新能源汽車動力電池PACK系統集成的四大核心技術

學習《電動汽車動力電池系統.設計與製造技術》(王芳、夏軍著)，記錄電池PACK系統集成技術「機、電、熱、化」四大核心之專家觀點以作分享。

對於設計研發人員，電池PACK的電子和電氣組件在較強的機械載荷下是否會發生連接鬆動？是否會加速老化？電氣與結構組件之間的距離是否會影響絕緣性能？BMS功能失效是否會導致電芯發生過充進行引起熱失控？溫度變化對電池荷電狀態（SOC）計算精度會產生怎樣的影響？長期高溫環境使用，電池壽命衰減程度如何？

電池包作為新能源汽車動力系統的核心部件，安全與性能是最重要的指標。電池包系統集成，在於梳理機、電、熱、化之間的相互關係，相互作用、相互影響，定量和定性地分析產品是否可以滿足產品設計指標。

機

電池包裝載在汽車上，首先得考慮和滿足機械方面的特徵，產品需要具有足夠的強度和剛度，在振動、衝擊等機械載荷下不發生形變和功能異常，在碰撞、擠壓、翻滾、跌落等事故狀態下有足夠的安全防護。

電

電動汽車依靠電能驅動車輛行駛，瞬時功率可能高達幾百千瓦，電壓範圍從幾十伏特到幾百伏特，電流也可以達到正負幾百安培，大電流的充電和放電，以及高電壓的輸出，意味著電池包有很高的電氣載荷要求。

此外，整個電池包由非常多的單體電池構成，為了有效地管理這些電池，控制電池包的充放電，以及響應整車層面的功能需求，電池包還有一套非常複雜的電池管理系統（BMS），由感測器、執行器、控制器（電控單元）等組件構成，採集系統的電壓、電流、溫度等數據，進行複雜的計算，與整車其他部件進行通信，完成特定的功能，實施判定系統的運行邊界，控制系統的異常狀態等。

熱

1、首先是針對外部環境的熱管理要求，在北半球的高緯度地區，冬季的室外溫度會達到-30℃，甚至更低，而在低緯度地區，夏季的地面溫度可以達到50℃以上，電動汽車必須面對嚴寒和酷暑這兩個極端的使用環境溫度要求。目前的電池技術，還無法應對這種挑戰，為了延長電池的使用壽命，也不能讓電池工作在如此寬廣的環境溫度下，所以必須在電池包設計的時候，為電池裝配「空調」系統，夏季能夠降溫，冬季能夠加熱，從而解決大範圍變化的環境溫度所帶來的挑戰。

2、針對內部熱管理要求，因為電池內阻和電氣部件阻抗的存在，充放電條件下，電池包內部會發熱，電流越大，發熱量越大，如果不能及時把內部熱量散出去，輕則影響電池壽命，導致使用壽命快速衰減，重則引起熱失控，帶來安全問題。電池包產品的熱管理系統是非常複雜的，要解決加熱、散熱、保溫、熱均衡等幾方面問題。

化

化指的是電化學，即電池的電化學機理。以目前大量使用的鋰電池為例，其表現出來的物理特性是有電化學機理所決定的。鋰離子在正極和負極之前來回的穿梭，與正極和負極發生化學反應，改變分子結構，從而在正負極之間表現出充電和放電的物理特性（電子移動）。化學反應的數量規模，決定了電池的充放電的能量（產生的電子數量）；化學反應的快慢，決定的充放電速度；化學反應的的可控與不可控，決定了電池的安全性；化學反應的可逆程度，決定了電池的壽命。電池內部的化學反應，除了跟電池本身的材料相關之外，還與外部的電氣載荷和溫度有非常大的相關性。如我們所知的，大倍率的充放電或者高溫度下使用，會導致電池壽命的衰減，短路會導致熱失控等現象。

電池PACK系統集成，是複雜系統產品開發的關鍵，除了對各個子系統需要有深入的研究之外，還要特別關注子系統的介面、交叉、相互影響等，以及由此表現出來的新特性。系統集成需要應用大量的過程分析方法、輔助以模擬分析和測試驗證，才能達到產品設計目標。

（完）

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