能源汽车产业提高了国家战略的高度，对市场、产品、技术都做出了明确的规划。2016年10月26日，受国家制造强国建设战略咨询委员会、工业和信息化部委托，中国汽车工程学会组织逾500位行业专家历时一年研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，本项技术路线图描绘了我国汽车产业技术未来15年发展蓝图，对新能源汽车产业的技术路线做出了更加详细的规划。2017年3月1日，工业和信息化部、发展改革委、科技部以及财政部四部委公布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，以加快提升我国汽车动力电池产业发展能力和水平，推动新能源汽车产业健康可持续发展。这三份文件中，与动力电池及Pack相关的2020年技术指标，如上图所示。要达到上述要求，未来几年在工程技术方面需要有比较大的创新。4.3技术挑战及发展趋势以纯电动乘用车为例，2020年的典型技术参数如下：450km的综合工况续航里程，已经完全可以满足运营市场的需求，达到每天只充一次电的目标，也可以满足个人用户长途驾驶的需要，接近传统燃油车的满油续航里程。车辆使用温度范围广泛，可以适应我国90%以上的国土区域。在快充状态下，可以做到15分钟充满80%的电量，大大缩短充电时间。整车的整备质量小于1.5吨，百公里能耗在15度电以下，进一步提升电动汽车的能量转换效率。为了达到上述技术指标，充分满足市场对于插电式混动汽车和纯电动汽车的需求，Pack技术必须在以下几个方面取得明显的进步。（一）系统集成效率的大幅度提升按照电芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目标来计算，Pack系统的集成效率要做到85%，而当前乘用车Pack的集成效率普遍在65%左右，这意味着集成效率需要大幅度提升，才能达成目标。要提高Pack的集成效率，有两个可行的途径，一是优化Pack内部的结构设计，大幅度减少Pack内部的组件数量，将更多的组件和功能集成在模组和箱体上，从而减轻重量；另一个是采用轻量化的材料，如采用铝型材或复合材料代替高强度钢，采用塑胶件代替金属件等，也可以减轻重量。（二）广泛的温度适应性冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低温下工作，夏天可以经受50℃的地面高温而不趴窝，同时还要承受3~4C的快充，这是电动汽车大范围推广的必要条件。要满足这一要求，高换热系数和快速热交换的液冷/液热系统将成为Pack的标配。液冷/液热系统的设计目标是在-30~50℃环境温度和4C快充工况下，将电池单体的工作温度控制在15~45℃、电池单体间的温差控制在5℃以内。综合运用仿真分析和测试验证等手段，达到液冷/液热系统的最优化设计