動力電池系統(tǒng)指用來給電動汽車的驅(qū)動提供能量的一種能量儲存裝置，由一個或多個電池包以及電池管理系統(tǒng)組成。動力電池系統(tǒng)設(shè)計要以滿足整車的動力要求和其他設(shè)計為前提，同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計等方面。

　　一種典型的動力電池系統(tǒng)

　　由于不同種類電動汽車的結(jié)構(gòu)和工作模式的不同，導致對動力電池的性能要求也不一樣。純電動汽車行駛完全依賴于動力電池系統(tǒng)的能量，電池系統(tǒng)容量越大，可以續(xù)航里程越長，但所需電池系統(tǒng)的體積和重量也越大。雖然混合動力汽車對動力電池系統(tǒng)的容量要求比純電動汽車要低，但要能夠在某些時候提供較大的瞬時功率。而串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力汽車對電池系統(tǒng)的要求又有所區(qū)別。

　　因此動力電池系統(tǒng)的設(shè)計流程一般如下：（1）首先確定整車的設(shè)計要求（2）然后確定車輛的功率及能量要求（3）選擇所能匹配合適的電芯（4）確定電池模塊的組合結(jié)構(gòu)形式（5）確定電池管理系統(tǒng)設(shè)計及熱管理系統(tǒng)設(shè)計要求（6）仿真模擬及具體試驗驗證。

　　動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的重要組成部分，下文主要按其具體結(jié)構(gòu)及功能來談?wù)勗O(shè)計要求。分為電池模組、電池管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣及機械系統(tǒng)這四個主要部分。

　　1.電池模組的結(jié)構(gòu)及設(shè)計

　　動力電池模組是指動力電池單體經(jīng)由串并聯(lián)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，是組成動力電池系統(tǒng)的次級結(jié)構(gòu)之一。動力電池單體即電芯，按正極材料來分，主要包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及鎳鈷錳酸鋰三元材料等。

　　按電芯的結(jié)構(gòu)形狀來分，主要分為圓柱電芯和方形電芯以及軟包這三種，各自的優(yōu)缺點也十分明顯。在一定程度上，電芯的性能決定了電池模組的性能進而影響整個動力電池系統(tǒng)的性能。因此在進行動力電池系統(tǒng)設(shè)計，一定要根據(jù)整車的設(shè)計要求去選擇電芯的材料及形狀。

　　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(tǒng)的容量。然后在進行電池模塊設(shè)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(fā)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(xiàn)設(shè)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(tǒng)性能造成影響。電池模組由多個動力電芯串并聯(lián)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程（電芯→模塊→系統(tǒng)）

　　在結(jié)合整車設(shè)計要求的前提下對電池模組進行設(shè)計時，電池模組設(shè)計需要考慮以下幾個方面：

　　·電池成組的固定連接方式要根據(jù)動力電池系統(tǒng)設(shè)計的整體要求對選定好的電芯結(jié)構(gòu)形狀進行。

　　·電池模塊的裝配要求松緊度適中，各結(jié)構(gòu)部件具有足夠的強度，防止因電池內(nèi)外部力的作用而發(fā)生變形或破壞。

　　·電芯及電池模塊要有專門的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風散熱通道。

　　·電池單體之間的導電連接距離盡量短，連接可靠，最好是柔性連接，各導電連接部位的導電能力要滿足用電設(shè)備的最大過流能力。

　　·充分考慮電池串并聯(lián)高壓連接之間的絕緣保護問題，例如絕緣間隙和爬電距離等。

　　2.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

　　電池管理系統(tǒng)（BMS），即Battery Management System，主要檢測電池的狀態(tài)以及電池組中各單體電池的狀態(tài)，并根據(jù)電池（組）的狀態(tài)對電池（組）進行適當?shù)目刂撇呗哉{(diào)整，可以接受上層控制模塊的控制信息并做出必要的響應(yīng)，實現(xiàn)對動力電池（組）的充放電管理以保證動力電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行。

　　電池管理系統(tǒng)

　　電池管理系統(tǒng)設(shè)計涉及軟件設(shè)計及硬件設(shè)計兩個方面。硬件主要由數(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。中央處理單元由高壓控制回路、主控板等組成，數(shù)據(jù)采集單元有溫度采集模塊、電壓采集模塊等組成。一般采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)相互間的信息通訊。

　　電池管理系統(tǒng)的拓撲圖

　　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。硬件設(shè)計則對軟件設(shè)計的功能提供支持，比如MCU模塊用來采集、分析數(shù)據(jù)、收發(fā)控制信號；電流檢測模塊則是采集電池組充放電過程中的充放電電流。

　　3.熱管理系統(tǒng)的設(shè)計

　　當車輛在不同運行工況下,電池系統(tǒng)由于其自身有一定的內(nèi)阻,在輸出功率、電能的同時產(chǎn)生一定的熱量從而產(chǎn)生熱量累積使電池溫度升高,空間布置的不同使得各處電池溫度并不一致。當電池溫度超出其正常工作溫度區(qū)間時,必須限功率工作,否則會影響電池的壽命。為了保證電池系統(tǒng)的電性能和壽命,車用動力電池系統(tǒng)一般設(shè)計具有熱管理系統(tǒng)，主要由電池箱、傳熱介質(zhì)、監(jiān)測設(shè)備等部件構(gòu)成。

　　可以從動力電池系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)組成看到，熱管理系統(tǒng)設(shè)計時要考慮到電池單體和電池模塊兩個層次的結(jié)構(gòu)。因此在電池系統(tǒng)的整體設(shè)計中就必須要考慮到電池單體和電池模塊所在位置的溫度環(huán)境的影響。在進行電池熱管理系統(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,如風冷或液冷。在采用風冷冷卻系統(tǒng)與與液冷冷卻系統(tǒng)時要考慮各自的優(yōu)缺點。

　　風冷冷卻結(jié)構(gòu)和液冷式冷卻結(jié)構(gòu)示意圖

　　4.電氣及機械系統(tǒng)的設(shè)計

　　電氣及機械系統(tǒng)主要包括高壓系統(tǒng)、電池箱體、連接線束、機械接插件等。

　　電氣系統(tǒng)設(shè)計主要涉及到高壓部分，其中高壓系統(tǒng)主要由繼電器、電流傳感器、電阻和熔斷器等器件組成。在設(shè)計高電壓系統(tǒng)時，需要考慮電力供給端和輸出端的平衡。電力供給端對于EV指的是驅(qū)動用電池；對于HEV和PHEV則指的是驅(qū)動用電池和發(fā)動機的發(fā)電電力。車輛則需要根據(jù)車輛狀態(tài)和行駛狀態(tài)隨時改變供給端。輸出端是指由高電壓電力驅(qū)動的機器，如用于驅(qū)動的電機、空調(diào)設(shè)備、DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、電動轉(zhuǎn)向助力器等。高壓系統(tǒng)的安全設(shè)計尤為重要，在高壓線路上配置手動維修開關(guān)，自動斷路器、動力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。整個箱體內(nèi)采用電木和環(huán)氧板進行高壓電絕緣；箱體外部與車底盤可靠連接；電池管理系統(tǒng)對系統(tǒng)絕緣電阻實施監(jiān)控。

　　電池箱體作為電池模塊的承載體，對電池模塊的安全工作和防護起著關(guān)鍵作用。電池箱的外觀設(shè)計主要從材質(zhì)、表面防腐蝕、絕緣處理、產(chǎn)品標識等方面進行。設(shè)計的通用要求要滿足相關(guān)標準，比如：

　　·具有維護的方便性。

　　·在車輛發(fā)生碰撞或電池發(fā)生自燃等意外情況下，宜考慮防止煙火、液體、氣體等進入車廂的結(jié)構(gòu)或防護措施。

　　·電池箱應(yīng)留有銘牌與安全標志布置位置，給保險、動力線、采集線、各種傳感元件的安裝留有足夠的空間和固定基礎(chǔ)。

　　·所有無級基本絕緣的連接件、端子、電觸頭應(yīng)采取加強防護。在連接件、端子、電觸頭接合后應(yīng)符合GB4208-2008防護等級為3的要求

　　·在試驗后，蓄電池箱防護等級不低于IP55。

　　·人員觸電防護應(yīng)符合相關(guān)要求。

　　A123的動力電池系統(tǒng)及電池箱外觀

　　5.相關(guān)規(guī)范標準要求

　　在完成整個動力電池系統(tǒng)的設(shè)計后，制作好的動力電池系統(tǒng)必須經(jīng)過臺架性能測試，驗證是否符合設(shè)計要求，再經(jīng)過裝車試驗，對系統(tǒng)進行改進和完善。整個動力電池系統(tǒng)的各個設(shè)計部分均需要符合相關(guān)規(guī)范標準要求，一些在動力電池系統(tǒng)設(shè)計過程中涉及到的相關(guān)標準如表所示。

　　總結(jié)

　　從目前電動汽車的發(fā)展來看，最大的障礙就是動力電池系統(tǒng)的性能，動力電池系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)劣是關(guān)鍵影響因素之一，因此需要針對動力電池系統(tǒng)不斷進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計分析。本文簡單地從整體上探討了動力電池系統(tǒng)設(shè)計，并未深入，因為這是一門涉及面廣、專業(yè)知識縱深度強的領(lǐng)域。動力電池系統(tǒng)是一個綜合電池技術(shù)、電控技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和熱能分析技術(shù)的復雜體系，需要各個相關(guān)行業(yè)的技術(shù)人員通力合作來完成。