插电增程式公交车电池系统设计

肖宁强 梁晶晶

（浙江吉利新能源商用车有限公司）

一般来说，无论是插电增程式汽车还是纯电动汽车使用的电池系统，都是由单体电池组成电池模块，电池模块加上管理控制系统、冷却系统、高压回路控制系统、高低压线束系统再组成整个电池包。电池包布置设计包括高压电连接设计和结构设计[1]。电池包在工作中，不可避免地会遇到不同路况的振动和不同倍率充放电产生的热量，这些会影响电池包的寿命和性能。要设计合理的电池固定方式和散热结构，既要使电池包抵抗相关工况的振动，又要使动力电池包处于工作温度范围内，使其散热均匀，尽量保持单体电池的温度一致性。基于此，文章对某款插电增程式公交车的动力电池系统进行了设计。

1 电池包电连接布置设计

1.1 电池包成组方案设计

根据整车提供的电量及电压平台要求，结合已有的单体电池，采取合理的串并联组合，来满足整车对电池包的标称电压要求（576 V）和能量要求（30 kW·h左右）。已知现有单体电池的标称电压为3.2 V，额定容量为 50 A·h。

根据整车对电池系统的电压要求，大概需要900个单体电池，将60（5p12s）只单体作为一个电池模块（如图1所示），大约需要15个电池模块串联连接，使整个电池包的标称电压达到3.2 V×12×15=576 V。

图1 电池单体串并联组合连接示意图

如果电池系统的成组方案为：15（5p12s）个电池模块组成的电池包串联连接而成（如图2所示），这样，整个电池包的能量为576 V×50 A·h=28.8 kW·h，基本满足了整车的能量需求。

图2 动力电池模块连接方式

1.2 电池模块电连接设计

1.2.1 单体电池电连接设计

单体电池电连接的好坏，直接影响电池模块和电池包的性能，单体电池的串并联是电池模块设计的一个重要内容[2]。

一般情况下，单体电池的连接方式有螺栓连接和焊接2种。螺栓连接过松或过紧，都会对连接电阻造成影响，从而影响电池模块的充放电效率。在汽车运行中，电池包会产生振动，容易使螺栓松动，所以，螺栓连接的稳定性不是很好。对于焊接连接来说，只要焊接强度足够，单体电池连接就能达到很好的稳定性。另外，焊接连接省去很多螺栓，减轻了整个电池包的质量。

文章的电池系统中，单体电池之间，先用铜片和铝片采用超声波焊接，然后铜片和单体电池负极用激光焊接，铝片和单体电池正极用激光焊接，如图3所示。加入超声波焊接，解决了异种材料焊接困难的问题。此方案，经焊接试验后，证明效果良好。并且，成组焊接后产生的直流阻抗以及焊接强度满足设计需求。

图3 单体电池焊接方案

1.2.2 电池模块间电连接设计

当相邻模块电池距离近的电极之间距离≥80 mm时，距离近的串联连接的异性电极通过高压动力电缆连接。当相邻模块电池的电极距离相对较远时，采用高压动力电缆的连接方式可以有效减少模块电池之间因为距离造成的电能损失。动力电缆的可靠性直接关系到整个电池系统的安全性，故动力电缆优先选择国外生产且已推广使用的车载高压动力电缆。根据控制策略限制的充放电电流大小，确定使用50 mm2高压橡胶动力电缆。由于电池内部只存在直流电压，故选择不带屏蔽层的高压动力电缆。

当相邻模块电池距离近的电极间距离<80 mm时，距离近的电极通过编织金属连接片BB（BUSBAR）连接。当相邻模块电池的异性电极距离较近时，编织金属连接片BB作为模块电池间的连接导体，具有良好的导通性，同时相比高压电缆降低了成本。电池模块之间采用软连接结构，代替刚性连接或很长的线束连接，如图4所示。这样，既提高了电连接的安全性，防止了振动发生的危险[3-5]，避免了近距离动力电缆连接的不方便性，又降低了电池模块之间的连接电阻，保证了电池包的电性能。

图4 电池模块编织金属连接片

1.3 电池高压回路控制系统设计

1.3.1 高压电器盒的设计

在电池高压回路控制系统中设计了1个高压电器盒，内部设置有2个高压继电器、1个预充电继电器、1个预充电电阻、电流传感器、加热回路及其接触器和与之相连的高压输出插座。在高压电器盒中设置高压继电器可以实现模块电池与外界高压直流动力电缆连接关系的切换，起到安全保护的作用。

通过闭合或断开电器盒内的高压继电器实现蓄电池组与对外高压直流动力电缆的连接与断开。预充电回路的设计主要实现了保护负载电容、保护电池本体和保护继电器（防止电弧产生）3个功能。

电流传感器设计主要实现了电池包输出电流的监测，因为电流值的监测正确性直接影响SOC（荷电状态）的估算精度，最终会影响到电池包使用性能和寿命。采用大小双通道的霍尔电流传感器设计就更进一步保证了电流采集精度的可靠性[6]。

电器件设计选型原则是首先满足额定电压及电流的要求，即保证电性能上的可靠性。其次考虑的是满足振动要求、机械寿命和电气寿命。电器件严格按照设计规范进行设计选型[7]。

1.3.2 高压互锁的设计

电池包的安全性是电池包设计的首要考虑因素。基于SAE J2344中对车载动力电源的设计要求，高压互锁是必不可少的一个安全需求。电池包与整车对接接口有高压连接器和低压通讯连接器，设计在存在危险电压的回路中使用细微的信号对电连接进行检查。一旦出现电连续性损失，例如某个连接器断开，自动断开装置就会启动，断开暴露的危险电压[8]。

图5示出电池高压互锁连接示意图。现行的设计方案是将电器盒中高压继电器线圈供电回路与高压连接器、维护开关（MSD）和低压通讯连接器的高压互锁信号线串联在一个回路里，任何一个插头不是处于连通的状态，就会出现电连续性断开的情况，直接导致继电器的控制线圈处于断路的状态，高压继电器就不会闭合，这样就将电池包的高压与外部断开，从而保证人身的安全性。

图5 电池高压互锁连接示意图

1.3.3 维护开关（MSD）及保险的设计

在电池模块7和电池模块8之间设计了一个MSD。此产品集成了一个熔断器于其内部，既起到在危险状况，手动断开电池包高压维护开关的作用，又起到熔断器作用（在电池包意外出现严重过载或者短路的情况下，断开电池模块间的串连接）。将其设计布置在模块7和模块8之间的目的就是在出现危险状况的情况下，最大限度地断开电池包的高压，使断开两侧电压均匀。

其中熔断器额定电压和额定电流的选择也要充分考虑其在电池包中功能实现的可靠性及熔断的及时性。根据电池包内部的使用环境温度应在60℃之内，电池包最大放电电流为250 A，综合各种不同熔断器的参数曲线，最终确定熔断器的额定电压应≥700 V，圆整后熔断器的额定电流选择为350 A。

1.4 电池包高低压线束系统设计

线束系统的布置设计充分利用了空间优势，将高低压线束严格区分开布置，实行高压在低、低压在高的平行布线。将高压动力电缆通过线夹固定在壳体地板上，并满足电气间隙的要求。低压通讯线束则通过在电池模块顶部的线槽，与各个系统产生电连接关系。这样的布置提高了整个电池包高低压线束系统布置的安全性和可靠性，在视觉上也显得更加美观，并且方便维护。电池内部高低压线束系统布置示意图，如图6所示。

图6 电池内部高低压线束系统布置示意图

系统的设计方法为：

1）电池内部的低压用电部件通过低压线束连接至电池包管理系统内，管理系统根据模块电池控制系统、冷却系统及高压回路控制系统控制线束传送来的信号发送相应的指令，使各用电设备进行正常工作。低压线束通过在模块电池顶部壳壁预留的线槽，将电池内部的模块电池控制系统、冷却系统及高压回路控制系统与电池包管理系统连接。

2）根据各用电器件的功率不同，确定各种导线的线径及规格型号。电池内部的使用环境较好，故电源、普通信号线最后选择使用汽车级的德标导线FLRY-B，耐温等级达到-40～120℃；CAN通讯导线采用带屏蔽层的双绞导线。

3）电池包的高压部分通过高压动力电缆连接至电池对外输出高压电器盒，通过闭合或断开电器盒内的高压继电器来实现蓄电池组与对外高压直流动力电缆的连接与断开。高压动力电缆部分通过电池包内壳壁的线扣固定在箱体地板上，最后连接至高压电器盒。高压动力电缆的布置需充分考虑到弯曲半径，最小半径一般≥5倍的电缆直径[9]，避免弯曲电缆脱离连接端的电连接。

1.5 电池管理系统布置设计

电池的管理系统主要实现了3个方面的功能：准确估算电池包的SOC，保证电池不会出现过充电和过放电而影响电池包的寿命；动态监测电池包内各个电池单体的电压、电流及温度状态，实现与整车的实时通讯功能；实现电池内部的均衡功能。

由于管理系统包括金属外壳和内部电子器件，布置应充分考虑散热性和屏蔽隔离性。布置设计时将其固定于风机的壳体上，这样金属的直接接触有利于热量的散失；远离大电流的器件有利于抗干扰能力的加强。这样的布置更加有利于拆卸且便于维护。

2 电池包结构布置设计

2.1 电池包箱体结构设计

电池包位于公交车的底盘上，装载空间有限，由于受整车空间尺寸以及电池模块尺寸的限制，采用将电池包中15个电池模块分2层放置。电池箱上下层框架示意图，如图7所示。

图7 电池箱上下层框架示意图

电池包箱体结构必须保证在最大容纳空间的基础上具有足够的强度。电池箱采用框架结构，框架采用型材焊接而成，框架外围由5块钢板拼接而成，这样有利于装配。然而，相对于电池箱外围焊接成一个整体而言，钢板拼接容易使电池箱外围与电池箱内部框架之间形成间隙，影响通风散热、防尘及防水的效果，所以还要加强电池箱的密封设计[3-4]。

2.2 电池包密封与防振设计

2.2.1 电池包密封设计

由于动力电池包安装在汽车底盘上，因此要对电池包进行防水和防尘的设计。参照相关标准，设计电池包的防护等级为IP55。

采取的密封措施是在电池箱外围钢板上粘贴密封垫。后续工作中，需参考相关测试标准，对电池包进行防水试验，以验证电池包的防水性能。

2.2.2 电池包防振设计

公交车在运行过程中，汽车的振动会引起电池包在X，Y，Z 3个方向的振动，影响电池包的性能[5]。

电池包在量产前，需进行振动试验。试验后应实现：绝缘性能良好，振动前后电阻变化量小于0.5 MΩ；振动前后电池包电压之差小于300 mV；无共振及机械连接和电连接失效现象；散热风机能正常工作；电池管理系统正常工作。

文章通过在电池箱底部与整车接口处安装8个橡胶减振座，来缓冲汽车在运行过程中电池包产生的振动。减振座布置图，如图8所示。

图8 电池包减振座布置图

2.3 电池包冷却系统布置设计

锂离子电池包，特别是汽车上装载的大容量、高功率的锂离子电池包，对温度变化较敏感。文章中的插电增程式公交车的锂离子电池包，在实际工作中的充放电电流在200 A左右。汽车在行驶过程中，电池包频繁地充放电产生的热量是明显的。太高或太低的温度都会影响电池包的充放电性能和许多特性参数，如内阻、电压、SOC、可用容量、充放电效率及电池寿命等。因此，要设计合理的散热结构，使电池工作在所允许的温度范围内，且单体间的相互温差不超过某一数值。一般，锂离子电池的使用温度范围为-20～60℃，通常将它的工作温度控制在0～55℃。参考国内外相关标准，设法将单体电池间的相互温差控制在5℃以内[10]。

考虑到动力电池包是用于插电增程式公交车，一般情况下，采用风冷散热即可。若是乘用车用电池包，由于空间的密封性，则要考虑是否需要采用水冷散热。此设计中采用并行通风散热的方式对电池进行风机抽风冷却。

15个电池模块分2层放置在电池箱中。为了尽量使各个电池模块散热均匀[7]，将从进风口过来的冷风分成3股风流，对电池模块进行散热，如图9所示。

图9 电池包散热结构示意图

电池包安装在汽车底盘上行李舱的位置，通过车身侧门将电池包进出风口与乘客舱隔离，避免了乘客无意间将水或其他脏物投入进风口。

在出风口处，留出了一定的空间，是为了便于空气流通，使电池包内的热风尽快排出，不影响散热效果。另外，出风口不能竖直冲向地面，以免地面灰尘倒吸入电池包内部。

3 结论

文章对插电增程式公交车用锂离子电池包的整体布置设计进行了分析说明。从单体电池间及模块电池2个方面说明了所涉及的电连接设计理念；从高压电器盒、高压互锁、手动维护开关及保险方面进行了安全设计，以确定电池包高压电安全的设计方法及考虑因素；对电池包冷却系统设计了电池包散热风道，尽量使各个单体处于所允许的工作温度范围内，并且使电池包散热均匀。文章介绍了本电池包中热管理的功能及布置方式，而未对其具体策略和电路进行说明。热管理的设计是整个电池系统的核心，接下来的工作中，会对电池包进行功能和性能测试，根据试验结果，对电池包的热设计进行优化。