動力電池系統的案例
新能源汽車動力電池系統電性能試驗研究
動力電池系統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駛里程指標。因此，試驗驗證動力電池系統的電性能在新能源汽車的設計開發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為研究對象，以國家標準31467.2為依據，分別從容量和能量、功率和內阻以及能量效率等5個維度試驗研究其電性能并最終給出試驗結論，以評估該動力電池系統的電性能。
1 動力電池系統電性能試驗方法
1.1 試驗對象
動力電池系統作為新能源汽車的儲能系統，是車輛重要的能量來源。測試用動力電池系統結構模型如下圖1所示，其技術參數如下表1所示。
該動力電池系統包括兩個蓄電池包（每個蓄電池包由1P6S和1P7S兩種規格的蓄電池模塊串聯而成）、一個高壓盒（內含電池管理系統（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網絡與整車進行通訊。
1.2 試驗原理
動力電池系統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建立通訊，并將動力電池系統的電壓、電流和溫度等信息上報。上位機PC對測試系統的輸出電壓、電流及BMS上報信息進行同步儲存，并將動力電池系統的單體電壓和溫度等信息作為工況截止條件，實現準確判定并自動進行工步跳轉。將動力電池系統布置在步入式高低溫交變濕熱試驗箱中，可測試其在不同環境溫度下的電性能。
1.3 試驗項目
目前有關動力電池系統電性能測試的主要依據是GB/T31467.1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第1部分：高功率應用測試規程》和GB/T31467.2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第2部分高能量：應用測試規程》這兩個國家標準。
展開 燃料電池動力系統構型與關鍵部件
1 燃料電池動力系統構型燃料電池動力系統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,燃料電池動力系統存在多種構型方案,目前常用的燃料電池動力系統構型方案見表2?
表2 常用的燃料電池動力系統構型方案
1.1 單一燃料電池構型
單一燃料電池構型只包含燃料電池一個能量源,單一燃料電池動力系統基本結構如圖1所示,包括燃料電池系統?整車控制器?DC/DC?逆變器和電機等部件?汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔?燃料電池系統將氫氣與氧氣反應產生的電能傳給驅動電機,驅動電機將電能轉化為機械能再傳給傳動系統,從而驅動汽車前進?
圖1 單一燃料電池動力系統基本結構
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行控制,起到保護燃料電池系統的目的?
1.2 燃料電池+動力蓄電池構型
該種構型有多種分類標準,根據是香插電可分為插電型和不插電型:根據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+動力蓄電池構型動力系統拓撲結構如圖5-2所示?該動力系統中,燃料電池系統為主要動力源,動力蓄電池配合燃料電池系統進行混合驅動,電能經過電機轉化成機械能傳給傳動系統?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擔,避免陰極“氧氣饑餓”現象的發生,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控制?
圖2 不插電型燃料電池+動力蓄電池構型動力系統拓撲結構
展開 動力電池熱管理系統性能試驗方法
本標準規定了動力電池熱管理系統性能的試驗方法。
本標準適用于乘用車用動力電池熱管理系統，商用車用動力電池熱管理系統可以參考。
2 規范性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 2900.41-2008 電工術語 原電池和蓄電池
GB/T 19596-2017 電動汽車術語（ISO8713:2002,NEQ）
GB/T 31467.2電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程
QC/T 468-2010 汽車散熱器
GB/T 18386-2017 電動汽車 能量消耗率和續駛里程試驗方法
GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）
3 術語和定義
GB/T 2900.41-2008、GB/T 19596-2017中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。
3.1 動力電池熱管理系統 battery thermal managementsystem
綜合運用各種技術手段，具備動力電池冷卻、加熱、保溫和均溫等功能，保證動力電池在不同環境下正常工作的系統。同時，該系統可以在動力電池發生熱失控時提供報警信號，具備安全防護功能。通常，動力電池熱管理系統包括主動式熱管理系統和被動式熱管理系統兩種。
3.2 被動式熱管理系統 passive thermal management systems
基于熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，只依靠冷卻或加熱流體因為溫度因素緩慢流動自然完成熱量輸入輸出交換的熱管理系統。該類系統通常適用于單體產熱量小于5W的電池。
展開 動力電池熱管理系統性能試驗方法
1 范圍
本標準規定了動力電池熱管理系統性能的試驗方法。
本標準適用于乘用車用動力電池熱管理系統，商用車用動力電池熱管理系統可以參考。
2 規范性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。
GB/T 2900.41-2008 電工術語 原電池和蓄電池
GB/T 19596-2017 電動汽車術語（ISO 8713:2002,NEQ）
GB/T 31467.2電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程
QC/T 468-2010 汽車散熱器
GB/T 18386-2017 電動汽車 能量消耗率和續駛里程試驗方法
GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）
3 術語和定義
GB/T 2900.41-2008、GB/T 19596-2017中界定的以及下列術語和定義適用于本文件。
3.1 動力電池熱管理系統 battery thermal management system
綜合運用各種技術手段，具備動力電池冷卻、加熱、保溫和均溫等功能，保證動力電池在不同環境下正常工作的系統。同時，該系統可以在動力電池發生熱失控時提供報警信號，具備安全防護功能。通常，動力電池熱管理系統包括主動式熱管理系統和被動式熱管理系統兩種。
3.2 被動式熱管理系統 passive thermal management systems
基于熱傳導、熱輻射、熱對流等熱量傳輸原理，只依靠冷卻或加熱流體因為溫度因素緩慢流動自然完成熱量輸入輸出交換的熱管理系統。該類系統通常適用于單體產熱量小于5W的電池。
展開 
電池系統開發設計解析
缺點：集流體上電流密度分布不均勻，造成內部各部分反應程度不一致；電芯內部產生的熱量很難得到快速釋放，累積會造成電池的安全隱患。
② 方形結構
優點：對電芯的保護作用要高，可以通過減少單體電池的厚度保證內部熱量的快速傳導，電芯的安全性能有較大的改善。
缺點：殼體在電芯總重中所占的比重較大，導致單體電池的能量密度較低，內部結構復雜，自動化工藝成熟度相對較低。
③ 軟包結構
優點：外部結構對電芯的影響小，電芯性能能優良；封裝采用的材質質量要小，電池的能量密度最高。
缺點：大容量電池密封工藝難度增加、可靠性相對較差；所采用的鋁塑復合封裝膜機械強度低，鋁塑復合膜的壽命制約了電池的使用壽命。
那么首先要通過電動汽車的動力需求以及各種高電壓機器配件等所需的消耗電力、時間以及使用溫度來確定電池系統的容量。然后在進行電池模塊設計時要考慮到動力電池的特性。因為動力電池在不同溫度下輸出/輸入會發生變化。容量、輸出性能會隨使用時間逐漸退化。電池的性能與選擇一旦出現設計錯誤，將不能滿足低溫時的加速性能和爬坡性能，并且當電池老化時還會給系統性能造成影響。電池模組由多個動力電芯串并聯組合而成，包括單體電芯、固定框架、電連接裝置，還有溫度傳感器、電壓檢測線路等。
動力電池系統的結構設計流程（電芯→模塊→系統)
2.電池管理系統的設計
電池管理系統（BMS），即BatteryManagement System，通過檢測電池組中各單體電池的狀態來確定整個電池系統的狀態，并根據它們的狀態對動力電池系統進行對應的控制調整和策略實施，實現對動力電池系統及各單體的充放電管理以保證動力電池系統安全穩定地運行。電池管理系統的基本功能可以分為檢測、管理、保護這三大塊。具體來看，包括數據采集、狀態監測、均衡控制、熱管理、安全保護、信息管理等功能。
展開 【9月13-14日 北京】新能源動力電池全壽命設計與應用技術高級培訓班
新能源動力電池全壽命設計與應用技術高級培訓班
一、培訓背景：
新能源汽車的關鍵在于取代燃油的新的能源成功的使用。我國十幾年發展新能源汽車的實踐證明，動力電池系統的安全和精準管理關系到新能源汽車的成敗。事實上，新能源汽車出現的故障將近有一半來自于動力電池，電動汽車的安全直接或間接與動力電池有關。
目前純電動汽車還不能令人滿意的地方，例如，車輛續駛里程短、充電時間長、電池衰減快、電池安全問題，這是卡關的地方。而這些問題直接關系到電動汽車的用戶滿意度。因此，把電池系統做好，可以緩解這些問題，是解決這兩個問題的必由之路。
今后國家要求新生產的電動汽車不但能夠無故障地上路，還需要滿足一定的里程-電池容量比例指標。這就要求電池系統全壽命周期滿足安全性、可靠性、控制精準性等。隨著國家補貼退坡,雙積分政策的推出,電動汽車退役電池的梯次利用,給電動汽車動力電池的運營模式及研發提出了創新的要求.通過采用車電分離模式,實現動力電池共享，并考慮電池包梯次利用的設計問題。
為了提升對電池系統設計能力與滿足節能減排的國家政策，特邀請汽車動力電池系統領域資深專家為本次培訓系統授課，介紹動力電池全壽命設計的方法、流程，動力電池系統安全設計及評價方法、換電電池系統核心技術等內容。同時針對現場提出的相關問題分享演講者在此方面的經驗體會。
二、講師介紹：
資深專家：具有14年以上新能源汽車動力電池系統、BMS、VCU及功能安全開發經驗，主要完成ISG混合動力電池管理系統BMS控制策略開發、電動環衛車換電電池系統開發、混合動力電池系統仿真分析、全氣候動力電池系統開發、國內首款量產乘用車換電電池系統開發，承擔系統開發、關鍵算法開發。在汽車工程等核心期刊發表多篇電池系統開發相關論文。申請電池系統相關發明專利30多篇，已獲得10篇以上發明授權。
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與傳統內燃機驅動的汽車相比，電動汽車需要解決一系列與電有關的技術問題，例如驅動電機問題、動力電池問題、電輔助系統問題，等等。
本書所設計的電池管理技術，從屬于電動汽車的動力電池系統，融合了電子、自動控制以及通信網絡等相關技術，重點解決動力電池的檢測、安全保護以及優化管理問題。
本書是筆者依據過去五年在電動汽車相關領域工作的累積所編寫。筆者在從事動力電池管理系統研究時，也非常希望能參考到一本類似的技術文獻，但當時國內外幾乎沒有類似的出版物。
隨著電動汽車的研發越來越熱，從事這一行業工作的技術人員越來越多，筆者認為有必要把這幾年的體會與同行們進行分享。希望能實現兩個目的：
一、系統地闡述動力電池管理系統設計與實現的要點，避免走彎路；
二、拋磚引玉，希望引起更多同行朋友對這一技術領域的重視，共同促進電動汽車核心技術的快速發展。
以下是本書部分內容
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展開 基于Matlab 的燃料電池汽車動力系統仿真
基于Matlab 的燃料電池汽車動力系統仿真
高大威，金振華，盧青春
（清華大學汽車工程系, 北京 100084）
摘 要: 在給出燃料電池汽車動力系統結構的基礎上，基于Matlab 軟件環境，建立了前向式燃料
電池汽車動力系統模型，模型結構和實際的動力系統有著嚴格的對應關系，各部分模型采用物理分
析與數據處理相結合的方法建立。按照一定的控制策略和部件物理參數進行了仿真，仿真結果表明
該模型的有效性和合理性，為燃料電池汽車動力系統研究打下了基礎。
關鍵詞：燃料電池；仿真；Matlab；燃料電池汽車
文章編號：1004-731X (2005) 08-1899-03 中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A
基于Matlab的燃料電池汽車動力系統仿真.pdf
展開 讀者投稿｜純電動汽車動力電池管理系統五部曲之二：單體電池建模研究
第一篇 動力電池試驗研究
第二篇 單體電池建模研究
純電動汽車的主要能量來源為動力電池系統，其性能直接影響整車的經濟性、動力性和可靠性。電動汽車與傳統燃油汽車最大的區別是用動力電池作為動力驅動，而作為銜接電池組、整車系統和電機的重要紐帶，電池管理系統(BMS)的重要性不言而喻。完善的 BMS能夠有效提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，并且延長電池的使用壽命，監控電池組及各電池單芯的運行狀態，有效預防電池組自燃，實現突發事件預警，為保障安全贏得時間。
筆者在梳理電池管理系統開發過程中的關鍵技術，為動力電池管理系統設計，測試生產提供理論基礎。計劃分為5個篇章來整理電池管理系統的開發中關鍵技術，今天首先聊一下第二篇章單體電池建模研究及模型參數。
圖1 電池管理系統開發過程中的關鍵技術
單體電池模型用以模擬電池動力學特性動態電池模型，是設計高效可靠的電池管理系統（Battery Management System）的基礎。鑒于等效電路模型簡單的結構，良好的動態響應特性，以及狀態空間方程易于求取的優點，因此非常廣泛的應用于純電動汽車電池管理系統的研究領域中。
不同單體電池模型對比
建立單體電池等效電路模型，將模型與電池辨識參數進行配比，同時利用辨識工具完成參數識別，分析電池端電壓在不同工況下的動態響應，并逐步改進電池等效電路模型，提高電池精度，為后期電池狀態估計（SOC,SOP,SOE,SOH）提供基礎。
展開 基于ISO26262的動力電池系統高壓功能安全概念
基于ISO26262的動力電池系統高壓功能安全概念
本文轉自公眾號：電池系統設計與開發
更多精彩內容，請關注：電池系統設計與開發
動力電池組的連接與可靠性剖析
總的來說，混合系統比串聯系統可靠性高，比并聯系統簡單。
3、動力電池組
動力電池組是指動力電池單體經由串并聯方式組合并加保護線路板及外殼后，能夠直接提供電能的組合體，動力電池組是組成動力電池系統的次級結構之一。動力電池模組是由多個單體電芯串并聯組裝而成，單體電芯之間連接與緊固，要求連接片與電池的極柱接觸電阻小、抗振動、牢靠程度高。
無論是用激光焊焊接、電阻焊焊接還是螺栓機械鎖緊，都必須保證成組后的電池系統在電動車輛實際行駛過程中的可靠性和耐久度。在不同的動力電池系統設計需求里，其體積能量密度、質量比能量密度以及體積功率密度等都會與動力電池系統中單體電池之間連接結構與工藝相關。
按動力電池組電芯的結構形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯，各自的優缺點也十分明顯，從外殼材質上可分為金屬殼（鋼殼或鋁殼）和鋁塑膜封裝（聚合物鋰電池）。從極柱類型上又可以分為外螺紋極柱、內螺紋型極柱、平臺型極柱以及鋁鎳長條型極耳（聚合物鋰電池類型的極耳）。
不同極柱類型的電池，在電池成組方式、連接工藝也會有很大不同，同時有各自的優缺點。動力電池模組是由多個單體電池連接組成，而單體電池之間連接的方法和工藝的選擇需根據電池類型及其極柱（極耳）的類型來定。在一定程度上，電芯的性能決定了電池組的性能進而影響整個動力電池系統的性能。
因此在進行動力電池系統設計，一定要根據整車的設計要求去選擇電芯的材料及形狀。
4、動力電池組連接與可靠性
在采用動力電池單體構成動力電池組時，常采用以下兩種連接方式：①將動力電池單體先串聯后在并聯的組合方式；①將動力電池單體先并聯后在串聯的組合方式。
展開 
電動汽車動力電池系統加熱方法研究進展
來源：《電動汽車動力電池系統加熱方法研究進展》
電池系統的加熱方式主要分為兩種，內部加熱法和外部加熱法。內部加熱方式是通過電池電阻或電池內部的化學反應等直接對電池內部進行加熱，該方法加熱效率高，能耗低。外部加熱方式，即通過外部加熱組件產生熱量，從外部對電池進行加熱，主要加熱方式有氣體加熱、液體加熱、電阻式加熱等。外部加熱簡單，效率相對較低。
1 內部加熱方式
電池內部加熱不受電池箱尺寸和空間以及安裝方式限制，同一類型電芯，每個電芯的加熱功率基本相同，熱量從內部產生，加熱均勻，但須配套高低頻加載控制電路裝置或者外控電路。
1.1 高/低頻交流電加熱
TA.Stuart和A.Hande等最早提出利用低頻或高頻交流電對氫鎳或鉛酸電池進行內部加熱，其中低頻交流電的頻率是60Hz，高頻交流電的頻率是10~20kHz。主要原理是通過電池自身的電阻進行加熱，在電池組通交流電的同時可以對電池進行充電和放電。低頻交流電的裝置體積相對于高頻交流電體積較為龐大，較難實現裝車，并且有人指出，低頻交流電會使電池內部發生電離，電池壽命降低，但未有數據證實。針對鋰離子動力電池系統，有多項類似加熱的專利出現，由于涉及到交流電產生裝置的成本、質量、安裝空間等限制，目前該種方法還沒有在電動汽車上批量應用。
1.2 電池內部放電加熱
Wang等開發出一種具有快速自發熱功能的鋰離子電池。在電池中設計了鎳箔作為第三極，只要環境溫度低于0℃，正極和第三極就會形成放電回路，產生熱量對電池進行加熱；電池內部溫度超過0℃，第三極斷開，電池回到工作狀態。電池從－30℃加熱到0℃，只要30s，同時消耗5.5%的電量，效率高，時間短，有望應用于電動汽車上解決低溫嚴寒應用，加熱結構和原理見圖1。
展開 基于Star-CCM+動力電池液冷系統熱管理仿真完整攻略
9、測試驗證
對于液冷系統來說，測試驗證是至關重要的。液冷系統的功能、可靠和安全 等性能最終都需要通過實驗進行驗證。一般情況下，功能性測試在A樣進行，可靠性測試和安全性測試在B樣進行。
功能性測試表列出了功能性測試的項目和參考值，需要說明的是，為了與液熱系統和保溫系統匹配，表中增加了加熱性能測試和保溫性能測試。
可靠性測試和安全性測試表出了可靠性測試和安全性測試的項目及對應的測試參考。
七、動力電池液冷系統熱管理仿真
《STAR-CCM 新能源汽車動力電池熱失控仿真13講》第一個模組失控，引發第二個模組失控，評估現有模組之間的隔熱是否能阻止失控模組往正常模組的傳熱。大家可點擊查看STAR-CCM新能源汽車動力電池熱失控仿真講解（附視頻教程）
《基于Star-CCM 動力電池液冷系統熱管理仿真27講》是筆者原創的視頻教程，本課程包括動力電池熱管理理論、設計流程和仿真分析內容，
課程詳細介紹了動力電池結構、產熱原理，對動力電池設計流程進行了詳細的介紹，對仿真過程包括幾何簡化、修復、多類型網格生成、宏命令創建監測點和報告，后處理動畫制作進行了詳細介紹，并介紹了常溫1C放電、高溫1C放電計算分析、高溫快充計算分析、低溫加熱計算分析、保溫性能計算分析等多工況仿真。
展開 讀者投稿｜關于純電動汽車電池系統關鍵技術
第一部 電芯技術篇
動力電池系統是儲能汽車的儲能裝置，是一種集機械，電化學和熱力學等學科為一體的復雜的工程系統。從結構上來講包含電芯，電池模組，電池包，電池管理控制系統，熱管理系統，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。
圖1 寶馬ix3電池系統
從成本上講，如圖2，電池系統的成本分布圖。
圖2 純電動汽車電池系統成本分布圖
（數據來源于網絡）
動力電池系統的三大關鍵技術，包含的關鍵技術如圖1。此次計劃圍繞這純電動汽車動力電池系統關鍵技術開展系列文章，目的是梳理目前一些技術瓶頸以及探討當前市場上的應對方案，希望能夠對大家有一定的幫助。
圖3 純電動汽車電池系統關鍵技術
根據電芯的成本分布圖可知，電芯的成本占電池系統最大。動力電池結構通常包括正極，負極，隔膜，電解液和鋁塑膜等。
高能電池的開發首先從尋找高比能量的電極材料開始。在所有金屬元素中，鋰的相對原子質量最小、密度最小、電極電位最負，因此，以金屬鋰為負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明，使用高分子電解質不但沒有漏液的問題，而且由于鋰離子電池具有優異的電性能及安全、無公害，形狀有高度的可塑性等特點，符合電子產品輕、薄、短、小的要求，所以鋰離子電池廣泛應用于動力電池生產領域。如圖4。
圖4 鋰離子電池內部結構圖
●電芯選型對比
根據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 熱仿真分享 | 動力電池PACK熱管理系統性能研究-STARCCM+
(3)通過實驗驗證了基于液體的電動汽車動力電池熱管理系統設計的有效性，同時也驗證了仿真精度，特別是對產熱模型的修正，也需要通過實驗測量進行驗證。
(4)所設計的基于液體的電動汽車動力電池熱管理系統在40℃高溫1.5C充電工況下，可控制電池溫度45℃以內，充電結束電池最高溫度在29～36℃；40℃高溫1C放電工況下，可控制電池溫度40℃以內，充電結束電池最高溫度在32～40℃；加熱過程，電池溫度先升高后降低，充電結束電池最高溫度為24℃，最低溫度為16℃，溫差8℃。
免責聲明：文章來源于網絡（陳通,孫國華,王明強等.基于液體的動力電池熱管理系統性能研究[J].電源技術,2019,43(04):658-661.），僅供學習交流分享，版權歸原作者所有，如果侵權請聯系我們予以刪除
編者注：
文章中：冷卻液流量為25L/min,溫度為25 ℃,環境溫度為27 ℃或40 ℃；這只是入門級別的仿真，并沒有考慮整車真實情況，即：一般的換熱需要通過chiller進行換熱，無法滿足一開始就恒定定進口25℃的條件；
正確的方法是：設置一個目標水溫=20℃，限制一個直冷功率KW；如下圖所示：
文章來源：新能源電池熱管理
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