干货电动汽车动力电池系统知识一次看个够文档格式.docx
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其次，要充分考虑电池包的位置对整车安全性能的影响，尤其是在发生碰撞、翻滚、跌落等极端情况下，电池包是否会因为很大的加速度或严重的挤压变形，发生起火和爆炸，或者是否会有电池包的部件进入乘客舱，引起附加伤害。
第三，要充分考虑电池包的重量和形状对整车结构寿命的影响，因为电池包的重量通常达到数百公斤，给整车的底盘和悬挂带来很大的静态载荷和动态载荷，在长时间的振动、冲击条件下，很容易引起整车机械部分的疲劳损伤，降低寿命。
第四，要充分考虑电池包的散热条件，尤其是在高温工作条件和高电气载荷工作条件下，电池包会产生大量的热量，如果散热条件不理想，或者靠近热源，会引起电池包的寿命加速衰减。
第五，电池包在整车的安装位置，还会影响到整车的轴荷分配和重心，进而影响到整车的驾乘体验和舒适性。
我们总结了市场上几款常见的电动汽车产品，将电池包在整车上的装配空间和位置加以概述，以供读者参考。
2.3.1
工字型和T字形电池包安装
早期的电动汽车，都是基于传统的燃油车进行改装，在去掉发动机、变速箱、油箱和一些传动装置，这样整车上空出来的空间，是最适合安装电池包的。
图1-32
芝诺1E纯电动汽车电池包安装位置
华晨宝马芝诺1E纯电动汽车就有一个典型的工字型电池包，在宝马X1车型的基础上，充分挖掘可以利用的布置空间，前后串联的三个高电压蓄电池单元则被安装在车身的前部（前机舱盖下方的发动机位置）、中部（传统的传动轴通道中）和后部（传统燃油箱的位置），这样的设计可以确保更好的前后轴负荷分配，赋予车辆更低的重心，同时让车辆在碰撞发生时更加安全。
图1-33VoltT字形电池包及安装位置
雪弗兰“沃蓝达”（Volt）是一款典型的T字形电池包布置，因为是一款增程式电动车，因此发动机和油箱仍然保留，设计师充分利用了去掉变速箱和传动轴后的空间和后排座位下面的空间，将电池包设计成一个“T”型。
不管是华晨宝马芝诺1E，还是雪弗兰Volt，都是在传统燃油车基础上做了非常小的改动，空间非常有限，能够装载的电池包体积和重量都受限，因此容量不大，续航里程也有限。
华晨宝马芝诺1E采用宁德时代（CATL）的磷酸铁锂电池，Pack容量为27kWh，可达到150km的续航里程，第一代雪弗兰Volt车型采用LG的锰酸锂电池，Pack容量为16kWh，纯电续航里程为64km。
2.3.2
土字形电池包安装
要想进一步提升整车的续航里程，就必须要增加整车的电量，有两个可行的途径：
提高电池包的能量密度，在同样的空间内存储更多的电量；
扩展电池包的空间，增大电池包的体积和重量，进而增加可用电量。
一般而言，能量密度的提升是比较缓慢的，受制于动力电池技术的进步速度，很难在短时间内大幅度改善，那么就需要我们在电池包的体积上面做文章，从整车上面挖掘更多的空间，来装载更多的电池，存储更多的电量，从而提升电动汽车的续航里程。
图1-34e-Golf
土字形电池包及安装位置
2015版e-Golf电池包是一个典型的“土”字形结构，充分利用了整车上可以利用的空间。
总电量为24.2kWh，总电压为320V，容量为75Ah，电池包重量为313kg，体积为229.4L。
2016年起，大众选用新的三元电芯，在原有体积不变的情况下，电池包的总电量达到35.8kWh，整车的续航里程也从134公里提升至200公里。
图1-35吉利帝豪EV电池包安装位置
吉利帝豪EV车型则是另一款“土”字形电池包的代表，为了装载更多的电池，吉利还对整车的底盘做了二次开发，腾出了更多的形状规则的空间，用于容纳锂离子电池组。
2015款的帝豪EV采用了宁德时代的三元电芯，电量为44kWh，续航里程达到250km。
2017款的帝豪EV，仍然采用同样的三元电芯，但是对电池包、热管理系统和动力总成做了设计优化，从而使得续航里程达到了300km。
“土”字形的电池包，可以将电动汽车的续航里程提升到200~300公里，如果想进一步提升续航里程，就有相当大的难度了，因为整车可拓展的空间已经被挖掘的差不多了。
2.3.3
一体式（滑板式）电池包安装
受限于传统燃油车的结构局限，不管怎样挖掘可用空间，始终不能实现电动汽车的最优化设计。
客户对于电动汽车续航里程的需求，已经从100公里、200公里，提升到300公里、400公里，甚至是500公里以上。
在这种情况下，电池包和底盘的一体化设计，已经逐渐成为一种必然的趋势。
这是一种全新的产品思路，整车的设计需要围绕核心零部件电池包来展开，将电池包进行模块化设计，平铺在车辆的底盘上，以最大限度获得可用空间，调整整车的重心位置，同时还可以利用电池包的结构来加强底盘的强度和刚度，也可以利用整车的框架强化对电池包的结构防护。
图1-36
一体式电池包安装示例
最早采用这种方案来做整车设计的是Tesla，在畅销的ModelS和ModelX车型上，Tesla都采用了电池包和底盘的一体化设计，以达到最优的车辆性能。
得益于领先对手的设计思路，ModelS车型可以给用户提供多种规格的电池包容量，从60kWh一直扩展到90kWh，续航里程可以达到惊人的526公里（P90D版本），这是在传统燃油车进行改造所无法达到的。
图1-37
大众一体式电池包示例
在Tesla的成功指引下，大众和宝马等车企也纷纷跟进，推出了自己的一体式电动汽车产品解决方案。
大众汽车集团推出了电动汽车专用平台：
MEB平台，预计将于2019年投入使用，该平台具有较强的扩展性。
这意味着，大众的设计师可以通过改变轴距、轮距以及座椅布局，以应用于更多种类的车辆制造。
而安装在底盘上的电池组则尤其引人瞩目，由于完全模块化设计，它允许工程师按照适用车辆的类型来调整电池组的数量和大小，从而满足不同车型的需求。
大众汽车集团希望借助MEB平台（电动车模块化平台）将纯电动车的续航里程提升至400~600公里之间，完全可以对标目前的燃油车。
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第2篇：
我国电动汽车Pack技术发展趋势
电动汽车产品要走入千家万户，在运营市场和个人市场占据非常重要的地位，必然要在续航里程、环境适应性、使用寿命、购置成本等方面能够追赶甚至超越传统的燃油车，这也给电池包的技术发展带来了更高的挑战。
4.1
我国新能源汽车的发展阶段
我国新能源汽车的发展阶段，从2009年开始算起，到2020年，可以大致划分为4个阶段：
第一个阶段：
2009年~2013年。
这个阶段，是技术、产品、用户、市场的积累期，这个阶段的特点是核心技术、产品形态、用户使用习惯等基本上都是空白，到底该怎么搞，大家都不知道。
但是有一点是毋庸置疑的，就是一定要发展节能与新能源汽车这个产业，这涉及我国能源安全，事关我国汽车产业能否做强，也是我国制造业转型升级的必由之路。
第二个阶段：
2014年~2015年。
经过第一个阶段的探索，核心技术有了一定的突破，产品形态呈现多种多样的局面，用户也慢慢的接受了新能源汽车这个新鲜事物，最重要的是，由于中央财政补贴和地方财政补贴的双重刺激，吸引了众多的企业和资本进入了这个产业，从而造成了2014年和2015年的井喷式发展。
第三个阶段：
2016年~2017年（进行中）。
我们把这个阶段叫做窗口期，或者摇摆期，是因为这个阶段是政策逐步让位于市场的阶段，但是由于政府对于监管的加强，以及消化前期政策所遗留的额问题需要一定的时间，客观上加剧了产业发展的波动，使得行业的发展在一年当中会出现大起大落的情况。
第四个阶段：
2018年~2020年（预测）。
我们把这个阶段称作突破期，政府建立新能源汽车产业发展的长效机制，补贴政策逐步退出，技术和产品取得重大突破，新能源汽车的市场化运作机制初步建立，从而一举奠定我国新能源汽车产业在全球的领先地位。
4.2
2020年的关键技术目标
不同的国家，对于新能源汽车的发展有各自的考虑，选择了适合自己的技术路线。
我国新能源汽车产业的发展，在产业目标、市场目标、技术路线等方面都有非常明确的规划，对整个产业的发展起到了非常好的促进作用。
这其中有三份比较重要的文件，对动力电池及Pack的技术路线会有很大影响，值得我们关注。
2012年6月28日
，国务院下达关于印发《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》的通知。
这是我国新能源汽车产业发展过程中最重要的一份纲领性文件，将节能与新能源汽车产业提高了国家战略的高度，对市场、产品、技术都做出了明确的规划。
2016年10月26日，受国家制造强国建设战略咨询委员会、工业和信息化部委托，中国汽车工程学会组织逾500位行业专家历时一年研究编制的《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，本项技术路线图描绘了我国汽车产业技术未来15年发展蓝图，对新能源汽车产业的技术路线做出了更加详细的规划。
2017年3月1日，工业和信息化部、发展改革委
、科技部以及财政部四部委公布了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，以加快提升我国汽车动力电池产业发展能力和水平，推动新能源汽车产业健康可持续发展。
这三份文件中，与动力电池及Pack相关的2020年技术指标，如上图所示。
要达到上述要求，未来几年在工程技术方面需要有比较大的创新。
4.3
技术挑战及发展趋势
以纯电动乘用车为例，2020年的典型技术参数如下：
450km的综合工况续航里程，已经完全可以满足运营市场的需求，达到每天只充一次电的目标，也可以满足个人用户长途驾驶的需要，接近传统燃油车的满油续航里程。
车辆使用温度范围广泛，可以适应我国90%以上的国土区域。
在快充状态下，可以做到15分钟充满80%的电量，大大缩短充电时间。
整车的整备质量小于1.5吨，百公里能耗在15度电以下，进一步提升电动汽车的能量转换效率。
为了达到上述技术指标，充分满足市场对于插电式混动汽车和纯电动汽车的需求，Pack技术必须在以下几个方面取得明显的进步。
（一）系统集成效率的大幅度提升
按照电芯能量密度300Wh/kg和Pack能量密度260Wh/kg的目标来计算，Pack系统的集成效率要做到85%，而当前乘用车Pack的集成效率普遍在65%左右，这意味着集成效率需要大幅度提升，才能达成目标。
要提高Pack的集成效率，有两个可行的途径，一是优化Pack内部的结构设计，大幅度减少Pack内部的组件数量，将更多的组件和功能集成在模组和箱体上，从而减轻重量；
另一个是采用轻量化的材料，如采用铝型材或复合材料代替高强度钢，采用塑胶件代替金属件等，也可以减轻重量。
（二）广泛的温度适应性
冬天可以在零下20℃，甚至零下30℃的低温下工作，夏天可以经受50℃的地面高温而不趴窝，同时还要承受3~4C的快充，这是电动汽车大范围推广的必要条件。
要满足这一要求，高换热系数和快速热交换的液冷/液热系统将成为Pack的标配。
液冷/液热系统的设计目标是在-30~50℃环境温度和4C快充工况下，将电池单体的工作温度控制在15~45℃、电池单体间的温差控制在5℃以内。
综合运用仿真分析和测试验证等手段，达到液冷/液热系统的最优化设计，才能做到-30~50℃的使用温度范围，以及大倍率和长寿命使用。
液冷/液热系统的设计，必须与整车的冷却循环系统相互匹配，必须与Pack的结构设计高度集成，必须达到极高的热交换效率。
（三）3~4C的快充将成为标配
想象一下，我们开着电动汽车出门，在充电站需要花费1个小时的时间进行充电，如果碰上充电排队，可能需要花费2个小时，甚至更长的时间，没有比这更糟糕的体验了。
家用慢充和充电站快充相结合，是电动汽车普及的关键因素之一，对于出租、公交、物流等领域的营运车辆来说，快充的重要性甚至要大于续航里程，因为充电的时间是无法载客或载货的，充电时间越长，意味着运营效率越低，损失越大。
比较合理的快充要求，是在15分钟内，充满80%左右的电量，这要求Pack达到3C以上的充电能力，在电芯的设计、电连接设计、热设计、安全设计、以及BMS的能量管理方面，都要做出非常大的技术突破。
（三）与车同寿命的Pack产品
因为电池包的成本很高，如果做不到与车同寿命，车辆的维护成本将非常高昂，用户显然不会愿意为这额外的成本买单。
以乘用车为例，如果是个人用户购买，通常需要达到8年/12万公里的寿命要求，如果用于营运，寿命可能要达到5年/40万公里。
要达到如此严格的寿命要求，除了电芯的循环寿命和日历寿命要达到目标，还需要电子、电气、机械组件也达到8年以上的使用寿命。
除此之外，在电芯的成组技术、系统的热管理和能量管理、以及Pack的售后维护等方面，也都有非常高的要求。
（五）总结
Pack技术的发展，涉及到多学科、多领域的知识，需要跨学科的技术融合，需要综合性的、系统性的产品开发思维，我们不能简单的把电化学、电子、电气、机械等作为核心技术看待，还要看到Pack产品所涵盖的材料、热交换、电磁兼容等方面的技术特征。
要开发一个可以装车的Pack产品很容易，要量产一个寿命、稳定性、可靠性、安全性都完全符合汽车级要求的Pack产品，则需要大量的工程实践、理论计算、计算机仿真和测试验证，还需要基于足够数量的产品进行迭代设计，不断的优化和完善。
本书的目的，在于通过系统的工程方法和大量的工程实践，为广大读者展示Pack产品设计与制造的基本流程和关键技术，推动新能源汽车产业的技术进步。
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第二章“动力电池系统总体方案设计”，作者：
2.1.4.1
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《GB/T31466-2015电动车辆高压系统电压等级》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，选择合适的单体电池规格（化学体系、额定电压、容量规格等）并确定单体电池的串联数量、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%。
2.1.4.2
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，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。
2.1.4.3
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；
在紧急刹车情况下，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。
2.1.4.4
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，直接体现到单体电池的选型及数量要求，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，同时结合单体电池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，为了尽可能多的接受回收的能量，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单体电池功率能力限制，其中：
在低温、低SOC条件下，单体电池的放电功率会受到限制；
在低温、高SOC条件下，单体电池的充电/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），否则可能会损坏单体电池、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，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芯过放电的情况发生，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产品SOC可用窗口10%~95%；
PHEV产品SOC窗口20%~95%；
HEV产品SOC窗口30%~70%。
2.1.4.5
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；
高温条件下对单体电池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，以及单体电池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单体电池寿命的快速衰减和出现热失控，根据单体电池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。
在整个生命周期内，动力电池系统产品必须满足使用区域的环境和气候条件，因此环境条件要求主要与整车目标市场区域相关，一方面需要结合整车用户分布的地域特点，另一方面主要考虑动力电池系统产品在整车上布置位置的温度特性，以及在生命周期中的应用环境温度特性。
按照10年的设计寿命（87600小时），在国内几个典型城市的环境温度分布数据：
表2-1国内典型城市的环境温度分布
整个生命周期中，考虑从动力电池系统产品装配完成之后，通过运输进入整车厂物料存放仓库、整车装配过程中会进入整车装配车间（高温喷漆）、日常运行过程中（行车、充电、驻车停放等过程），以及容量发生衰减后进行退役等过程中可能经受的环境温度、湿度及高海拔等环境条件。
主要是考虑没有外部的温度辅助和调节装置的条件下，动力电池系统暴露在整车装配、运输、存放，以及使用过程中，整个产品不会发生明显的功能降级，不会发生破损或破坏，更不会产生严重的安全问题或风险等。
（1）工作温度范围：
一般情况下，动力电池系统要求在10℃～50℃范围内能满足整车使用要求。
在低温条件下，动力电池系统由于受到单体电池功率特性的限制，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单体电池温升特性、安全及可靠性应用温度范围等因素的限制，不能允许按峰值放电或峰值回馈充电功率进行工作。
因此，需要基于单体电池的温度和功率特性，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℃范围内能进行存储。
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）。
动力电池系统产品在整车驻车停放在车库过程中，不能因为温度的变化导致自放电率大幅增加而发生过放电或者输出功率能力不足，导致影响整车的启动、爬坡性能。
第4篇：
模组结构设计之边界尺寸需求确定
节选自《电动汽车动力电池系统设计与制造技术》第二章“动力电池系统结构和电连接设计”，作者：
陈敏
3.2.1
需求边界
模组边界尺寸的需求来源于三个方面：
电芯，电箱（确切地说是来源整车，因为电箱的边界尺寸直接由整车决定），标准规范（国标推荐尺寸、行业规范等）。
第一个需求来源是电芯。
这个比较好理解，电芯是模组的基本单元，电芯的选择对模组的边界尺寸有非常大的影响，它直接影响模组边界尺寸的以下几个方面：
机械接口、电气接口和外轮廓的尺寸和形式。
在3.23会详细介绍三种不同电芯的常见的模组形式。
第二个需求来源就是电箱，确切的说是来源于整车，因为电箱的尺寸边界直接有整车决定。
对于商用车，由于整车空间较大，可以安装电池包的位置较多，Z向空间比较高，所以商用车的模组形式大多比较‘高大’，以充分利用商用车的车架高度优势。
图3.2
电动商用车电池包示例
乘用车有些不一样，乘用车的底盘较低，可安装电池包的位置也比较有限，所以导致乘用车的模组比较‘矮小’，Z向高度尺寸一般都在150mm以下。
而传统车更改的电动车在后排座椅或者后备箱的位置会有一个比较凸起的区域，此处区域的Z向高度较高，可能达到300mm左右，为了确保乘用车的续航里程，在此处区域也会想办法安装电池包，这样使得乘用车的模组种类增多，难度加大。
为减少模组种类，此处一般做双层设计或者改变模组的固定方向
图3.3Z向高度小于150mm（ModelS电池包）
图3.4利用后排底部空间（NissanLeaf电池包）
图3.5利用后排底部和中央通道空间（GMVolt电池包）
第三个需求来源是标准规范，其实这个需求来源跟第二个需求来源还有些关联，因为不管是乘用车还是商用车，在尺寸边界上是有一些共性的，这给模组尺寸标准化提供了一个基础。
反之，模组尺寸标标准化，对整车来讲也是非常有利的，例如尺寸标准化后,可快速的降低产品成本;
模组尺寸标准化,对车辆的售后也是提供了很大的便利。
另外,动力电池的原材料包含了不少贵金属,是一个价值比较大的产品,在车上的使用寿命到期之后,就回收拆解的话,是一个比较大的浪费行为;
如何回收再利用是一个势在必行的研究方向,
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