纯电动轿车用锂离子电池系统技术研究

王若飞

【摘 要】以某款纯电动轿车为研究对象，研究了电池包与整车的匹配集成及电池系统内部布置集成、设计了电池系统的热管理控制策略、开发了电池系统安全技术，并利用CFD对电池系统温升进行了分析设计，研究结果表明，电池系统本部布置合理，电池系统安全性高，系统冷却及控制系统合理。

【关键词】电动轿车；热管理；优化；安全；锂离子电池

【Abstract】In a pure electric cars as the research object， the research of battery pack and vehicle matching integration， integration and battery system interior layout design the battery thermal management of system control strategy， developed a battery system security technology， and by using CFD analyses the temperature rise of the battery system design， the results show that the battery system based layout reasonable， battery system has high security， cooling system and control system is reasonable.

【Key words】All-electric car；BTMS；Optimize；Safety；Lithium ion battery

0 引言

出于能源和环境的考虑，电动汽车在各国政府和汽车制造商的共同推动下取得了快速的发展。纯电动汽车因能真正的实现“零排放”而成为电动汽车的重要发展方向之一。锂离子电池以其能量密度大、电压平台高等优良的性能成为纯电动汽车的理想动力源。然而，锂离子电池的抗滥用能力较差。锂离子电池，特别是成组锂离子电池的的安全性和长寿命成为锂离子电池使用管理中急需解决的问题。针对目前锂电池管理中存在的问题，本论文对纯电动汽车用锂电池系统安全性、热管理、电池管理系统等方面的开发进行了研究。

1 电池系统布置方案

本文研究电池系统采用锂离子材料，电池系统标称电压336V，标称容量60Ah（25℃@1/3C），系统内从控盒9个，主控盒1个，电池单体电芯3.2V。电池包固定在车身底盘下，利用前后两个定位销定位，8个螺栓固定。

电池系统内部将电池模组、主控盒、从控盒、高压安全模块、热管理模块等部件集成在一起。采用前置35个20pin2S模组和后置9个20pin4S模组，每12串模组采用一个从控盒（见图1）。每个从控盒负责采集电压、温度的采集和均衡。箱体底层和侧面铺设formex阻燃纸进行加强绝缘。

2 电池系统模块化研究

将2个电池连接在一起组成一个标准的模块（见图2），再由这些标准模块组成整包。采用模块化设计利于实现电池模组的大规划生产，降低电池包的成本，便于维修和更换。模组铜片的承载电流能力按照2C设计，并且采用激光焊已达到最可靠的接触，无外露电极，安全性高，采用短螺钉紧固，电芯正方形排布，便于布置，增大电芯间的风道截面积，利于散热。

实现电池模块标准化后，不同车型电池组包可根据需要将几个标准模块进行串联、并联，达到不同车辆设计的要求，大大有利于电池实现规模化生产，大幅度降低电池的成本。同时也便利电池的维修、更换、租赁和回收处理，降低了整个价值链的费用。

3 电池热管理系统设计

电池热管理系统由加热膜加热系统和强制风冷散热系统构成。热系统由加热膜、继电器、10A保险、线缆等部分组成。采用耐高温、高导热、绝缘性能佳、强度好的材料以及金属发热膜电路集合而成的软性电加热膜元件与动力电池贴合在一起，通过给加热膜通电使加热膜发热，将热量传递给电池。加热膜由车载充电器提供电源。强制风冷散热系统由进风道、模组风道、风扇、出风道等组成。风冷散热系统直接将电池内部的热空气排出车体，风冷散热方式具有结构简单、零部件数量少、成本低等优点而被广泛用于电池热管理设计中。当然在设计过程中需要考虑到模块的布置和散热。

加热回路，在电池温度过低的情况下采用加热膜给电池加热；散热回路，在电池温度过高的情况下采用强制风冷给电池散热（见图3、4）：

本文基于物理模型，对电池包进行了CFD分析，采用的电芯密度 2261kg/m3，比热1014J/kg·K，导热系数0.88w/m·K，等效内阻0.030 Ω。入口选用风机AD 1212HB-A71GL ，速度入口6.518m/s，出口：outflow，壁面无滑移绝热壁面，电芯体积热源为10054 w/m3，所用计算模型为流固耦合模型、标准模型、P-1辐射模型 。电池包CFD分析结果（见图5、6）。

根据以上分析，模组整体温度最高上升13℃，电芯间最大温差大约为10℃ ，电芯间温差符合要求，热管理满足相应条件。

针对热管理系统，在常温环境充放电测试，测试结果如表1：

在台架及整车上测试电池包的加热效果，结论如下：低温下加热系统的加热速率≥0.32℃/min（即温升25℃约需78min）且加热结束时电池包温差≤9℃，满足设计目标要求；通过-20℃下加热至5℃与常温，低温以及5℃的放电容量对比，通过加热膜加热后放电能力已超过常温下的86%，证明加热是有效的，同时可以确定加热至5℃时，电池内外温度基本平衡。同时加热是有效的，大大促进低温的放电容量；从两次从-20℃加热至5℃加热的时间来看，约69min，满足目标加热时间90min。

4 电池系统安全设计

车辆在使用和维修过程中，由于外部因素（涉水、暴雨工况，碰撞、翻车事故，维修操作不当等）和高压部件故障或老化原因可能会导致高压系统短路、漏电、燃烧和爆炸等安全问题。电池系统的安全性设计主要从碰撞安全、绝缘安全和密封安全等方面考虑。

4.1 碰撞安全设计

4.1.1 安全控制设计

当车辆发生碰撞时，对于纯电动汽车来说，除了传统汽车的相关保护需求之外，还应当满足以下要求：碰撞过程中避免乘员和行人遭受触电风险，在保证人员安全的情况下尽量保护关键零部件不受损害；碰撞后保证维护和救援人员没有触电风险。为此设计碰撞高压安全保护系统：将惯性开关串联到高压接触器的供电回路中，当发生碰撞时惯性开关断开，切断高压接触器的供电电源，此时动力蓄电池的高压输出便会被断开，保证了乘员、行人、维护和救援人员的高压安全。

4.1.2 安全结构设计

（1）电池包支架的材料使用高强度钢，提高电池包的抗碰撞能力；

（2）优化电池包结构，提高其刚度和强度；

（3）电池包壳体和电池模组之间留有足够间隙，用于发生碰撞时用于吸收能量，避免对电池的伤害。

4.1.3 碰撞分析模拟和仿真

通过软件的分析模拟和仿真（见图7），验证壳体和支架的强度是否满足碰撞的需求，并根据分析结果进行相关修改。

4.2 绝缘安全性设计

绝缘电阻检测系统：为保证人员免遭触电风险，高压系统应当设计绝缘电阻检测系统，若绝缘电阻值过小（可参照GB/T18384），整车控制器应当发送主接触器断开指令。原理（见图8）：BMS将一交流电压信号通过隔离电容注入到电池包的负极端，高压绝缘等效阻抗（含容抗）变化时交流信号的幅值将随之发生变化，BMS采样该交流信号的电压幅值并将其转变为直流电压信号与比较器相比较，通过设定电压阈值来调整绝缘电阻检测报警值。

4.3 密封安全性设计

1）密封结构设计：电池包上下壳体采用整体冲压成型，若局部位置无法整体冲压成型，需要先分段冲压成型后焊接而成，焊接部位需打密封胶进行密封。电池包上下壳体通过设计法兰面来密封。

2）密封材料的设计：上下壳体法兰面之间增加密封材料。

3）防水电器件的设计：电池包壳体上面安装的电器件，均需选用防水器件，并在安装时，进行防水处理。

5 电池管理系统设计

BMS控制器对电池单体电压、温度、充放电电流、电池输出高压、整车系统绝缘电阻的测量，具备SOC、SOH估算、OBD故障诊断功能，且具有掉电数据保存功能，满足电池包风冷、水冷两种热管理系统需求。

5.1 BMB模块开发

电源管理模块：提供整个系统电源，具备整车12V供电电源的检测、单片机工作5V供电电源检测、看门狗功能、过温和短路保护功能。

时钟和外部EEPROM模块：提供整个系统的实时时钟和关键数据掉电保存。

PWM控制与反馈模块：对热管理系统中风扇进行控制和风扇故障信号的诊断。

模拟信号采样模块：对系统中模拟信号进行检测，如：热管理系统中出水口温度、进水口温度、出风口温度、进水口温度等。

数字信号采样模块：对系统中数字信号进行检测，如：高低电平信号。

接触器控制与诊断模块：对整个系统接触器进行控制，同时对各接触器状态进行诊断。

CAN模块：CAN模块分为三部分，整车CAN模块、内部CAN模块、快充CAN模块，整车CAN模块用于BMS系统与整车CAN系统连接。内部CAN模块为BMB与BMU、HVMU和绝缘模块通讯链路。快充CAN模块用与BMS系统与快充设备的CAN系统的连。

5.2 IMU开发

IMU（Isolation Measurement unit）绝缘采样单元以飞思卡尔8位单片机DZ60作为主控芯片，以主控芯片内部AD模块为采样单元，通过对相关信号的采样计算电动汽车动力电池正负极和车壳之间绝缘电阻的一项技术。通过MCU控制信号发生电路产生一个正负对称的矩形波，此矩形波通过车壳与绝缘电阻以及高压系统进行连接，产生信号，此信号通过绝缘模块内部的限流电阻进入绝缘监测模块内部，MCU对取样电阻上面电压信号进行采样，对采样的数值通过相应的公式进行计算就可以得到绝缘电阻的阻值。此方案与其他现有绝缘监测的技术相比具有可靠性高，精度高，采样范围宽等优点，但是其本身的采样时间与Y电容大小以及动力电池点波动大小相关。

5.3 单体电池采样单元开发

BMU（Battery Measurement unit）模块具有电池组电压采集、电池组温度采集、电池组单节电池均衡，扩展可以实现硬件电压监控、硬件温度监控。模块支持6至12节电池电压采集、模块最多支持6节电池温度采集、模块支持6至12节电池均衡。模块硬件可以实现过高温监控、过压监控、欠压监控。模块与主控模块通讯方式采用CAN通讯模式。模块采用车辆低压供电系统电源供电，车辆充电、放电两种模式时可正常工作，静态功耗符合整车系统要求。

分布式PBMU系统可分为五个模块，供电电源模块、采集均衡模块、硬件监控模块、CAN通信模块与CPU 模块。供电电源模块将外部系统提供12V 电源转换为5V电源供CPU模块与CAN通信模块工作使用；采集模块采用芯片集中采集方式采集电池信号，采集芯片通过隔离芯片接收CPU 指令并将采集电压信号、温度信号、均衡信号等通过隔离芯片发送予CPU ，采集芯片采用ADI公司型号为AD7280 芯片； 硬件监控模块通过采集电池组电压信号、电池组温度信号，根据信号的采集来判断电池组电压与温度的状态，并且向CPU模块发送状态与报警；CPU采用飞思卡尔8位 CPU MC9S08DZ60，模块晶振频率采用10MHz。

开发的BMS系统达到以下性能指标：

6 结论

本文研究电池包与整车的匹配集成及电池系统内部布置集成、设计了电池系统的热管理控制策略、开发了电池系统安全技术，并利用CFD对电池系统温升进行了分析设计，研究结果表明，电池系统本部布置合理，电池系统安全性高，系统冷却及控制系统合理，并且已经在奇瑞A16EV车型上进行了搭载。

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[责任编辑：薛俊歌]