动力电池系统（图1）设计要以满足整车的动力要求和其他设计为前提，同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。整车厂会针对要设计的整车，在考虑安全设计、线束连接设计、插接件设计等相关要求后，形成一个有限的动力电池系统空间大小。然后在有限的空间约束下，进行电池模组、电池管理系统、热管理系统、高压系统等布置，保证电池单体及模块均匀散热，保证电池的一致性，提高电池系统的寿命与安全。设计时要考虑到的一些整体和通用性原则包括安全性好、高比能量、高比功率、温度适应性强、使用寿命长、安装维护性强、综合成本低等。

图1 动力电池系统构成

(资料图)

动力电池系统方案设计流程

由于不同种类电动汽车的结构和工作模式的不同，导致对动力电池的性能要求也不一样。纯电动汽车行驶完全依赖于动力电池系统的能量，电池系统容量越大，可续驶里程越长，但所需电池系统的体积和重量也越大。虽然混合动力汽车对动力电池系统的容量要求比纯电动汽车要低，但要能够在某些时候提供较大的瞬时功率。而串联式和并联式混合动力汽车对电池系统的要求又有所区别。

动力电池系统的设计流程一般如下：

1）确定整车的设计要求。

2）确定车辆的功率及能量要求。

3）选择所能匹配合适的电池单体。

4）确定电池模块的组合结构形式。

5）确定电池管理系统设计及热管理系统设计要求。

6）仿真模拟及具体试验验证。

动力电池系统方案设计需求

方案设计需求的目的是了解整车及用户对动力电池系统的相关要求，确定方案的设计需求和预期达成的目标，并分析与实际需求之间存在的差距。在产品开发初期，系统需求分析的主要作用是构建产品总体功能、总体结构和系统参数等。

1．动力电池系统的总体功能

作为电动车辆的重要组成部分，动力电池系统用来给一个车载高压电气系统提供电能的吸收、存储和供应，并且能通过车载充电机，或者连接到电网或发电机的专门充电装置进行充电。总体功能如下：

•提供电能（支持整车驱动，同时支持其高压附件系统工作）。

•充电功能（接收交流充电器和直流充电器充电）。

•回收电能（接收整车电机再生制动回收的能量）。

•存储电能（支持长时间的能量存储，不发生明显的自放电或能量损失）。

•满足工作温度、存储温度、湿度条件，以及海拔条件等环境要求。

•满足整车电机、电机控制器等工作电压范围要求。

•满足能量、充放电功率性能要求。

•满足使用寿命、存储寿命要求。

•满足力学性能和安全性能要求，包括机械刚度和强度、重量/轻量化要求、机械振动和冲击、跌落、碰撞防护、密封防护要求（防尘、防水），以及满足机械滥用（挤压、穿钉等）的安全要求等。

•满足压力平衡/补偿，以及紧急排气要求。

•满足阻燃性能要求。

•满足耐蚀性要求。

•满足热失控蔓延控制要求。

•满足外部火烧要求。

•提供电能物理参数（电压、温度、电流等）实时监测功能。

•提供电池状态［荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）等］估算功能。

•提供CAN通信功能、CAN网络管理功能。

•提供故障诊断和预警功能。

•提供电池安全保护（过充电/过放电/过温保护等）功能。

•满足高压电安全管理要求，至少包括高压互锁（HVIL）、高压绝缘监测、继电器状态诊断、碰撞断电保护。

•满足功能安全要求。

•满足电磁兼容（EMC）要求。

•满足热管理要求，包括高温散热、低温加热、保温、热分布均匀性要求。

•满足可制造性、可维护性要求。

•满足质量与可靠性要求。

•满足相关法律法规及相关政策性要求。

•满足强检认证相关要求。

•满足环境兼容性要求。

•满足可回收、循环利用要求。

2．动力电池系统的总体框架

系统方案设计通常采用类似于结构化的分析方法，讲一个复杂的产品分解成多个容易分别实现和维护的子系统层级。按结构组成划分，整个动力电池系统各主要子部件构成如下所述。

1）电池模组。主要由电池单体、模组结构件（如端板、侧板、底板、盖板、绝缘、导热部件等）、电池参数检测传感器（如温度/电压采样传感器及线束等）、电气连接部件（如电池单体串并联汇流排、模组输出极等）等组件构成。

2）电池箱体构建。主要由电池箱体（上盖、下壳体）、固定/支撑结构部件（支架、压板/压条等）、密封组件（如密封条）、平衡阀（具有防爆炸功能）、标准件（如螺栓、螺母、垫片等）等组件构成。

3）电子电气组件。主要由电池管理系统、继电器、熔丝、电流传感器、预充电阻、高/低压线束、连接器等组件构成。

4）热管理系统组件。主要由冷板、软管、管接头、弹性支撑、电阻丝/加热膜等组件构成。

5）功能辅件。主要由平衡防爆阀、卡扣、扎带、密封圈/垫、密封胶、导热胶等组件构成。

3．动力电池系统参数

（1）额定电压及电压应用范围

对于高速电动车辆动力电池系统的额定电压等级，参照《电动汽车高压系统电压系统电压等级》（GB/T 31466—2015）可选择144V、288V、320V、346V、400V、576V等。对于微型低速电动车动力电池系统的电压等级，100V以下主要以48V、60V、72V和96V为主。

动力电池系统的额定电压及电压范围必须与整车所选用的电机和电机控制器工作电压相匹配，因此为保证整车动力系统的可靠运行，需要根据电动整车电机的电压等级及工作电压范围要求，选择合适的电池单体规格（化学体系、额定电压、容量规格等）并确定电池单体的串联数量、系统额定电压及工作电压范围，通常允许使用的电压范围上限为系统额定电压的115%～120%，下限为系统额定电压的75%～80%。

（2）动力电池系统容量

整车概念设计阶段，从整车车重和设定的典型工况出发，根据续驶里程、整车性能（最高车速、爬坡度、加速时间等）要求，可以计算出汽车行驶所需搭载的总能量需求。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。

（3）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，对应的工作电流为峰值放电电流；在紧急制动情况下，需要提供短时能量回收功率，对应的回馈电流为峰值充电电流。

整车在平路持续加速或长坡道时，动力电池系统需要提供稳定的持续放电功率，此时要求能够长时间稳定输出一定额度的电流，即持续放电工作电流。

（4）可用SOC范围

在动力电池系统产品设计上，由于SOC可用范围会直接影响总能量的设计，直接体现到电池单体的选型及数量要求，因此，也会对电池箱体的包络尺寸设计、内部布置及安装空间间隙以及对总体成本等方面产生最直接的影响。动力电池系统SOC应用范围的选择首先考虑整车对充放电功率和可用能量等方面的需求，同时结合电池单体在不同温度条件下的充放电能力（功率和能量）、存储性能（自放电率）、寿命、安全特性，以及电池管理系统的SOC估算精度等影响因素来确定。

动力电池系统在其应用SOC范围内必须满足整车负载的峰值放电功率要求，保证电池系统具有的峰值放电能力大于负载的最大功率需求；同时，为了尽可能多地接受回收的能量，应满足所设定的峰值充电功率回充功率要求。由于动力电池系统的充放电功率能力主要受选用的电池单体功率能力限制，其中：在低温、低SOC条件下，电池单体的放电功率会受到限制；在低温、高SOC条件下，电池单体的充电回充功率会受到限制。因此，需要结合整车动力系统峰值（放电回充）功率需求，定义SOC可用范围。动力电池系统SOC使用范围的选择还要根据整车设计的纯电续驶里程目标，通过分析整车能耗情况确定对应的可用能量需求，计算动力电池系统可用能量与整车能量需求差距，并调整SOC使用范围需求。

通常，为了更好地保护动力电池系统，并延长其使用寿命，充电时不能将其充满电（接近100%SOC），放电时也不能完全放电（低于5%SOC），否则可能会损坏电池单体，缩短其使用寿命。但是，如果单方面为了延长动力电池使用寿命而加大电池系统的能量，来减小SOC使用区间，对于系统成本和空间布置都会产生不利影响。

由于动力电池均存在一定程度的自放电现象，因此，考虑到电池包的存储周期可能达到3个月以上（6个星期的工厂物流／配送和6个星期的存储区存储）的情况，为避免因为自放电而导致发生电池单体过放电的情况发生，通常动力电池系统的SOC的下限应不低于5%。

综上所述，动力电池系统SOC使用区间的选择应该综合权衡以上各个影响因素，因此，需进行综合平衡选择，确定SOC使用区间的最佳方案。通常，BEV动力电池系统SOC可用窗口70%～95%；PHEV产品SOC窗口20%～95%；HEV产品SOC窗口30%～70%。

（5）温度应用范围

动力电池系统的温度应用范围主要考虑：低温条件下对单体电池的充电、放电功率和能量的影响；高温条件下对电池单体的寿命和安全特性的影响。基于整车对应的持续放电和脉冲放电功率能力要求，以及电池单体在低温条件下的充电窗口，确定温度下限应用范围。为避免由于温度过高引起电池单体寿命的快速衰减和出现热失控，根据电池单体的温度特性及以往电池包产品使用经验，确定温度上限应用范围。

1）工作温度范围。一般情况下，动力电池系统要求在-20～60℃外部环境温度中能正常工作。在低温条件下，动力电池系统由于受到电池单体功率特性的限制，很难满足整车正常条件下的峰值放电或峰值回馈充电功率需求。在高温条件下，动力电池系统由于受到电池单体温升特性、安全及可靠性应用温度范围等因素的限制，不能按峰值放电或峰值回馈充电功率进行工作。因此，需要基于电池单体的温度和功率特性，在低温、低SOC 状态下对应放电功率能力和高温、高SOC状态下的充电功率能力结合使用温度区间进行限制。

2）存储温度范围。一般条件下，要求动力电池系统产品能在-40～60℃范围内进行存储。由于动力电池系统产品装配完成之后，会经历由制造工厂出厂，经由物流运输（夏季高温运输途中暴晒）和配送到整车厂物料仓库存储区进行存储的情况，因此，要求动力电池产品能满足：在环境温度不超过45℃条件下，允许存储2～3个月，不发生明显的寿命衰减（或出现明显的不可逆容量损失）。

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