【編者按】《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》將于8月份出版，該書是繼《電動汽車動力電池系統(tǒng)安全分析與設計》之后系列叢書的第二本專著，由王芳、夏軍等多位專家耗時一年聯(lián)袂打造，內容涵蓋動力電池系統(tǒng)的技術發(fā)展綜述、系統(tǒng)設計、結構設計、BMS設計、熱管理設計、結構仿真分析、測試驗證，以及生產(chǎn)制造技術，全方位多角度為讀者提供最佳的工程實踐參考。本文節(jié)選自《電動汽車動力電池系統(tǒng)設計與制造技術》第二章“動力電池系統(tǒng)總體方案設計”。

第三篇：動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)匹配性分析

1.額定電壓及電壓應用范圍

對于高速電動車輛動力電池系統(tǒng)的額定電壓等級，參照《GB/T 31466-2015 電動車輛高壓系統(tǒng)電壓等級》可選擇144V、288V、320V、346V、400V、576V等。對于微型低速電動車動力電池系統(tǒng)的電壓等級，100V以下主要以48V、60V、72V和96V為主。

動力電池系統(tǒng)的額定電壓及電壓范圍必須與整車所選用的電機和電機控制器工作電壓相匹配，因此為保證整車動力系統(tǒng)的可靠運行，需要根據(jù)電動整車電機的電壓等級及工作電壓范圍要求，選擇合適的單體電池規(guī)格（化學體系、額定電壓、容量規(guī)格等）并確定單體電池的串聯(lián)數(shù)量、系統(tǒng)額定電壓及工作電壓范圍。通常允許使用的電壓范圍上限為系統(tǒng)額定電壓的115%~120%，下限為系統(tǒng)額定電壓的75%~80%。

2.動力電池系統(tǒng)容量

整車概念設計階段，從整車車重和設定的典型工況出發(fā)，續(xù)駛里程、整車性能（最高車速、爬坡度、加速時間等）要求，可以計算出汽車行駛所需搭載的總能量需求。動力電池系統(tǒng)容量主要基于總能量和額定電壓來進行計算。

3.功率和工作電流

整車在急加速情況下，動力電池系統(tǒng)需要提供短時脈沖放電功率，對應的工作電流為峰值放電電流；在緊急剎車情況下，需要提供短時能量回收功率，對應的回饋電流為峰值充電電流。

整車在平路持續(xù)加速或長坡道時，動力電池系統(tǒng)需要提供穩(wěn)定的持續(xù)放電功率，此時要求能夠長時間穩(wěn)定輸出一定額度的電流，即持續(xù)放電工作電流。

4.可用SOC范圍

在動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品設計上，由于SOC可用范圍會直接影響總能量的設計，直接體現(xiàn)到單體電池的選型及數(shù)量要求，因此，也會對電池箱體的包絡尺寸設計、內部布置及安裝空間間隙以及對總體成本等方面產(chǎn)生最直接的影響。動力電池系統(tǒng)SOC應用范圍的選擇首先考慮整車對充放電功率和可用能量等方面的需求，同時結合單體電池在不同溫度條件下的充放電能力（功率和能量）、存儲性能（自放電率）、壽命、安全特性，以及電池管理系統(tǒng)的SOC估算精度等影響因素來確定。

動力電池系統(tǒng)在其應用SOC范圍內必須滿足整車負載的峰值放電功率要求，保證電池系統(tǒng)具有的峰值放電能力大于負載的最大功率需求；同時，為了盡可能多的接受回收的能量，應滿足所設定的峰值充電功率/回充功率要求。由于動力電池系統(tǒng)的充放電功率能力主要受選用的單體電池功率能力限制，其中：在低溫、低SOC條件下，單體電池的放電功率會受到限制；在低溫、高SOC條件下，單體電池的充電/回充功率會受到限制。因此，需要結合整車動力系統(tǒng)峰值（放電/回充）功率需求，定義SOC可用范圍。

動力電池系統(tǒng)SOC使用范圍的選擇還要根據(jù)整車設計的純電續(xù)駛里程目標，通過分析整車能耗情況確定對應的可用能量需求，計算動力電池系統(tǒng)可用能量與整車能量需求差距，并調整SOC使用范圍需求。

通常為了更好地保護動力電池系統(tǒng)，并延長其使用壽命，充電時不能將其充滿電（接近100%SOC），放電時也不能完全放電（低于5%SOC），否則可能會損壞單體電池、縮短其使用壽命。但是，如果單方面為了延長動力電池使用壽命而加大電池系統(tǒng)的能量,來減小SOC使用區(qū)間，對于系統(tǒng)成本和空間布置都會產(chǎn)生不利影響。

由于動力電池均存在一定程度的自放電，因此，考慮到電池包的存儲周期可能達到3個月以上（6個星期的工廠/物流/配送和6個星期的存儲區(qū)存儲）的情況，為避免因為自放電而導致發(fā)生電芯過放電的情況發(fā)生，通常動力電池系統(tǒng)的SOC的下限應不低于5%。

綜上所述，動力電池系統(tǒng)SOC使用區(qū)間的選擇應該綜合權衡以上各個影響因素，因此，需進行綜合平衡選擇，確定SOC使用區(qū)間的最佳方案。通常，BEV產(chǎn)品SOC可用窗口10%~95%；PHEV產(chǎn)品SOC窗口20%~95%；HEV產(chǎn)品SOC窗口30%~70%。

圖2-5 可用SOC窗口示意圖

5.溫度應用范圍

動力電池系統(tǒng)的溫度應用范圍主要考慮：低溫條件下對單體電池的充電、放電功率和能量的影響；高溫條件下對單體電池的壽命和安全特性的影響?；谡噷某掷m(xù)放電和脈沖放電功率能力要求，以及單體電池在低溫條件下的充電窗口，確定溫度下限應用范圍。為避免由于溫度過高引起單體電池壽命的快速衰減和出現(xiàn)熱失控，根據(jù)單體電池的溫度特性及以往電池包產(chǎn)品使用經(jīng)驗，確定溫度上限應用范圍。

在整個生命周期內，動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品必須滿足使用區(qū)域的環(huán)境和氣候條件，因此環(huán)境條件要求主要與整車目標市場區(qū)域相關，一方面需要結合整車用戶分布的地域特點，另一方面主要考慮動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品在整車上布置位置的溫度特性，以及在生命周期中的應用環(huán)境溫度特性。按照10年的設計壽命（87600小時），在國內幾個典型城市的環(huán)境溫度分布數(shù)據(jù)：

整個生命周期中，考慮從動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品裝配完成之后，通過運輸進入整車廠物料存放倉庫、整車裝配過程中會進入整車裝配車間（高溫噴漆）、日常運行過程中（行車、充電、駐車停放等過程），以及容量發(fā)生衰減后進行退役等過程中可能經(jīng)受的環(huán)境溫度、濕度及高海拔等環(huán)境條件。主要是考慮沒有外部的溫度輔助和調節(jié)裝置的條件下，動力電池系統(tǒng)暴露在整車裝配、運輸、存放，以及使用過程中，整個產(chǎn)品不會發(fā)生明顯的功能降級，不會發(fā)生破損或破壞，更不會產(chǎn)生嚴重的安全問題或風險等。

（1）工作溫度范圍：

一般情況下，動力電池系統(tǒng)要求在10℃～50℃范圍內能滿足整車使用要求。

在低溫條件下，動力電池系統(tǒng)由于受到單體電池功率特性的限制，很難滿足整車正常條件下的峰值放電或峰值回饋充電功率需求。在高溫條件下，動力電池系統(tǒng)由于受到單體電池溫升特性、安全及可靠性應用溫度范圍等因素的限制，不能允許按峰值放電或峰值回饋充電功率進行工作。因此，需要基于單體電池的溫度和功率特性，在低溫、低SOC狀態(tài)下對應放電功率能力和高溫、高SOC狀態(tài)下的充電功率能力結合使用溫度區(qū)間進行限制。

（2）存儲溫度范圍：

一般條件下，要求動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品能在-40℃~60℃范圍內能進行存儲。

由于動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品裝配完成之后，會經(jīng)歷由制造工廠出廠，經(jīng)由物流運輸（夏季高溫運輸途中暴曬）和配送到整車廠物料倉庫存儲區(qū)進行存儲的情況，因此，要求動力電池產(chǎn)品能滿足：在環(huán)境溫度不超過45℃條件下，允許存儲2-3個月，不發(fā)生明顯的壽命衰減（或出現(xiàn)明顯的不可逆容量損失）。

動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品在整車駐車停放在車庫過程中，不能因為溫度的變化導致自放電率大幅增加而發(fā)生過放電或者輸出功率能力不足，導致影響整車的啟動、爬坡性能。

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