電池系統(tǒng)的案例
刀片電池系統(tǒng)的拆解2 電池管理系統(tǒng)設(shè)計
7月份寫了這篇文章《刀片電池系統(tǒng)的拆解1 電子電氣設(shè)計》，今天接著梳理一下電池管理系統(tǒng)。我盡量客觀地分享，歡迎大家在留言區(qū)暢所欲言。
一、刀片電池系統(tǒng)的采樣線路
（1）從整體的基本線路連接來看，刀片電池系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點，是在電芯層面提高集成效率，也正是這樣，比亞迪似乎把CMU這個部件當(dāng)導(dǎo)線來用，如下圖所示。
圖1 EV的刀片系統(tǒng)在采樣系統(tǒng)環(huán)節(jié)省略了采樣線
這個電池系統(tǒng)由于長度很長，用了大量的PCB來實現(xiàn)連接的功能（每塊CMU有22個采樣點，可實現(xiàn)11節(jié)電池的采樣），由于刀片電池是多節(jié)串聯(lián)，所以使用的CMU是根據(jù)總電量和串?dāng)?shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。
圖2 CMU的情況
（2）CMU的設(shè)計
下面有一張圖，CMU通過激光焊接的方式固定在了電芯的輸出極上面，也達(dá)到了把CMU支撐起來的效果。整塊板主要包含AFE和菊花鏈的芯片。在這里最重要的是，比亞迪把均衡電路給干掉了，沒有放電電阻、沒有控制放電電阻的三極管。只保留輸入的濾波電路和通信電路。這個CMU的設(shè)計，有幾點特殊的地方：
均衡電路的設(shè)計
似乎也沒有電芯溫度的采樣，只靠AFE的板載溫度傳感器來替代
備注：這個可以大家一起來討論下，從長期的演進(jìn)來看，BMS不帶均衡可以么？比亞迪在三元版本的產(chǎn)品中還是帶著均衡電路的，到了刀片電池的版本
圖3 刀片電池系統(tǒng)的CMU
二、主控電路
我目前找到的資料顯示，刀片電池系統(tǒng)主要分兩個版本，分別為3連接器和4連接器。兩個版本相同的部分是：CMU通信電路接口、對外通信控制接口、兩個繼電器控制和電流Shunt的接口三部分。
展開 乘車用燃料電池系統(tǒng)驗證體系研究
3 建立燃料電池系統(tǒng)驗證體系的目的
燃料電池系統(tǒng)作為燃料電池車的核心系統(tǒng)之一，在燃料電池系統(tǒng)研發(fā)過程中，構(gòu)建全面完整的燃料電池系統(tǒng)驗證體系，可以更好的規(guī)范和指導(dǎo)燃料電池系統(tǒng)的驗證工作，在系統(tǒng)級產(chǎn)品研發(fā)階段驗證、及發(fā)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計、工藝、安全以及法規(guī)等風(fēng)險。因此，各車企在燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)的過程中，不但要借鑒國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)體系，而且要構(gòu)建符合企業(yè)要求的燃料電池系統(tǒng)驗證體系，用來指導(dǎo)各自燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)。
4 燃料電池系統(tǒng)驗證體系建立的原則
首先，必須基于整車設(shè)計目標(biāo)角度分析，并結(jié)合實際可行性來構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)驗證項目。因此，從匹配性、功能性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)境可靠性測試和耐久性6個維度構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)驗證體系（圖1）；其次，必須結(jié)合燃料電池整車驗證體系和零部件驗證體系來構(gòu)建燃料電池系統(tǒng)的驗證體系，比如有些執(zhí)行性差的項目可以考慮用零部件或者整車驗證項目替代；最后，燃料電池系統(tǒng)的驗證體系同其他體系一樣，必須具備相應(yīng)的全面性、合理性和可行性，才能在燃料電池系統(tǒng)開發(fā)環(huán)節(jié)中有效地開展相關(guān)驗證工作。
5 燃料電池系統(tǒng)驗證體系
5.1 匹配性驗證
每輛車都有其整車整備質(zhì)量管理目標(biāo)，并會分解到各子系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)為滿足整車整備質(zhì)量要求，開發(fā)時都會設(shè)置各子系統(tǒng)質(zhì)量設(shè)計目標(biāo)。同時，質(zhì)量也是燃料電池系統(tǒng)功率密度計算的重要參數(shù)，高水平的整車輕量化是高功率密度的基礎(chǔ)。燃料電池系統(tǒng)的匹配性驗證必須包括質(zhì)量測量。另外，為了滿足整車布置空間，對于集成度高的燃料電池系統(tǒng)應(yīng)該測量其整體尺寸是否滿足要求。對于集成度不高的燃料電池系統(tǒng)可以考慮零部件角度測量驗證。
5.2 功能性驗證
根據(jù)燃料電池車的整車動力性要求，燃料電池系統(tǒng)的功率、起動特性功能必須滿足整車動力性要求。從整車動力性角度分解，燃料電池系統(tǒng)的功率特性、起動特性、穩(wěn)態(tài)特性以及動態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)納入關(guān)鍵功能性指標(biāo)。
展開 動力電池熱管理系統(tǒng)性能試驗方法
3.3 主動式熱管理系統(tǒng) active thermal management systems
基于熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，使用耗能部件消耗能量完成熱量輸入輸出交換的系統(tǒng)。主動式熱管理系統(tǒng)包括主動空氣冷卻加熱系統(tǒng)和主動液體冷卻加熱系統(tǒng)兩種，根據(jù)需要采用流體串行流動和并行流動兩種方式實現(xiàn)熱交換。
3.4 主動式空氣冷卻加熱系統(tǒng) Active Air Cooling and Heating Systems
又稱風(fēng)冷系統(tǒng)，利用空氣作為熱量交換載體控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常使用風(fēng)扇和管道完成空氣在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。空氣可以從電池系統(tǒng)外部進(jìn)入并排出電池系統(tǒng)外，也可以在電池系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)實現(xiàn)電池冷卻或加熱功能；若空氣僅在電池內(nèi)部循環(huán)，則電池系統(tǒng)內(nèi)部通常需要有空氣冷卻裝置（通常為空調(diào)蒸發(fā)器）、空氣加熱裝置和空氣循環(huán)風(fēng)扇。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于10W的電池。
3.5 主動式液體冷卻加熱系統(tǒng) Active Liquid Cooling and Heating Systems
又稱液冷系統(tǒng)，利用冷卻液作為熱量交換載體控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。冷卻液可以通過低溫散熱器冷卻加熱，也可以通過整車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)的冷卻器冷卻和加熱器加熱。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于20W的電池。
3.6 制冷劑式冷卻系統(tǒng) Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統(tǒng)，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的間接接觸式系統(tǒng)，也可稱為冷媒直冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常與整車空調(diào)系統(tǒng)集成。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于35W的電池。
展開 動力電池熱管理系統(tǒng)性能試驗方法
3.3 主動式熱管理系統(tǒng) active thermal management systems
基于熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，使用耗能部件消耗能量完成熱量輸入輸出交換的系統(tǒng)。主動式熱管理系統(tǒng)包括主動空氣冷卻加熱系統(tǒng)和主動液體冷卻加熱系統(tǒng)兩種，根據(jù)需要采用流體串行流動和并行流動兩種方式實現(xiàn)熱交換。
3.4 主動式空氣冷卻加熱系統(tǒng)Active Air Cooling and Heating Systems
又稱風(fēng)冷系統(tǒng)，利用空氣作為熱量交換載體控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常使用風(fēng)扇和管道完成空氣在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。空氣可以從電池系統(tǒng)外部進(jìn)入并排出電池系統(tǒng)外，也可以在電池系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)實現(xiàn)電池冷卻或加熱功能；若空氣僅在電池內(nèi)部循環(huán)，則電池系統(tǒng)內(nèi)部通常需要有空氣冷卻裝置（通常為空調(diào)蒸發(fā)器）、空氣加熱裝置和空氣循環(huán)風(fēng)扇。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于10W的電池。
3.5 主動式液體冷卻加熱系統(tǒng)Active Liquid Cooling and Heating Systems
又稱液冷系統(tǒng)，利用冷卻液作為熱量交換載體控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。冷卻液可以通過低溫散熱器冷卻加熱，也可以通過整車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)的冷卻器冷卻和加熱器加熱。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于20W的電池。
3.6 制冷劑式冷卻系統(tǒng) Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統(tǒng)，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的間接接觸式系統(tǒng)，也可稱為冷媒直冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常與整車空調(diào)系統(tǒng)集成。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于35W的電池。
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新能源汽車動力電池系統(tǒng)電性能試驗研究
動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車核心三電部件之一，其電性能將直接影響整車的動力性與續(xù)駛里程指標(biāo)。因此，試驗驗證動力電池系統(tǒng)的電性能在新能源汽車的設(shè)計開發(fā)過程中顯得尤為重要。
本文以某公司純電動廂式輕卡用動力電池系統(tǒng)為研究對象，以國家標(biāo)準(zhǔn)31467.2為依據(jù)，分別從容量和能量、功率和內(nèi)阻以及能量效率等5個維度試驗研究其電性能并最終給出試驗結(jié)論，以評估該動力電池系統(tǒng)的電性能。
1 動力電池系統(tǒng)電性能試驗方法
1.1 試驗對象
動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的儲能系統(tǒng)，是車輛重要的能量來源。測試用動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如下圖1所示，其技術(shù)參數(shù)如下表1所示。
該動力電池系統(tǒng)包括兩個蓄電池包（每個蓄電池包由1P6S和1P7S兩種規(guī)格的蓄電池模塊串聯(lián)而成）、一個高壓盒（內(nèi)含電池管理系統(tǒng)（BMS）、高壓和絕緣檢測模塊以及保險絲和繼電器等部件）和若干動力線束、通訊線束等，通過CAN網(wǎng)絡(luò)與整車進(jìn)行通訊。
1.2 試驗原理
動力電池系統(tǒng)電性能試驗原理如下圖2所示。BMS通過CAN總線與動力電池綜合性能測試系統(tǒng)建立通訊，并將動力電池系統(tǒng)的電壓、電流和溫度等信息上報。上位機(jī)PC對測試系統(tǒng)的輸出電壓、電流及BMS上報信息進(jìn)行同步儲存，并將動力電池系統(tǒng)的單體電壓和溫度等信息作為工況截止條件，實現(xiàn)準(zhǔn)確判定并自動進(jìn)行工步跳轉(zhuǎn)。將動力電池系統(tǒng)布置在步入式高低溫交變濕熱試驗箱中，可測試其在不同環(huán)境溫度下的電性能。
1.3 試驗項目
目前有關(guān)動力電池系統(tǒng)電性能測試的主要依據(jù)是GB/T31467.1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分：高功率應(yīng)用測試規(guī)程》和GB/T31467.2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分高能量：應(yīng)用測試規(guī)程》這兩個國家標(biāo)準(zhǔn)。
展開 電池系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計解析
電池管理系統(tǒng)在硬件上可以分為主課模塊和從控模塊兩大塊。主要由數(shù)據(jù)采集單元（采集模塊）、中央處理單元（主控模塊）、顯示單元、均衡單元檢測模塊（電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、漏電檢測）、控制部件（熔斷裝置、繼電器）等組成。在動力電池管理系統(tǒng)中的軟件設(shè)計功能一般包括電壓檢測、溫度采集、電流檢測、絕緣檢測、SOC 估算、CAN 通訊、放電均衡功能、系統(tǒng)自檢功能、系統(tǒng)檢測功能、充電管理、熱管理等。整體的設(shè)計指標(biāo)包括最高可測量總電壓、最大可測量電流、SOC估算誤差、單體電壓測量精度、電流測量精度、溫度測量精度、工作溫度范圍、CAN通訊、故障診斷、故障記憶功能、在線監(jiān)測與調(diào)試功能等。
3.熱管理系統(tǒng)的設(shè)計
電池熱管理系統(tǒng)是從使角度出發(fā)，用來確保電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍內(nèi)的一套管理系統(tǒng),主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備等部件構(gòu)成。電池熱管理系統(tǒng)有如下幾項主要功能:(1)電池溫度的準(zhǔn)確測量和監(jiān)控；(2)電池組溫度過高時的有效散熱和通風(fēng)；(3)低溫條件下的快速加熱,使電池組能夠正常工作；(4)有害氣體產(chǎn)生時的有效通風(fēng)；(5)保證電池組溫度場的均勻分布。
在進(jìn)行電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計時，一般設(shè)計要求有如下幾個方面：
·電池滿功率工作的溫度區(qū)間定義及電池降功率工作區(qū)間定義。具備電池低溫啟動性能要求及電池隔熱功能。
·電池制冷和制熱功能：電池系統(tǒng)需要設(shè)計在低溫下能夠快速升溫, 以達(dá)到整車大功率和能量的需求, 或者整車熱管理系統(tǒng)采用空調(diào)系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)冷卻水來維持電池系統(tǒng)在最優(yōu)的工作溫度區(qū)間。而采用主動方式還是被動方式的加熱和散熱，效率會有很大差別。
·制冷和制熱方案, 如風(fēng)冷或液冷。風(fēng)冷方案設(shè)計主要考慮電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計, 風(fēng)道, 風(fēng)扇的位置及功率的選擇, 風(fēng)扇的控制策略等。液冷方案設(shè)計主要考慮冷卻管道, 流場, 進(jìn)出口冷卻劑的流量、溫度、壓降。水泵及整車空調(diào)壓縮機(jī)的控制策略等。
展開 燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵部件
1 燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型燃料電池動力系統(tǒng)中的二次儲能電池可以有多種類型,包括鋰離子電池?鎳氫電池和超級電容器等?因此,燃料電池動力系統(tǒng)存在多種構(gòu)型方案,目前常用的燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型方案見表2?
表2 常用的燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型方案
1.1 單一燃料電池構(gòu)型
單一燃料電池構(gòu)型只包含燃料電池一個能量源,單一燃料電池動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括燃料電池系統(tǒng)?整車控制器?DC/DC?逆變器和電機(jī)等部件?汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)?燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能傳給驅(qū)動電機(jī),驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再傳給傳動系統(tǒng),從而驅(qū)動汽車前進(jìn)?
圖1 單一燃料電池動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
燃料電池輸出電壓一般比電動汽車動力總線電壓要低,特性比較軟,即隨著輸出電流的增加,電壓下降幅度比較大,為實現(xiàn)燃料電池輸出電壓與動力總線電壓匹配,就需要一個DC/DC(直流/直流)變換器?同時,DC/DC變換器可以對燃料電池最大輸出電流和功率進(jìn)行控制,起到保護(hù)燃料電池系統(tǒng)的目的?
1.2 燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型
該種構(gòu)型有多種分類標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)是香插電可分為插電型和不插電型:根據(jù)配備的燃料電池和動力蓄電池的功率等級的差異,可分為能量混合型和功率混合型:根據(jù)燃料電池是否與直流母線直接連接,可分為直接型和間接型?
1.2.1 不插電型和插電型
不插電型燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-2所示?該動力系統(tǒng)中,燃料電池系統(tǒng)為主要動力源,動力蓄電池配合燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行混合驅(qū)動,電能經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動系統(tǒng)?加速時,電池組和燃料電池堆共同輸出能量,保證整車的加速性能,由于電池組提供了部分能量,減輕了電池堆瞬時加速時的負(fù)擔(dān),避免陰極“氧氣饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生,可延長電池堆壽命?制動時,電池組回收部分能量,此過程由電池管理系統(tǒng)控制?
圖2 不插電型燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
展開 燃料電池系統(tǒng)FCCU功能詳解
03/燃料電池子系統(tǒng)及FCCU功能介紹
燃料電池系統(tǒng)可以大致劃分為以下子系統(tǒng)，分別為：1.陰極空氣子系統(tǒng)；負(fù)責(zé)控制提供足量氧氣來滿足功率需求。2.陽極氫氣子系統(tǒng)；負(fù)責(zé)控制提供足量氫氣來滿足功率需求。3.水熱管理子系統(tǒng)；負(fù)責(zé)控制燃料電池系統(tǒng)水熱平衡。4.輔助電器子系統(tǒng)：除了提供所需的燃料和氧氣外，還需要輔助電力來支持啟動、調(diào)節(jié)溫度、處理過程中的變化以及車內(nèi)設(shè)備等。
輔助電力系統(tǒng)通常由電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器等組成。5.控制子系統(tǒng)：燃料電池堆的穩(wěn)定運行需要精確的電子控制系統(tǒng)來確保各系統(tǒng)部件之間的相互協(xié)調(diào)和安全可靠的工作。該系統(tǒng)包括流量控制閥門、溫度控制器、壓力傳感器、控制器和監(jiān)測系統(tǒng)等。流量調(diào)節(jié)閥門用于控制氫氣和空氣進(jìn)入燃料電池堆的速率，保持所需的功率輸出。溫度控制用于監(jiān)測和控制燃料電池堆內(nèi)部的溫度，以確保在足夠溫度下執(zhí)行反應(yīng)。壓力傳感器用于監(jiān)測各氣流的壓強(qiáng)，以確保其正常操作。
以下對燃料電池核心技術(shù)之一控制子系統(tǒng)進(jìn)行說明。控制子系統(tǒng)按照功能劃分，大致可以分為以下功能：
1.數(shù)據(jù)采集功能：通過使用不同的傳感器，檢測燃料電池系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的實時狀態(tài)，包括氫氣和氧氣流量、壓力、燃料電池堆溫度、濕度、壓力、電壓、電流等。
展開 大眾擴(kuò)建布倫瑞克工廠 電池系統(tǒng)年產(chǎn)能將達(dá)60萬套
蓋世汽車訊 4月15日，大眾集團(tuán)宣布將擴(kuò)建布其倫瑞克（Braunschweig）零部件工廠，使其產(chǎn)量翻倍，屆時每年將能夠生產(chǎn)50萬套MEB電池系統(tǒng)，以及為非MEB平臺車型額外生產(chǎn)10萬套電池系統(tǒng)，其中包括一些混合動力車。
布倫瑞克工廠（圖片來源：大眾）
據(jù)大眾官網(wǎng)信息，布倫瑞克工廠目前正以年產(chǎn)25萬套電池系統(tǒng)的產(chǎn)能運營，此次擴(kuò)建將使MEB平臺配套的電池系統(tǒng)產(chǎn)量翻倍至50萬套。大眾集團(tuán)零部件公司CEO兼集團(tuán)技術(shù)管理委員會成員Thomas Schmall表示：“市場對于大眾基于模塊化電動矩陣打造的電動車具有強(qiáng)勁需求，一期擴(kuò)建的生產(chǎn)線正滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，因此我們開啟了二期擴(kuò)建。電池系統(tǒng)支撐著大眾集團(tuán)空前的電氣化運動，因此布倫瑞克工廠被賦予了關(guān)鍵角色。”
未來，大眾集團(tuán)布倫瑞克工廠將成為一個巨大的電池制造中心。除了電池系統(tǒng)，該廠還生產(chǎn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動盤、懸架支撐、車輪軸承殼、車輪驅(qū)動、副車架以及前后軸。
大眾似乎并不滿足于50萬套MEB電池系統(tǒng)和10萬套其他類型電池系統(tǒng)，該公司已經(jīng)正致力于三期擴(kuò)建。事實上，布倫瑞克工廠已經(jīng)獲準(zhǔn)擴(kuò)大其插電式混動車的生產(chǎn)能力。目前，這家工廠每年可以生產(chǎn)5萬多套混動電池系統(tǒng)，到2023年，這一數(shù)字預(yù)計將增加到近30萬套。
-END-
展開 詳解電動汽車的電池管理系統(tǒng)（附案例分析）
由于汽車電氣化的水平發(fā)展，乘用車用電池管理系統(tǒng)，未來可以在低壓啟動電池(12V&48V)和高壓HEV電池(1kwh~1.5kwh)和PHEV電池(4～18kwh)和BEV電池(20～85kwh)等電池系統(tǒng)里面看得到。低壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)差異很大。電池系統(tǒng)差異在各個車廠和各個應(yīng)用平臺之間都比較大，各個企業(yè)有自己的風(fēng)格，本文主要通過對不同廠家的產(chǎn)品做資料分析，根據(jù)各個車廠未來應(yīng)用的內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)按照目前的模塊化策略，來整合分析電池管理系統(tǒng)。應(yīng)該說未來各家車廠設(shè)計理念的演變，使得高壓電池系統(tǒng)是有一定的相似性的，這里主要敘述高壓電池包里面的電池管理系統(tǒng)的一些情況。整篇文章將涵蓋電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、集中式管理系統(tǒng)案例分析、分布式管理案例分析和產(chǎn)品設(shè)計的幾點考慮幾個部分。
第一部分 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電池管理系統(tǒng)有三種不同的構(gòu)型，我們可以稱為集中式管理系統(tǒng)、半分布式管理系統(tǒng)和分布式管理系統(tǒng)。
1)集中式管理系統(tǒng)(大BMS方式)：這種管理架構(gòu)，是將所有的采集單體電壓&電壓備份和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，由整車控制器直接控制繼電器控制盒。大部分低壓的HEV都是這樣的結(jié)構(gòu)，PHEV和EV典型的應(yīng)用如LEAF、Cmax等。這樣做的優(yōu)點，是相對而言比較簡單，成本較低，由于采集備份在同一塊板上，之間的通信也簡化了。缺點當(dāng)然是很明顯的，單體采樣的線束比較長，導(dǎo)致采樣導(dǎo)線的設(shè)計較為復(fù)雜，長線和短線在均衡的時候?qū)е骂~外的電壓壓降；整個包的線束排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。這種方式成本低，但是適用性也比較差，性能有些地方?jīng)]法保證，只能適用于較小的電池包。
展開 基于Star-CCM+動力電池液冷系統(tǒng)熱管理仿真完整攻略
一般情況下， 電池系統(tǒng)在特定環(huán)境溫度下運行特定工況時，液冷系統(tǒng)需要將電芯自身的溫度控制在45°C以下或者將電芯自身的溫升控制在10°C以下，從而保證電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命要求。
2）電芯之間溫差控制
電池在充電、放電和靜置等過程中的電化學(xué)反應(yīng)和自放電反應(yīng)速率都會受到電池溫度的影響。當(dāng)電池系統(tǒng)中的電池單體間出現(xiàn)溫度不均衡時，電池的電化學(xué)反應(yīng)和自放電反應(yīng)的速率也會出現(xiàn)不均衡，這種不均衡會導(dǎo)致電池單體間的循環(huán)壽命、容量和內(nèi)阻出現(xiàn)差異。因此，應(yīng)根據(jù)壽命一致性要求和BMS控制的要求確定電池單體間允許的最大溫差。一般情況下，電池系統(tǒng)在特定環(huán)境溫度下運行特定工況時，液冷系統(tǒng)需要將電芯之間的溫差控制在5 °C以內(nèi)，從而保證電池系 統(tǒng)的一致性要求。
3)系統(tǒng)壓降控制
冷卻液流過液冷系統(tǒng)時，由于流體存在黏性，流體與管槽內(nèi)壁以及流體與流體之間存在著摩擦阻力，這會消耗一部分能量。這一部分能量消耗主要表現(xiàn)為液冷系統(tǒng)冷卻液進(jìn)出口壓力下降。為了補充這一部分壓降，循環(huán)液回路中的泵需要提供相應(yīng)的升力。液冷系統(tǒng)的壓降值需要根據(jù)泵的揚程來確定：在大多數(shù)情況下系統(tǒng)的壓降一般控制在20?30 kPa范圍內(nèi)；但對于采用圓柱電芯的電池系統(tǒng)來說, 它的液冷系統(tǒng)的壓降一般會在60-70 kPa范圍內(nèi)。
2、總體方案設(shè)計
液冷系統(tǒng)總體方案設(shè)計在整個電池系統(tǒng)設(shè)計過程中起到承上啟下的作用。
一方面，液冷系統(tǒng)作為電池系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它的總體方案設(shè)計需要與電池系統(tǒng) 的方案設(shè)計匹配，并與電池系統(tǒng)方案設(shè)計同步完成。另一方面，液冷系統(tǒng)總體方案作為各液冷子系統(tǒng)和液冷零部件的總括，它需要保證所有液冷子系統(tǒng)和液冷零部件能協(xié)同動作。一般情況下，液冷系統(tǒng)的總體方案需要包括如下內(nèi)容：傳熱路徑概念設(shè)計、液冷回路概念設(shè)計、液冷板概念設(shè) 計、冷卻策略概念設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)概念設(shè)計等。
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讀者投稿｜關(guān)于純電動汽車電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
第一部 電芯技術(shù)篇
動力電池系統(tǒng)是儲能汽車的儲能裝置，是一種集機(jī)械，電化學(xué)和熱力學(xué)等學(xué)科為一體的復(fù)雜的工程系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上來講包含電芯，電池模組，電池包，電池管理控制系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓插件和線束連接，高壓控制盒。如圖1寶馬ix3電池系統(tǒng)。
圖1 寶馬ix3電池系統(tǒng)
從成本上講，如圖2，電池系統(tǒng)的成本分布圖。
圖2 純電動汽車電池系統(tǒng)成本分布圖
（數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)）
動力電池系統(tǒng)的三大關(guān)鍵技術(shù)，包含的關(guān)鍵技術(shù)如圖1。此次計劃圍繞這純電動汽車動力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)開展系列文章，目的是梳理目前一些技術(shù)瓶頸以及探討當(dāng)前市場上的應(yīng)對方案，希望能夠?qū)Υ蠹矣幸欢ǖ膸椭?圖3 純電動汽車電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)電芯的成本分布圖可知，電芯的成本占電池系統(tǒng)最大。動力電池結(jié)構(gòu)通常包括正極，負(fù)極，隔膜，電解液和鋁塑膜等。
高能電池的開發(fā)首先從尋找高比能量的電極材料開始。在所有金屬元素中，鋰的相對原子質(zhì)量最小、密度最小、電極電位最負(fù)，因此，以金屬鋰為負(fù)極的電池具有最高的工作電壓、最大的比能量。再加上鋰高分子電池的發(fā)明，使用高分子電解質(zhì)不但沒有漏液的問題，而且由于鋰離子電池具有優(yōu)異的電性能及安全、無公害，形狀有高度的可塑性等特點，符合電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求，所以鋰離子電池廣泛應(yīng)用于動力電池生產(chǎn)領(lǐng)域。如圖4。
圖4 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
●電芯選型對比
根據(jù)電池的外觀形狀可以分為圓柱形電池，方殼電池，軟包電池三類。鋰離子電池，根據(jù)正極材料的不同可以分為如下五種磷酸鐵鋰，三元（鎳鈷錳NCM）,錳酸鋰，磷酸錳鐵鋰，鈦酸鋰。
展開 小鵬P5的電池系統(tǒng)
昨天小鵬P5正式公布價格，同時進(jìn)一步地公布一點電池系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，我根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)做一些整理。
從總體來看，這一代的電池是小鵬從G3圓柱、G3方殼標(biāo)準(zhǔn)模組到大模組CTP的一次迭代。
圖1 小鵬在G3和P5平臺上的電池迭代
一、電池系統(tǒng)
在新聞稿里面，小鵬P5采用最新自研的安全電池，不僅具有-30℃~55℃的超寬溫度范圍，和最高等級的IP68防塵防水能力，同時在電池包的結(jié)構(gòu)安全上，還集成了護(hù)板裝甲防磕碰。在小鵬的環(huán)評信息中，披露了這么幾個數(shù)據(jù)：
磷酸鐵鋰 55.9千瓦時，分成三個公告號，對應(yīng)450、460和470公里，電池的型號是TPLi0555-393/寧德時代新能源科技股份有限公司；
三元 66.2千瓦時，分成兩個公告號，對應(yīng)535公里和550公里 ，電池的型號是TPLi0662-381/寧德時代新能源科技股份有限公司；
三元 71.4千瓦時，分成兩個公告號，對570和600公里，電池的型號是TPLi0714-382/寧德時代新能源科技股份有限公司；
備注：這個型號和能量幾乎是一一對應(yīng)的。
下圖的設(shè)計方式，是8個雙排大模組，根據(jù)下面這張圖似乎是12個電芯，再加上頂部一長串的預(yù)計10個電芯左右，構(gòu)成了106串左右的方案。在下面的圖里面，一整塊非常完整的水冷板是比較鮮明的特點。
圖2 小鵬P5的電池系統(tǒng)
從渲染圖來看，這個電池系統(tǒng)的BDU保持了一定程度的修改，特別是高壓連接器鎖在了電池殼體上，然后和BDU相連。
圖3 小鵬的上一代BDU
從目前發(fā)布的信息來看，也沒有特別的注意點。
展開 淺淡電動汽車電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)
此外，在低溫環(huán)境下充電容易在負(fù)極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負(fù)極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負(fù)極短路，威脅電池使用安全，電動汽車電池系統(tǒng)低溫充電安全問題極大的制約了電動汽車在寒冷地區(qū)的推廣。
因此為了提高整車性能，使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命，就需要優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu)，設(shè)計能夠適應(yīng)高溫和低溫的電動汽車電池包熱管理系統(tǒng)BTMS。
電動汽車電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)現(xiàn)狀
動力電池散熱研究可分為空氣散熱、液冷散熱、固體相變材料散熱和熱管散熱等方式，現(xiàn)有主要散熱技術(shù)以前三種為主。
空冷式散熱系統(tǒng)
空冷式散熱系統(tǒng)也叫風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)。空冷式的散熱方式最為簡單，只需要讓空氣流經(jīng)電池表面帶走動力電池所產(chǎn)生的熱量，達(dá)到對動力電池組散熱的目的。根據(jù)通風(fēng)措施的不同，空冷式又有自然對流散熱和強(qiáng)制通風(fēng)散熱兩種方式。
自然對流散熱不依靠外部附加的強(qiáng)制通風(fēng)措施（如加風(fēng)機(jī)等），只是通過電池包內(nèi)部流體自身因溫度變化而產(chǎn)生的氣流進(jìn)行冷卻散熱的系統(tǒng)。
強(qiáng)制對流冷卻散熱系統(tǒng)是在自然對流散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了相應(yīng)的強(qiáng)制通風(fēng)技術(shù)的散熱系統(tǒng)。
當(dāng)前動力電池空冷式散熱主要有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種系統(tǒng)。但該種方式效果較差，且很難達(dá)到較高的電池均溫性。串聯(lián)風(fēng)冷散熱/并聯(lián)風(fēng)冷散熱
液冷式散熱系統(tǒng)
動力電池的液冷式散熱系統(tǒng)是指制冷劑直接或間接地接觸動力電池，然后通過液態(tài)流體的循環(huán)流動把電池包內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶走達(dá)到散熱效果的一種散熱系統(tǒng)。制冷劑可以是水、水和乙二醇的混合物、礦物質(zhì)油和R134a等，這些制冷劑擁有較高的導(dǎo)熱率，可以達(dá)到較好的散熱效果。
當(dāng)前動力電池的液冷技術(shù)也擁有了相當(dāng)成熟的技術(shù)，在電動汽車的散熱系統(tǒng)中也有了相對廣泛的應(yīng)用，比如特斯拉電池包就是采用水和乙二醇的混合物的液冷方式散熱，寶馬i3采用R134a進(jìn)行散熱。
展開 刀片電池系統(tǒng)拆解 1-電子電氣設(shè)計
在網(wǎng)上整理和瀏覽資料的時候，發(fā)現(xiàn)一個刀片電池系統(tǒng)的拆解，是對一些比較有趣的部分
做的
整理。當(dāng)然，我個人最感興趣的部分是電子電氣部分，今天先分享這部分的內(nèi)容，后續(xù)會就結(jié)構(gòu)和冷卻部分再逐一分解，隨后有機(jī)會整理一些專業(yè)機(jī)構(gòu)對刀片電池的測試分析，做一些摘錄。
下圖左邊是比亞迪做的50kwh+低電量的電池系統(tǒng)，右邊是70+kwh的上下疊層雙排電池系統(tǒng)。有一個共同的特征，就是比亞迪的電池需要一根比較長的母排接回來。
圖1 比亞迪的梯度一個是改變長度，一個是疊兩層
在結(jié)構(gòu)化的設(shè)計中，從電氣角度中間需要連接整塊電池的兩端，所以我們能看到兩根很寬的正極和負(fù)極的母排連接一體化電池的帶電兩端到BDU配電盒，如下圖所示。
圖2 刀片電池系統(tǒng)的配電盒
備注：據(jù)參考的拆解信息說，這根母排的材質(zhì)為鋁。
而這個BDU配電盒，是有點像我們通常見到的PHEV的接口設(shè)計，盡可能復(fù)用中間排氣管道的凸出的設(shè)計。刀片電池在整車上是兼容BEV、PHEV兩種不同的設(shè)計，所以目前看下來都是這樣統(tǒng)一地堆在電池系統(tǒng)上方的設(shè)計。
圖3 刀片電池的配電盒輸出
如下圖所示，母排通過螺栓和刀片電池的模組輸出極進(jìn)行連接。
圖4 高壓母排和模組的連接是用兩個螺栓
為了固定這個BDU，在水冷板上設(shè)置了四個固定點，然后為了進(jìn)行電隔離，工程師采用了一塊四四方方的絕緣墊，來進(jìn)一步加強(qiáng)絕緣。
圖5 BDU配電盒下面的絕緣墊和水冷板上的四個支撐點
電池管理系統(tǒng)是集成在這個配電盒里面，需要注意的是，這里BMU取消了獨立的外殼，BMU嵌入在BDU里面，然后擰上了一塊蓋板。
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