专题

浅析汽车动力电池包的组成、成组技术及成组效率对比

作者: 文/周志敏 来源:《动力电池》杂志4月刊 时间:2020-05-06

[摘要]本文在概述了汽车动力电池包组成的基础上,重点探讨了动力电池成组对电芯高能量密度、轻量化、结构设、安全、热管理、电气、标准化设计要求的要点,并对动力电池成组效率进行比较。

关键词:组成 要求 效率


1.汽车动力电池包的组成


在纯电动汽车中,动力电池包作为汽车唯一的动力来源,动力电池包电能的高低决定了电动汽车的行驶里程。提高动力电池包电能的方法有两种:采用高容量的电芯,使用更多的电芯。一般电芯容量越高,成本也越高。因此优化动力电池包的结构,尽量使用更多的电芯成为动力电池设计过程需要考虑的重要因素。


动力电池系统


1)动力电池模组


动力电池模组是动力电池包的“心脏”,负责储存和释放能量,为电动汽车提供动力。动力电池模组可以理解为动力电池单体经由串并联方式组合成的多个PACK, PACK是单个组件,是包装、封装、装配的意思,其工序分为加工、组装、包装三大部分。


动力电池模组通过结构设计,再加上动力电池管理系统和热管理系统就可组成一个较完整的动力电池包。动力电池包通过工艺、结构固定在设计位置,协同发挥电能充放存储的功能。可以说模组的基本作用就是连接、固定和安全防护。


动力电池单体即电芯按正极材料来分,主要包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。动力电池模组的结构必须对电芯起到支撑、固定和保护作用,可以概括成3个大项:机械强度,电性能,热性能和故障处理能力。


动力电池模组按电芯的结构形状可分为:圆柱电芯和方形电芯以及软包这三种,其各自的优缺点也十分明显。在一定程度上,电芯的性能决定了动力电池模组的性能进而影响整个动力电池包的性能。因此在进行动力电池包设计时一定要根据整车的设计要求去选择电芯的材料及形状。


动力电池模组是否能够完好固定电芯位置,并保护其不发生有损性能的形变,如何满足载流性能要求,如何满足对电芯温度的控制,遇到严重异常时能否断电,能否避免热失控的传播等,都将是评判动力电池模组优劣的标准。


2)结构系统


结构系统主要由动力电池PACK上盖、托盘、各种金属支架、端板和螺栓组成,可以看作是动力电池PACK的“骨骼”,起到支撑、抗机械冲击、机械振动和环境保护(防水防尘)作用。动力电池包装载在汽车上,首先得考虑和满足机械方面的特征,产品需要具有足够的强度和刚度,在振动、冲击等机械载荷下不发生形变和功能异常,在碰撞、挤压、翻滚、跌落等事故状态下有足够的安全防护。


3)电气系统


电气系统主要由高压跨接片或高压线束、低压线束和继电器组成,高压线束可以看作是动力电池PACK的“大动脉血管”,将动力电池包心脏的动力不断输送到各个需要的部件中,低压线束则可以看作动力电池PACK的“神经网络”,实时传输检测信号和控制信号。


4)热管理系统


热管理系统相当于是给动力电池PACK装了“空调”,因为动力电池充放电的过程实际上就是化学反应的过程,化学反应会释放大量的热量,需要将热量带走,让动力电池处于一个合理的工作温度范围内,以提高动力电池的寿命和可靠性。热管理系统主要有4类:风冷、水冷、液冷、相变材料。以水冷系统为例,热管理系统主要由冷却板,冷却水管、隔热垫和导热垫组成。


因为动力电池的内阻及电气连接部件阻抗的存在,在充放电条件下,动力电池包内部会发热,电流越大,发热量越大,如果不能及时把内部热量散出去,轻则影响动力电池寿命,导致使用寿命快速衰减,重则引起热失控,带来安全问题。动力电池包产品的热管理系统是非常复杂的,要解决加热、散热、保温、热均衡等几方面问题。


首先是针对外部环境的热管理要求,在北半球的高纬度地区,冬季的室外温度会达到-30℃,甚至更低,而在低纬度地区,夏季的地面温度可以达到50℃以上,电动汽车必须面对严寒和酷暑这两个极端的使用环境温度要求。


目前的动力电池技术,还无法应对这种挑战,为延长动力电池的使用寿命,也不能让动力电池工作在如此宽广的环境温度下,所以必须在设计动力电池包时,为动力电池装配“空调”系统,夏季能够降温,冬季能够加热,从而解决大范围变化的环境温度所带来的挑战。


5)动力电池管理系统


电动汽车依靠电能驱动车辆行驶,瞬时功率可能高达几百千瓦,电压范围从几十伏特到几百伏特,电流也可以达到正负几百安培,大电流的充电和放电,以及高电压的输出,意味着动力电池包有很高的电气载荷要求。


BMS系统


此外,整个动力电池包由非常多动力电池单体构成,为了有效地管理这些动力电池,控制动力电池包的充放电,以及响应整车层面的功能需求,动力电池包还有一套非常复杂的动力电池管理系统(BMS),由传感器、执行器、控制器(电控单元)等组件构成,采集系统的电压、电流、温度等数据,进行复杂的计算,与整车其他部件进行通信,完成特定的功能,实施判定系统的运行边界,控制系统的异常状态等。


动力电池管理系统可以看作是动力电池的“大脑”,主要由单体监控单元和动力电池管理单元组成。首先单体监控单元负责测量动力电池的电压、电流和温度等参数,同时还有均衡等功能。当单体监控单元测量到这些数据后,将数据通过前面讲到的动力电池“神经网络”传送给动力电池管理单元。


其次动力电池管理单元负责评估单体监控单元传送的数据,如果数据异常,则对动力电池进行保护,发出降低电流的要求,或者切断充放电通路,避免动力电池超出许可的使用条件,同时还对动力电池的电量、温度进行管理。根据先前设计的控制策略,判断需要警示的参数和状态,并且将警示发给整车控制器,最终传达给驾驶人员。


动力电池管理系统在硬件上可以分为主控模块和从控模块,主要由数据采集单元(采集模块)、中央处理单元(主控模块)、显示单元、均衡单元检测模块(电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测)、控制部件(熔断装置、继电器)等组成。中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成,数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成。一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。


在动力电池管理系统中的软件设计功能一般包括电压检测、温度采集、电流检测、绝缘检测、SOC 估算、CAN 通讯、放电均衡功能、系统自检功能、系统检测功能、充电管理、热管理等。整体的设计指标包括最高可测量总电压、最大可测量电流、SOC估算误差、单体电压测量精度、电流测量精度、温度测量精度、工作温度范围、CAN通讯、故障诊断、故障记忆功能、在线监测与调试功能等。


电池管理系统通过通讯接口与整车控制器、电机控制器、能量管理系统、车载显示系统等进行通讯,整个工作过程大致为:首先利用数据采集模块采取动力电池的电流、电压和温度等数据→然后采集到的数据发送给主控模块→主控模块对数据进行分析和处理后,发出对应的程序控制和变更指令→最后对应的模块做出处理措施,对动力电池包或动力电池进行调控,同时将实时数据发送到显示单元模块。


2.动力电池成组技术


深化动力电池模组的系统化、集成化设计,提升现有成组生产工艺,进而提高成组动力电池的安全可靠性,动力电池成组技术要求如下。


1)高能量密度


提高动力电池包能量密度,以满足电动汽车行驶里程。提高动力电池包能量密度的方法有,一是提高成组效率,二是采用更高能量密度的电芯。目前,方形电芯将主推能量密度230~240Wh/kg的产品,软包主推240~260Wh/kg产品,18650电芯将推出3.2~3.4Ah的产品、21700电芯将推出4.8~5.0Ah的产品。


能量密度


目前,提高动力电池包能量密度的方法不是太多,无外乎从提高单体能量密度和模组优化以及壳体的轻量化这几个方面着手。总之,在动力电池包带电量一定的情况下,尽量提高其成组效率。


2)轻量化设计


相对于新能源汽车的其他部件而言,动力电池包壳体对防撞、防水、防火、防尘等方面的要求尤为严苛。除保障、容纳动力电池包外,动力电池壳体还要有效隔绝操作人员、乘客与动力电池的接触,所以,动力电池箱体防护等级较高。因此,动力电池壳体的轻量化有一定的难度,既要保障动力电池和乘客的安全,也要切实做到轻量化。


当前,通过动力电池包的轻量化来大幅度提升能量密度已经成为行业内的主流方向,但在轻量化的设计过程中,一定要注意严格把控动力电池包的性能变化。轻量化设计的最主要目的是追求续航里程,减少或减掉所有多余负担,并要与降低成本相结合。轻量化的道路很多,比如提高电芯能量密度;在细节设计中,确保强度的情况下追求结构件的轻薄(比如选更薄的材质,在板材上挖更大的孔);用铝材替换钣金件,使用密度更低的新材料打造壳体等。


如果将动力电池钣金壳体换为全铝壳体,重量可减轻30%左右。此外碳纤维材料也被视为比较有潜力的壳体材料。碳纤维材料密度小、重量轻,抗拉强度在3400MPa以上,且耐腐蚀、耐高温,在吸收冲击力上也有很大的优势,是实现电动汽车动力电池包轻量化的上佳材料。然而,由于存在技术难度等原因,碳纤维动力电池箱价格高于普通材料,普及尚需时日。随着碳纤维生产技术的不断成熟,以及新能源汽车的快速发展,碳纤维动力电池箱需求量也会进一步加大。


3)结构设计


在不同的动力电池包设计需求里,其体积能量密度、质量比能量密度以及体积功率密度等都会与动力电池包中单体动力电池之间连接结构与工艺相关。动力电池模组由多个单体电芯串并联组装而成,单体电芯之间连接要紧固、连接片与动力电池单体极柱的接触电阻小、抗振动、牢靠程度高。无论是用激光焊焊接、电阻焊焊接还是螺栓机械锁紧,都必须保证成组后的动力电池包在电动车辆实际行驶过程中的可靠性和耐久度。动力电池模组能承受电动汽车行驶过程中的碰撞、振动而不会导致动力电池发生位移或变形。


对结构设计的要求有:


※结构可靠:抗震动抗疲劳。


※工艺可控:无过焊、虚焊,确保电芯100%无损伤。


※成本低廉:PACK产线自动化成本低,包括生产设备、生产损耗。


※易分拆:动力电池包易于维护、维修,低成本,电芯可梯次利用性好。


※做到必要的热传递隔离,避免热失控过快蔓延,也可以把这一步放到pack设计再考虑。


提升空间利用率也是优化模组的一个重要途径,可以通过改进模组和热管理系统设计,缩小电芯间距,从而提升动力电池箱体内空间的利用率。还有一种解决方案,即使用新材料。比如,动力电池包内的汇流排(并联电路中的总线,一般用铜板做成)由铜替换成铝,模组固定件由钣金材料替换为高强钢和铝,这样也能减轻动力电池重量。


4)安全设计


动力电池包安全防护的根本原则是:阻止电能和化学能在系统正常运行状态和某些非正常状态下(法律法规、标准所规定的情况,以及典型的失效情况)以不可控的方式释放,或减轻其不可控释放所带来的危害。安全的防护设计是一个系统工程,切勿从局部入手,仅根据某些典型的失效案例,采取有限的应对措施,或者仅根据国外和国内标准的要求,简单通过相关的测试和认证。


动力电池包的安全设计可以分为:


※良好的设计,确保不要发生事故。要求合理布局,良好的冷却系统,可靠的结构设计。


※在事故发生前提前预警,给人以反映时间。需要传感器更加广泛的分布到每一个可能的故障点,全面检测电压和温度,最好监测每一个电芯的内阻。


※已发生故障,阻止事故过快蔓延,可以通过电芯和动力电池模组设置熔断器,动力电池模组之间设置防火墙,设计强度冗余应对灾害发生后可能的结构坍塌。这都是高性能动力电池模组方向,保证在遇到极端情况(如撞击、漏液、高温、短路等)下动力电池包不会发生危害人身安全的事故。


5)热管理设计


动力电池模组应能适应不同气候下的正常运行,如在高温时开启制冷系统降低动力电池包温度,低温时开启加热系统保证动力电池包的正常充放电。软包电芯的物理结构决定了其不易爆炸,一般只有外壳能承受的压力足够高,才有可能炸,而软包电芯内部压力一大,便会从铝塑膜边缘开始泄压、漏液。同时软包电芯也是几种电芯结构中,散热最好的。


热管理系统


当前主流的冷却方式,已经转变为液冷以及相变材料冷却。相变材料冷却可以配合液冷一起使用,或者单独在环境不太恶劣的条件下使用。另外还有一种当前国内仍然较多应用的工艺,灌胶。这里灌得是导热系数远大于空气的导热胶。由导热胶将电芯散发的热量传递到模组壳体上,再进一步散发到环境中。这种方式,电芯再次单独替换不太可能但也在一定程度上阻止了热失控的传播。


对于液冷,冷板与液冷水管正是液冷系统的组成部件。动力电池模组由电芯层叠而成,而电芯间有间隔排布的冷板,其保证每个电芯都有一个大面接触到冷板。在液冷技术应用中,必须考虑液冷板的固定,密封性,绝缘性等。


6)电气设计


动力电池模组的电气设计包含低压和高压两个部分:


1)低压设计。在低压设计时一般需要考虑以下几个方面的功能:


①通过信号采集线束,将动力电池电压、温度信息传输到动力电池模组从控板或动力电池模组控制器,动力电池模组控制器设计有均衡功能(主动均衡或者被动均衡或者二者并存)。


②少量的继电器通断控制功能可以设计在从控板上,也可以设计在动力电池模组控制器上。


③通过CAN通讯连接动力电池模组控制器和主控板,将动力电池模组信息传递出去。


2)高压设计。高压设计主要是电芯与电芯之间的串并联,以及动力电池模组之间的连接导电方式设计,一般模组之间只是考虑串联方式。这些高压连接需要达到两个方面的要求:


①电芯之间的导电件和接触电阻分布要均匀,否则单体电压检测将受到干扰。


②电阻要足够小,避免电能在传递路径上的浪费。


7)标准化设计


标准化是大工业以来的长期追求,标准化是降低成本提高互换性的基石所在。具体到动力电池模组,还多了一个梯次利用的目的。目前我国动力电池单体还没有标准化,模组标准化还有更远的路要探索。


3.动力电池成组效率比较


目前,行业内圆柱电芯的模组成组效率约为87%,系统成组效率约为65%。对于不规则的动力电池箱体,圆柱动力电池可充分利用空间,相对方形和软包更有优势。通过减小电芯间距和模组轻量化,可使模组成组效率得到较大提高。


软包电池


软包电芯模组成组效率约为85%,系统成组效率约为60%。软包电芯的单体能量密度比圆柱和方形有更高的提升空间,但对模组设计要求较高,安全性不易把控。


在成组效率方面,相较于软包和圆柱动力电池,方形动力电池成组效率更高。方形电芯的模组成组效率约为89%,系统成组效率约为70%。方型电芯更适用于规则箱体,电芯体积变大有利于提高电芯能量密度,后续模组成组效率提升空间有限,有赖于单体电芯能量密度的提升。


如果按照目前的系统成组效率计算,要达到《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出的2020年新型锂离子动力电池包能量密度260Wh/kg的要求,那么,圆柱单体电芯就需要达到400Wh/kg,软包单体电芯能量密度要达到433Wh/kg,方形单体电芯能量密度需要达到371Wh/kg。显然,2020年单体电芯能量密度要达到这个水平有难度,那么进一步提高动力电池的成组效率就变得十分必要和紧迫。


模组优化设计可以从多个方面着手,对于圆柱来说,业内新研发了21700电芯,相较于18650,电芯直径变大后,动力电池支架板和集流片孔变大,相应重量减轻,动力电池包中电芯数量减少,同时焊接配件的数量也相应减少。


在锂动力电池成组技术中,最重要的是电池管理系统,它是动力电池包的“大脑”,它像“管家”一样,包揽所有的工作,从监控每一级动力电池物理变量,环境温度,到系统级动力电池包性能估计,在线诊断与预警,充、放电与预充控制,热、冷管理等。大电流主动均衡技术是电池管理系统中最核心的技术,它需要解决的是动力电池包在使用过程中衰减的问题,也就是要确保续航里程稳定及可预测的问题。

 

 

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