动力电池系统技术概述！
动力电池系统是指基于整车厂客户不同车型的个性化需求，对动力电池BMS方案、热管理、空间尺寸、结构强度、系统接口、IP 等级和防护等进行定制化研发与设计，通过各种成熟技术的交互使用实现动力电池组各模块的有机结合，保障核心储能装置电池单体的安全性和稳定性，有效提升动力电池系统与不同厂商的不同车型的匹配性和应用性。动力电池系统是连接上游电池单体生产与下游整车运用的核心环节，需要大量成熟技术的相互交叉与协作，其主要的技术包括电池组、BMS（电池管理系统）、机械结构件（含箱体、安装件、导电金属件、密封件等）、高低压线束（含连接器及接插端子等）、热管理系统五大部分。
动力电池系统集成，在于梳理机、电、热、化之间的相互关系、相互作用、相互影响，定量和定性地分析产品是否能满足产品设计指标。
机即机械，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。
电指电子和电气，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，意味着电池包有很高的电气载荷要求。此外，整个电池包由非常多的电池单体构成，为了有效地管理这些电池，控制电池包的充放电，以及响应整车层面的功能需求，电池包还有一套非常复杂的电池管理系统（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。
热指电池包的热管理，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。目前的电池技术，还无法应对这种挑战，为了延长电池的使用寿命，也不能让电池工作在如此宽广的环境温度下，所以必须在电池包设计的时候，为电池装配“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。针对内部热管理要求，因为电池内阻和电气部件阻抗的存在，充放电条件下，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。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。
化指的是电化学，即电池的电化学机理。以目前大量使用的锂离子电池为例，其表现出来的物理特性是由电化学机理所决定的。锂离子在正极和负极之间来回穿梭，与正极和负极发生化学反应，从而在正负极之间表现出充电和放电的物理特性（电子移动）。化学反应的数量规模，决定了电池的充放电的能量（产生的电子数量）；化学反应的快慢，决定了充放电速度；化学反应的可控与不可控，决定了电池的安全性；化学反应的可逆程度，决定了电池的寿命。电池内部的化学反应，除了跟电池本身的材料相关之外，还与外部的电气载荷和温度有非常大的相关性。如我们所知的，大倍率的充放电或者高温度下使用，会导致电池寿命的衰减，短路会导致热失控等现象。
动力电池系统集成，是复杂系统产品开发的关键，除了对各个子系统需要有深入的研究之外，还要特别关注子系统的接口、交叉、相互影响等，以及由此表现出来的新特性。系统集成需要应用大量的过程分析方法，辅以仿真分析和测试验证，才能达到产品设计目标。
电池单体选型设计
在电池包产品的设计中，电池单体的选型设计最为关键。通常而言，对于自己研发和生产电池单体的企业来说，在电池包产品的开发过程中，包含电池单体设计与开发的内容，会基于客户的要求，开发一款满足电池包产品设计目标的电池单体。对于独立的电池包企业而言，在匹配整车需求的时候，就需要选择一款合适的电池单体，一般会选择已量产的电池单体，或者可以投入量产的电池单体（B样或者C样阶段）。当然，有能力的电池包企业也可以推动电池单体企业同步开发全新的电池单体产品。常见的动力电池类型如图1所示。
图1 常见动力电池类型
电池单体是动力电池系统的基本组成，是电动车辆的能量存储装置，主要为车辆提供电能的吸收、存储和供应。电池单体的比能量、比功率和循环寿命等参数，直接影响电动车辆续驶里程、加速和爬坡能力、使用寿命等性能。电池单体的选型和设计主要根据输入的动力电池系统性能要求等信息，转化为对它的设计开发要求等，见表1。
表1 电池单体选型和设计输入输出表
与铅酸蓄电池、镍氢电池相比，锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电率低等优点，并且具有使用电压范围宽、无记忆效应、环境友好等优点，是目前公认比较适用于电动车辆的动力电池类型。由于电动车辆产品需求的不断提升和技术进步，现有的锂离子动力电池产品的技术水平仍存在较大的限制，不仅仅是在产品性能和安全性方面，还包括产品的成本因素等。因此，提高锂离子动力电池的比能量、使用寿命和安全性，并降低其成本等，既是动力电池研究的热点，也是选型考虑和设计优化的重点。
电池单体的选型和设计主要考虑以下几方面的因素，包括：
1）电动车辆的应用类型和特点，尤其是不同类型电动车辆对动力电池需求的差异性。
2）动力电池自身特点的差异性，包括动力电池产品性能、安全性、产品技术和工艺成熟度、产品价格、产能保证能力，以及环保因素等。
在动力电池选型过程中，需要重点关注动力电池特点的差异性，包括不同正负极材料体系和结构形式的动力电池产品，其对应的产品性能、安全性、产品技术和工艺成熟度、产品价格、产能保证能力，以及环保因素等方面。按照正负极材料体系进行划分，主要包括磷酸铁锂（LiFePO4）/C、镍钴锰三元（NCM）/C、锰酸锂（LMO）/C等。
机械结构设计
电池包的结构设计，是根据整车对于电池包的产品功能要求、性能要求、包的尺寸要求、重量要求、挂点要求、接口要求、防护要求等，确定合适的箱体设计和电池包内部的电池模组设计、电连接设计、紧固设计等。在电池包产品的结构设计当中，最为关键的是电池模组设计和箱体设计。
电池模组设计需要考虑所选电池单体型号、模组能量密度、电流密度、外轮廓尺寸、机械接口、电气接口、模组加热散热、隔热、防火阻燃等因素，需要满足振动、翻滚、跌落、挤压、绝缘、刺击、海水浸泡等方面的要求。
电池包的箱体设计，需要考虑电池包外包络尺寸、电池模组尺寸、电池包结构强度、机械接口、电气接口、电池包能量密度、功率密度、加热散热要求、保温要求、防护要求、制造工艺、成本等方面的因素。在产品的设计目标上，除了满足基本功能要求之外，还需要满足振动、冲击、翻滚、跌落、滑车、碰撞、密封防护、接触防护、绝缘防护、等电位、防火阻燃、泄压防爆方面的要求。
机械结构设计的输入输出要求见表2。
表2 机械结构设计输入输出表
高压电气设计
电动汽车中高压电系统的功能是保证整车系统动力电能的传输，并随时检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障及高压故障等（图2）。通常，与动力电池相关的高压元器件，如各回路的接触器及熔丝等，集成在动力电池包内。动力电池作为电动汽车的能量储存装置，受整车尺寸及布置位置的影响，可用空间非常有限。为了增加动力电池的能量，应尽量减少动力电池包内，除电池单体或模组外其他零件的数量，使电池单体或模组有充分的布置空间。同时，需要保证动力电池系统维修的便利性，减少拆卸动力电池包的次数。
图2 动力电池系统高压系统架构
高压系统电气架构的设计原则是：
1）各高压部件尽量都能有独立的供电控制，确保不工作的部件不带电。
2）各高压部件的熔丝盒与动力电池系统内部结构隔离，避免熔丝检修或更换影响电池系统内部防护等级。
3）工作特性相近的部件尽量共用一个接触器，减少接触器的数量。
4）功率等级相近的部件尽量共用熔丝，减少熔丝的数量。
5）尽量减少动力电池系统电气接口的数量。
电池管理系统设计
电池管理系统（Battery Management System，BMS）是用于电动汽车（EV、PHEV、HEV）的动力电池监测与高压电能管理的综合性系统。电池管理系统对动力电池进行在线监控和实时控制，为整车提供动力电池的状态信息，如电压、电流、温度、荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）、绝缘状态、高压互锁状态等信息，同时实时判断动力电池的运行状态是否正常。若出现故障，则应做出相应处理措施，如向整车控制器发送故障信号并报警提示、降功率处理等。
电池管理系统主要有以下功能：
电池单体及电池包的电压检测、电池组充放电电流检测、电池箱温度场的控制、电池箱气密性检测、电池组SOC 与SOH 的估算、与整车控制器及显示系统通信、充电控制、电池组实时状态判断与故障控制、能量管理、高压安全管理，热管理等。传统电池管理系统一般具有电压、电流、温度的采集功能、SOC 估算功能、数据通信与故障管理功能。电池管理系统的功能如图3 所示。
图3 电池管理系统的功能
除了以上的功能之外，未来BMS将在其他几个方面有更深入的发展：
更加智能化的能量管理，通过对电池单体的建模和自学习功能，实现更加精确的荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）、能量状态（SOE）计算；在AUTOSAR基础上的软件分层和分布式开发，并实现软件的快速迭代和OTA远程更新；与云服务和大数据结合，对电池包所有数据进行分析，实现远程在线诊断，及时发现和修复隐患；完全满足ISO26262的功能安全要求，进一步提升电动汽车的安全等级。
热管理系统设计
电池包的热设计有两个目标：控制电池单体的工作温度和控制不同电池单体的工作温度差。前者会严重影响整个电池包的性能和寿命，后者会严重影响电池包内部的短板效应，导致电池组一致性变差。要达到这两个热设计目标，就要考虑加热、散热、热均衡、保温4个方面的措施。
对于电池单体而言，最佳的工作温度范围为20～30℃，电池包内部的电池单体温度差控制在5℃以内比较合理。显然，要把工作温度和温差控制在这么严格的范围内，电池包的热管理系统将会变得非常复杂，所以通常会把工作温度范围放宽到10～40℃，把电池包内部温差控制在5～8℃，这样可以在电池包的性能、寿命和成本之间达到一个比较好的平衡状态。
对于散热设计而言，可以考虑的散热方式有自然冷却、风冷、液冷、制冷剂直冷等几种方式。我们需要根据外部环境温度、电池寿命要求来推导电池单体的工作温度限值和温差限值，需要根据系统运行工况、电池单体发热功率、电气件发热功率等来计算系统的换热系数，再综合考虑技术复杂度、电池包内部的安装空间、散热速率以及成本等因素，选择最合理的散热设计（包括冷却方式和冷却回路等），散热设计的一般流程如图4所示。对于加热设计而言，可以考虑的加热方式有加热膜、PTC、液热等几种方式。加热设计的思路与散热设计相似。
图4 散热设计流程
仿真分析技术
仿真分析是通过计算机建模和计算，对产品设计进行验证的重要手段。合理利用仿真分析手段，既可以在产品开发早期，作为主要分析方法，来验证产品设计的合理性，及时发现设计存在的问题和缺陷，避免后续的设计更改成本和周期，也可以在产品开发后期，作为辅助分析手段，降低对测试工作的依赖，减少测试工作量。
动力电池系统仿真分析技术如图5所示，可以分为结构仿真、热流体仿真、电化学仿真三大类。结构仿真的内容包括拓扑优化、形状优化、尺寸优化、静强度分析、密封界面分析、模态分析、随机振动分析、机械冲击分析、滑车分析、挤压分析等。热流体仿真的内容包括电化学热力学联合仿真、热场分布、流程分布、热失控仿真等。
图5 电池包仿真分析实例
在产品开发的不同阶段，综合应用不同的仿真分析方法进行仿真分析，可以快速查找设计问题，避免盲目试错，缩短开发时间，节约开发成本。仿真结果的精确度，决定了仿真手段可以达到的效果，这要求产品力学模型、热学模型的建立，工作边界条件，相关约束条件等，都要比较准确，才能获得比较理想的仿真结果，接近真实情况。
安全测试技术
电池包的安全设计，基本上围绕电池包的内部组件构成和可能发生的安全风险展开，确定合理的产品安全设计目标和框架，指导具体的产品开发工作。
1）化学安全
电池单体发生热失控，可能会产生电解液泄漏、起火和燃烧等现象，造成乘客或车辆外部人员受伤。针对电池单体而言，如何确保各种运行条件和使用情况下的化学和热稳定性，确保不产生安全风险，这是必须要考虑和解决的问题。需要考虑的情况包括：
①额定范围内的正常工况。
②长距离运输和长时间存储。
③极端情况，如针对电池单体的过充电、过放电、挤压、穿刺、火烧等。
在各种情况下，都要为电池单体的安全性确定合理的设计目标，贯穿到电池单体的开发过程中。针对动力电池系统的其他组件而言，化学安全还涉及电解液或冷却液泄漏所导致的化学腐蚀（有可能造成内部短路）、盐雾腐蚀、阻燃能力和有害气体排放等。
2）电气安全
针对动力电池包内部的电子电气系统而言，电气安全是首要考虑的因素，各种与“电”有关的安全风险，都必须考虑到：
①绝缘配合。
②等电位（接地）。
③短路防护。
④绝缘状态监控。
⑤高压连接器互锁。
⑥高低压隔离。
⑦电磁兼容性（EMC）。
⑧故障自诊断。
电气安全，不仅要考虑被动防护，如各种线缆和连接器的绝缘保护，高低压连接器的闭锁装置，以及良好的电磁兼容性等，还需要考虑如何做到故障的自诊断和主动防护，如绝缘状态监控、高压互锁检测、接触阻抗检测等，确保在故障发生的初期就主动介入，将风险降到最低。
制造工艺技术
将电池包的所有物料，按照特定的方式和方法，加工成动力电池系统产品，满足出货要求，这就是动力电池系统制造工艺要达到的要求。
动力电池系统的装配过程，可以分为电池模组装配、电池包箱体装配、下线测试三个大的阶段。
在电池模组装配阶段，关键工艺有分容、清洗、入壳/框、焊接、涂胶、测试等，因为模组的设计相对标准化，且复用度高，因此电池模组的装配过程可以做到高度自动化。
在电池包箱体装配阶段，关键工艺主要有电池模组安装、水冷组件安装、线束连接、紧固件装配、売体安装、连接器安装等，针对设计定型且量产规模很大的电池包，是可以做到箱体装配高度自动化的，但是对于量产规模达不到一定程度的电池包产品，做自动化生产的代价是非常高的，设备折旧成本相对较高。
电池包的下线测试包括功能测试（通信、上下电控制等）、安全测试（耐压等级、绝缘阻抗、等电位、绝缘监测精度、高压互锁等）、气密性测试（IP防护验证）、容量测试（抽检）等，主要是为了验证电池包的生产装配是否可以达到出货要求。
