電動汽車動力電池係統

  

動力電池係統對於電動汽車而言,猶如汽油之於傳統燃油車,是車輛的重要能量來源或唯一能量來源。我們知道,動力電池(電芯)技術是電動汽車的三大核心技術之一,但是如果考慮技術複雜度和重要性,動力電池係統集成技術比動力電池的單體技術尤有過之。

動力電池係統內部,除了作為能量載體的動力電池之外,還包括電池管理係統(BMS)、電壓/ 電流/ 溫度傳感器(也可能有煙霧/ 化學/ 濕度傳感器)、熱管理係統、高低壓線束/ 連接器、開關器件(繼電器、保險絲、MSD等)、安裝組件(支架,托盤、壓杆、螺栓等)、殼體、輔助組件(密封圈、橡膠墊、密封膠、卡扣、紮帶)等。動力電池係統產品,涉及的專業領域包括電子、電氣、信息、軟件工程、半導體、電磁學、材料、電化學、化學工程、機械工程、傳熱學、工程熱力學、流體力學等眾多學科(圖1),技術整合難度和係統集複雜度可想而知。

電動汽車動力電池係統(圖1)

圖1 動力電池係統構成與相關專業領域

做個形象的比喻,動力電池係統如同一支軍隊,要打一場持續很久的戰爭(5 ~ 10 年)。係統裏麵的一個個動力電池單體(電芯),就是軍隊的作戰單元——士兵,承擔基本的作戰任務(存儲或釋放電能),是軍隊的基石。電池管理係統(BMS)如同軍隊的司令部,接受上級指令(通信),搜集情報(采樣),運籌帷幄(計算),下達作戰命令(控製),必要時還要做戰術後撤(保護)。熱管理係統如同軍隊的後勤保障體係,為了保障士兵能夠打勝仗,需要令其吃好喝好睡好(加熱或冷卻),保持較佳的戰鬥狀態。各類傳感器如同偵察兵,負責情報采集,線束和連接器則如同通信和運輸係統,負責信息的傳遞和兵力的輸送。其他一些組件,就好像軍隊的各類物資,雖不承擔主要職能,但是對戰爭勝負都有重大影響。

在動力電池係統的生命周期中,可能要經曆各種各樣的情況,有時候在低於–30℃的冰天雪地,寒冷幹燥;有時候在夏季的太陽下暴曬,溫度高達50℃以上,酷熱潮濕;有時候在海邊,受到鹽霧侵蝕;有時候要涉水,甚至會長時間浸泡在水中;有時候要跨越艱難險阻的道路,經受強烈的振動;有時候還會遇到強烈的碰撞,以至於扭曲變形。可是不管使用環境如何變化,動力電池係統都應該能夠穩定可靠地工作,直至達到產品退役的條件,這才算是合格的產品。

係統簡單模型

係統安全分析需要將複雜係統簡化成易於理解的物理、電氣和數學模型,讓分析人員能夠非常清晰地了解組成係統的子係統、子係統之間的接口,係統與外部環境的接口,係統如何運行,以及係統的功能等要素。

動力電池係統的定義:動力電池係統是一個能量存儲裝置,包括電池單體(電芯)或電池模組,電路和電控單元(電池管理係統),以及相關的電氣和結構組件。我們將動力電池係統的簡單物理模型描繪成圖2 所示。

電動汽車動力電池係統(圖2)

圖2 動力電池係統物理框圖

從圖2 可以看出,動力電池係統被特定的環境和邊界所包圍,內部子係統包括電芯、電池管理係統、熱管理係統、高低壓電氣組件(開關、保險絲、線束、連接器等),以及相關的結構組件(殼體、緊固件等),係統與外部的接口包括通風接口,高壓接口、低壓和通信接口、冷卻接口、安裝接口等。基於上述子係統及接口,進一步描繪係統的電氣模型,如圖3 所示。

電動汽車動力電池係統(圖3)

圖3 動力電池係統電氣模型框圖