基于整车动力需求的动力电池系统方案设计

刘宝泉

（威马汽车科技集团有限公司，浙江 温州 325000）

1 整车动力及续航里程需求

1.1 首先确定整车续航里程要求

不同的车型，例如纯电动汽车 （BEV）、插电式混合动力汽车 （PHEV）、混合动力汽车 （HEV）等，在NEDC综合工况或WLTP工况下，纯电续航里程均不同，整车质量及百公里能耗水平也不尽相同。

1.2 功率和工作电流

整车在急加速情况下，动力电池系统需要提供短时脉冲放电功率，对应工作电流为峰值放电电流［1］；在紧急制动情况下，需要提供短时能量回收功率，对应回馈电流为峰值充电电流。

在平路持续加速或长坡道时，需要提供持续稳定的放电功率，对应的电流为持续放电工作电流。

峰值放电工作电流=蜂值放电功率／电池系统端电压，峰值充电工作电流=峰值回充功率／电池系统端电压，持续放电工作电流=持续放电功率／电池系统端电压。

1.3 额定电压及电压应用范围

参照GB／T31466—2015《电动车辆高压系统电压等级》，对于高速电动车辆动力电池系统的额定电压等级可选择144V、288V、320V、346V、400V、576V等，且需要与整车的电机控制器及电机的工作电压相匹配，例如三元电池系统电压范围上下限各为系统额定电压的115%和77%。

1.4 温度应用范围

动力电池系统要求在-20～60℃外部环境温度中能正常工作，在-40～60℃范围内能进行存储。

1.5 电池系统质量限制

要满足GB／T28382—2012《纯电动乘用车技术条件》动力蓄电池 （包含电池箱及箱内部件）总质量与整车整备质量的比值不宜大于30%的要求。

1.6 动力电池系统容量

依据整车的续驶里程、整车性能 （加速时间、最高车速、爬坡度等）要求，推算出总能量需求。动力电池系统容量主要基于总能量和额定电压来进行计算。电池系统容量=总能量／电池系统额定电压，电池系统可用容量=总能量×可用SOC（%）／电池系统额定电压。

1.7 可用SOC范围

在SOC范围内电池系统必须满足峰值放电功率大于整车最大负载功率，峰值充电功率大于最大能量回馈功率。这是受单体电池功率能力所限制，例如：在低SOC、低温条件下，放电功率受限；在低温、高SOC条件下，充电功率受限。

为了保护动力电池系统，延长其使用寿命，充电时不能充满电 （接近100%SOC），放电时不能完全放电 （低于5%SOC），通常BEV动力电池系统SOC可用窗口5%～95%；PHEV产品SOC窗口15%～95%；HEV产品SOC窗口25%～75%。

2 单体电池的选型与设计

单体电池的选型和设计遵从动力电池系统性能要求及输入。

2.1 单体电池容量选型依据

1）单体电池的技术成熟度。优先选择已经稳定量产的电芯容量规格。

2）单体电池质量能量密度、体积能量密度。优先选择质量能量密度、体积能量密度较高的单体电池。有助于提升动力电池系统级的能量密度，相应整车续航里程提升一定程度。

3）单体电池的安全性。单体电池容量越大，对应能量越高，散热量增大，安全风险越高。

4）单体电池串并联组合后总能量与设计容量差别。基于现有的单体电池进行选型，单体电池容量是固定的，因此成组之后的总能量可能与理论计算的电池总能量有差别，所以要选择成组后能最接近目标总电量的单体电池。

5）电池系统电池包体积及内部空间限制。尽可能不占用乘坐空间或有效载荷空间。选择合适尺寸的单体电池，充分利用电池箱内有限空间，提高空间体积利用率。同时，为了兼顾不同整车厂不同车型的布置需求，单体电池尺寸设计要做到通用性和标准化。

2.2 单体电池类型选择依据

相比铅酸蓄电池、镍氢电池，锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电率低等优点，并且具有使用电压范围宽、无记忆效应、环境友好等优点，是主流的电动车辆动力电池类型。

主要考虑因素如下：①不同类型电动车辆对动力电池需求的差异性；②不同电化学体系电池的优劣势，磷酸铁锂LiFePO4／C、镍钻锰三元NCM／C、锰酸锂LMO／C等均不相同；③不同结构动力电池自身的差异性 （圆柱形、方形硬壳、软包等），包括电化学电气性能、安全性、技术和工艺成熟度、成本价格等。

3 动力电池系统设计示例

3.1 纯电动乘用车系统参数和方案设计

某综合工况条件下达到500km续驶里程的纯电动乘用车，百公里耗电量约15kWh，为其设计的动力电池系统性能参数见表1［2］。

表1 500km续驶里程的纯电动乘用车动力电池系统参数表

动力电池系统总能量约为75kWh，可用能量约为67.5kWh。整车选用的电机和电机控制器额定工作电压约为400V，则电池系统总容量为：电池系统总容量=总能量／电池系统额定电压，75000Wh／400V=187.5A，进而推算出单体电池串并联方案［3］，见表2。

表2 单体电池容量选型、设计与并联方案

电池系统质量能量密度=总能量／总质量=166Wh／kg，因此应选用具有高能量密度的三元体系锂离子动力电池。

单体电池额定电压3.65V，则系统的单体电池串联数量：单体电池串联数量=电池系统额定电压／单体电池额定电压=400V／3.65V=109.6≈110。单体串联方案及系统电压参数见表3。

表3 单体电池串联方案示例

电池系统峰值功率与总能量比值 （P／E）约为3，所以应选用偏能量型的单体电池。以系统集成效率约为70%计算，单体电池的比能量应不小于237Wh／kg。按电池系统使用寿命 （10年或24万km）和循环寿命 （1500次）要求，选用的单体电池循环寿命应不小于1800次。由于续驶里程需求的差异性及相关政策驱动等因素影响，整车的纯电续驶里程不尽相同，例如400km、500km、600km等。系统的总容量、单体电池的容量设计和系统串并联方案见表4。

表4 不同续航里程的电池系统容量设计和系统串并联方案

3.2 插电式混合动力乘用车系统参数和方案设计

某综合工况条件下达到80km续驶里程的插电式混合动力乘用车［4］，百公里耗电量约20kWh，我们为其设计的动力电池系统性能参数见表5。

表5 80km续驶里程的插电式混合动力乘用车动力电池系统参数表

电池系统峰值功率与总能量比值 （P／E）约为6.5，所以应选用偏功率型的单体电池，按系统集成效率约为70%计算，则单体电池的比能量应不小于205Wh／kg。按电池系统使用寿命 （10年）和循环寿命 （3000次）要求，选用的单体电池循环寿命应不小于4000次。由于不同用户群体需求的差异性及政策驱动等因素，整车纯电续驶里程也存在不同设计需求，例如60km、80km、100km、120km等。系统的总容量、单体电池的容量设计和系统串并联方案见表6。

表6 不同续航里程的电池系统容量设计和系统串并联方案

4 总结

通过将整车动力需求、续航里程需求、国标要求等信息作为动力电池系统设计输入，结合理论计算，完成电池系统参数制定、串并联方案设计、单体电池类型及容量选型等工作。并以纯电动汽车、插电混动汽车为例，给出了两类动力电池系统的正向设计思路及方法。对于提高电池系统设计效率、提升整车动力匹配性具有指导意义。