王瑞军

（荣盛盟固利新能源科技有限公司  昌平102200）

摘要：针对电动汽车三大关键技术之一电池系统的研究，开发出高集成度的电池系统。介绍了一种高集成度的电池系统，通过热分析、结构分析及实物试验及相关的验证，开发出一款适合于高端乘用车电池系统。

关键词：纯电动电池系统 ；软包锂电池；集成度

Research on integration technology of automotive battery system

         Wangrui-jun

 (Risesun Mengguli new energy science &technology CO.,LTD )

Abstract: Aiming at the research of battery system, one of the three key technologies of electric vehicle, a highly integrated battery system is developed. This paper introduces a high integration battery system. Through thermal analysis, structural analysis, physical test and related test verification, a battery system suitable for high-end passenger cars is developed.

Key words: automotive battery system;Flexible lithium battery; integration degree 

1引言 

随着国家对新能源汽车的推广及各企业、研究机构对新能源的投入，新能源汽车正在走向家庭、走向我们的日常生活。人们对电动车的续驶里程问题更加关注，如何开发出一款集成度高的电池系统对整车的性能提升至关重要。本文结合实际研发，开发了一款无模组电池系统集成技术，可以有效的提高乘用车电池系统的集成度，电池系统的比能量可以达到200wh/kg，超过目前大多数电池包的能量密度。对于电池Pack技术研发人员，设计好一款动力电池系统，重点在于梳理机、电、热、化之间的相互关系，相互作用、相互影响，开发出适合整车的电池系统。

2 电池系统设计

纯电动车由于零排放，燥音低，符合国家产业政策的发展需要，市场占有量越来越多，下面介绍一下纯电动电池系统。

2.1 纯电动电池系统系统框架

图1纯电动车系统框架图  Fig.1 Frame diagram of electric vehicle system 

电池系统主要由电池箱、电池、BMS、热管理系统、电气插件等。电池系统是电动汽车的三大核心元件。

电池系统本身为能量的存储单元，具有提供和回收能量、能量管理、高低压管理、热管理、通讯管理及各种安全管理及智能化、网联化功能。

图2 电池系统的主要功能  Fig.2 Main functions of battery system

2.2 高集成度电池系统开发

电池系统集成很多公司都在做，但水平和最终结果差异较大。目前市面上磷酸铁锂刀片电池的能量密度在140wh/kg左右。目前市面上三元电池的能量密度大多在150～160wh/kg。如何能高效的开发出高集成度的电池系统是各企业高度重视的任务和开发方向。

   通常电池系统的成组一般由电芯到模组然后到PACK，随着国内硬壳CTP及GCTP技术的兴起，硬壳电池简化了模组设计，提高了一定的集成度。但在软包电池集成上并未有较大的突破。由于多年从事软包电池的生产及开发，从软包固有特性，有针对性的开发了无模组成组技术，提高了系统的成组率。系统的成组率从目前的0.6提高到0.8，大大节省了材料，降低了成本，提升了整车的续驶里程，减少了电量消耗量。

2.3 高集成度电池包主要参数

 电池包采用了我公司开发的高比能量的电芯，单体能量密度251wh/kg，系统能量密度200.8wh/kg.具有冷热一体化热管理功能、铝合金箱体、SMC上盖、IP68防护等级、高智能化BMS管理系统。具有快速1C充电能力。

表1 电池系统主要参数

2.4  电池系统外形图（图3）

图3 电池系统外形图  Fig.3  drawing of Battery System

2.5 电池系统详细设计

2.5.1 冷却水道设计

电池系统下箱体为冷热一体化铝合金箱体，有机的结合了电池热管理的功能，在需要制冷时整车空调系统通过换热结构将冷却液制冷，保障入口的温度为20度左右。当需要加热时整车空调将水加热至35～45°C，保障电池快速加热，使电池在低温环境下短时间内加热到可用温度，保障电池系统的使用性能。

图4   水路分布图  Fig.4 Water Distribution

2.5.2 无模组设计

电池系统由3P电芯组装而成，3支590电芯焊接一起，根据箱体排布形式，依次组装，电芯间有可吸收膨胀、消除应力、防止热蔓延的阻燃专用泡棉。达到30支左右，安装挡板，保障电池全生命周期内20～60KPa合理的受理范围和箱体的强度。底部用导热结构胶与铝合金箱体粘接，保障传热良好及安装牢固。

                                            图5  3P电芯焊接图  Fig5  3P Welding                       图6 3P电芯焊接图  Fig6 Battery Installation

2.5.3 防热失控设计

目前市面上经常会见各种电动车着火的报道，电池系统的热失控设计非常重要，必须有效的解决才可以保障整车的安全。主要从以下几个方面来设计：

强度设计：电池包的整体强度必须满足整车使用的要求，根据仿真及实际测试来评估箱体的强度。为此此项目开展了相关仿真及实验。通过分析可知振动主频为X：41HZ，Y：120HZ，Z：78HZ，大于行业内35HZ以上的要求，满足整包的振动需求。

图7 箱体应力分析  Fig7  Stress Analysis of box

阻燃隔热设计：电芯和电芯间有阻燃泡棉，可以有效的阻值热扩散，泡棉可以适当变形，吸收电芯膨胀过程中产生的压力变化。电芯上部安装有可防高温的云母片。箱体内壁喷有防火烧专用涂层。

安全阀设计：箱体上装有2个高通量的安全阀，保障在压力不超过50KPa情况下释放箱体内的压力及常温环境下的压力平衡，不会因压力变化而引起箱体爆炸或其它不必要的损失。

图8   安全阀  Fig.8 Safety Valve

热管理设计：根据电芯的发热情况，对热量有效管理，保障不出现极端超出电芯使用的情况和异常情况下的快速冷却，保障电芯温度可控。

图9  热仿真Fig.9 Thermal Simulation

BMS智能监控：BMS根据失效情况下产生的异常现象会提前预警，保障出现极端情况下报警、降功率、切断输出。结合实际情况开展相关的应急措施。

2.6 电气系统设计

根据整车与电池系统的协议要求，开发了相应的控制及电气输出原理。

图10 电气原理图  Fig.10 Electrical Schematic

3、电池系统验证

根据整车的需求及电池系统国家标准的要求，开展了振动、挤压、能量测试、火烧、IP67、温度、模拟热失控等多种实物验证，顺利通过。经过试验验证后电池系统未见失效，符合设计和使用的要求。

            图11 外部火烧  Fig.11 External burning                       图12 振动试验  Fig.12  Vibration Test

                    图13 热蔓延  Fig13Thermal Spread           图14  温度试验  Fig.14  High / Low Temp Test

4、 装车试验

图15 整车验证  Fig.15Vehicle Verification

经过整车在试验场严格的路试，各项指标符合要求，客户非常满意。

5 结论

根据此新技术开发的电池系统具有高能量密度、高成组率、材料用量比有模组减少30%以上，开发的电池系统适合电动车发展需求，具有较好的推广前景。

【参考文献】

[1] 《新能源leader》微信公众号

[2] 王芳 夏军等著 《电动汽车动力电池系统安全分析与设计》 科学出版社 2016年

作者简介

王瑞军，高级工程师，荣盛盟固利新能源科技有限公司系统集成部经理，主要研究方向：电动车及动力电池

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编辑：中国电源产业网