1、新能源汽車的核心部件大剖析：電池系統篇電池系統的選擇和設計 如前文所介紹的情況，各家車廠面臨油耗和排放的挑戰，不斷推出新能源汽車的情況，電池系統成了當前汽車電子電氣系統中，一個最為昂貴也最為受人重視的子系統。本文將從電池系統的需求、車用電池的狀態，以及當前車廠和電池廠的關系角度來介紹電池系統。電池系統是在混合動力、插入式混合動力和純電動汽車中用來存儲電能，并提供給電驅動系統的需要的能量。電池中的電能，其來源主要有三種，電池處在較低的荷電狀態（SOC）時，車輛利用發動機帶動高壓發電機給電池供電；剎車的時候，能量回收的時候的電能以及充電模式下，從電網得來的能量，如圖1所示，在電池的不同的

2、狀態，相應的車輛也處在不同的工作模式下。圖1 電池狀態 vs 車輛模式電池系統的選擇和設計，很大一部分的參數來自于設計什么樣的車型，不同的車型的規范，將直接決定電池系統和電驅動系統的參數，如下圖2所示，根據所需要開發的新能源車的具體參數，其電池系統的基本規范也可以確定下來。而電池系統的基本構成，粗略的來說是從電池單體開始，構建電池模組，配置合適電子和電氣系統，在電池包層面進行布置和安全分析。圖2 車型規范對電池系統規范的轉化電池單體的選擇1）電池單體的選擇從基本來看，電池單體選擇是考慮電池容量、化學體系和單體形狀。    單體類型：可選的有鉛酸、鎳鎘(NiCd)、

3、鎳氫（NiMH）、高溫電池（NaS和NaNiCl2）、液流電池和鋰離子電池，從綜合來看，目前只能依靠鋰離子電池來作為儲能單元。而離子電池內的化學體系，其參數差異也很大。 密度：對電池來說，兩個比較重要的參數是能量密度（決定存儲電能）和功率密度（決定放電能力），這兩者往往不可兼得。值得注意的是，從電極材料理論密度到單體密度再到電池包密度，由于其他不儲能的部分，這兩個參數往往遞減迅速。 壽命：可分為循環壽命和使用壽命兩個參數。 循環壽命取決于充放電深度、電壓、 溫度和電流（負荷）；使用壽命包括不使用的時間，與溫度和電壓有較大的關系。電池老化以后，直接導致容量下降、功率充放能力下降以及失效率增加。

4、熱特性：主要包括低溫特性和高溫特性。低溫的時候，放電的能力對寒冷地區啟動有直接的影響；當電池的工作溫度增加，會大大影響其壽命。熱特性基于形狀。圓柱、軟包和方形的影響較大，后面會有分析。 安全：不同材料對電池單體的安全性差異明顯，一般會對電池安全性進行評估。 成本：單體的成本與極片材料有一定的關聯，電池單體成本因為要符合較高的安全性，所以成本下降并不是很迅速。表1 主要鋰離子電池特性     單體形狀相對簡單些，如下表2所示，目前整車企業在努力推動電池單體的尺寸規格的統一，長期來看電池單體成為通用件的可能性很大。不同電池形狀優缺點表2 不同電池形

5、狀優缺點 圓柱電池軟包電池方形電池示意圖優點廣泛于消費領域和第一代混合動力汽車中 內在安全性高 不會受潮濕影 響功率 /能量密度高 冷卻容易（表面）     連接容 易堅固 連接 &組裝簡單 圓柱 &軟包的優點結合缺點外殼貴 冷卻困難 成組起來較為困難 電池組能量密度可能較 低脆弱 密封泄漏存 疑電池內壓 冷卻困難 單體成本較 高2）單體成組電池組的結

6、構拓撲是首先需要解決的問題，這是由于單個電池的容量往往存在限制，想要做到100Ah以上 ，往往對電池單體的要求較高；而系統總的電壓由于安全考慮以及與其他系統匹配，是被限制在750V以下的。圖3 電池組拓撲結構所以構成電池組的拓撲可分為：1. 先并后串：由于電池單體的初期差異性小，所以通過匹配容量、內阻和自放電后，將電池并聯后串聯是種比較理想的辦法。走的更遠的是很多個小單體，通過熔絲連接成模組后進行串聯，如Tesla的電池系統。2. 先串后并：將電池單體進行串聯連接以后，在系統上將多個電池模組進行并聯使用。這種方法適用于較大容量需求的情況下，比如電動大巴等較大容量的電池系統。由于電池組內單體差異

7、累積，使得電池組的電壓差異較大，并聯連接需要更多的考慮。 并聯連接的硬連接方式，通常是共享DC/DC轉換器，對電流分配無控制（重新連接困然，有可能斷開一個電池包），必須使用同一種電池；獨立電池組整合，可使用獨立轉換器，能進行控制電流分配（有可能斷開一個電池包、重新連接容易），可使用不同電池 。3. 混聯：將電池并聯之后串聯，再通過并聯或者串聯的方式進行連接。比如LEAF的2P2S的基本模塊結構   將電池連接在一起，可以承受總線電流，這又是一項考慮；目前可選的有兩種連接類型：1） 螺絲連接：主要應用在圓柱和方形電池中，較為著名的改裝Prius的自然，也是源于螺紋連接質量不太

8、可靠，導致連接阻抗過高發熱所致，車用不可取。2） 焊接連接：可用在所有類型的使用上，由于直接將電池單體的導體焊接直連，其連接是穩定的，由于可能存在不同金屬焊接，目前成本較高。3）電池管理系統和電氣系統設計圖4 一個典型的電池系統電池管理系統的功能電池管理系統一般有以下的功能，主要通過電池管理模塊和電池檢測子模塊實現。 監測電池參數：對單體電池（電壓、溫度）和電池系統（電壓、電流、溫度、絕緣電阻）的物理參數采集，這些數據作為對電池系統狀態判斷的基礎。 參數計算：測得物理參數以后，將進行荷電狀態（SOC）、電池健康狀態（SOH）和電池容量等的計算；為了對壽命方面進行保護，需要計算和統計電池的使用情

9、況，往往需要將單次使用的能量、首次使用后總共使用能量和首次使用后的時間進行統計，以評估汽車電動行駛里程和電池壽命情況。 通信：在電池系統內部交換數據并將核心數據傳輸至整車控制器。在電動汽車充電領域中，直流快速充電和車輛和電網電力交換（V2G）和車輛和住宅電力交換（V2H），在這些未來的擴展功能中，BMS的通信功能起到至關重要的功能。 電池安全保護：電池管理是實現功能安全的最重要的部件，其安全保護功能涵蓋故障診斷和處理兩方面內容，包括電池過壓、欠壓、過流、低溫、高溫和短路。 電氣安全保護：一般需要完成高壓互鎖、絕緣檢測或者其他功能。由于電池管理系統是整個電池系統的核心管理單元，因此這里的變化也最

10、多一些。有機會，將會單獨介紹和敘述。電氣系統一般包括總線連接和配電系統兩部分。電池模塊之間，是通過總線的方式來連接的，一般還會在之間加入一個維修的開關來確保在維護過程中的安全。配電部分，一般由預充電阻、熔絲、正極主繼電器、負極主繼電器、預充繼電器、慢充電繼電器和快充繼電器等部件所組成，如圖5所示。圖5 簡易的電池系統概覽電池系統安全測試4）熱系統設計如上所述，由于電池需要在一定的溫度范圍內工作，而汽車的工作溫度范圍則完全取決于使用環境，所以在考慮電池系統的環境使用條件的之后，往往需要一套相對復雜的散熱（加熱）系統來保證其全天候工作。從設計上考慮，冷卻系統分為單體和電池組兩個層次：1. 單體級別

11、：考慮的問題是將單體的熱量散步出去，是考慮將單體與冷卻系統進行有效連接。單體與冷卻系統中使用的接口材料，需要從電氣絕緣和熱傳導效率兩個方面去考慮。2. 電池組：從系統層面，液冷和風冷是兩個整體性的考慮，需要從系統空間需求、散熱效率和成本等多個方面去綜合考慮。在熱系統設計的角度，日系廠商偏向于風冷，歐美企業偏向于液冷。這方面的細節，也是可以單獨拿出來討論的。5）安全設計電池系統的安全設計，主要分為考慮與整車集成這塊的碰撞考慮還有本身系統的安全評估，測試項目較多，如表3所示。表3 電池系統安全測試NO分 類測試 項可參考標 準1濫用測 試Overcharge

12、過充保 護SAE J2464SAE J2929FreedomCAR EESS Abuse Test ManualIEC 62660-2ISO/CD 12405UL 25802External Short Circuit短路保 護3Over discharge過放保 護4High  Rate Discharge w/o Thermal Management快速放 電5Immersion浸水測 試6Open Flame  Test外部火焰測 試7Nail Penetration針刺測 試8環境測 試

13、Humidity Exposure(Dewing)濕熱循 環9Thermal Cycling Test冷熱沖 擊10High Temperature Stability高溫穩定 性11機械測 試Vibration振動測 試12Shock機械沖 擊13Drop跌落測 試14Crush擠壓測 試15Crash碰撞測 試16Roll over翻車測 試汽車企業、車型以及電池廠商對比以上的內容，大致給了電池系統一個全貌。電池系統是目前新能源汽車的核心關卡，韓國和日本的零部件企業占得先機，如下表4所示。另

14、外一個有趣的現象是，由于這個部件較為昂貴，又是核心的一個子系統單元，汽車廠商與電池供應商之間，也存在一個博弈過程。如上所述，愿意投入的汽車廠商，是采購電池單體，然后進行子系統設計，甚至完成電池單體成組的一系列工作。不愿意投入的企業，直接花錢買個解決方案往車上安裝即可。 表4 汽車企業、車型以及電池廠商對應表汽車企 業類 型車 型電池供應 商本田HEVHonda Accord Hybrid 2014 ，Honda Civic Hybrid 2013 ，Honda CR-Z Hybrid 2014 ，Acura ILX

15、 2014Blue EnergyHEVHonda Insight Hybrid 2014SanyoPHEVHonda Accord Plug-In 2014 Blue EnergyBEVHonda Fit-EV 2013Toshiba大眾HEVAudi Q5 Hybrid 2014 ，Porsche Cayenne S Hybrid 2013 ，Volkswagen Jetta Hybrid ，Volkswagen Touareg HybridSanyoPHEVPorsche Panamera S E-Hybrid 2014BEVVolkswagen e

16、-Golf 2014 Volkswagen e-Up 2014寶馬HEVBMW ActiveHybrid 3 2014 ，BMW ActiveHybrid 5 2014 ，BMW ActiveHybrid 7 2014A123PHEVBMW i8 2014Samsung SDIBEVBMW i3 2014 ，通用HEVBuick LaCrosse eAssist 2014 ，Buick Regal eAssist 2014 ，Chevrolet Impala ECO 2014HitachiPHEVCadillac ELR 2014&#

17、160;，Chevrolet Volt 2014LG ChemBEVChevrolet Spark EV 2014A123福特HEVFord C-Max Hybrid 2014 1.4 Li-ion ，Ford Fusion Hybrid 2014 1.4 Li-ion Panasonic， Lincoln MKZ Hybrid 2014PanasonicPHEVFord C-Max Energi 2014Ford Fusion Energi 2014PanasonicBEVFord Focus Electric 2013 23 Li-ionLG Chem現代HEVKia

18、Optima 2013 Hyundai Sonata Hybrid 2013LG ChemBEVKia Soul EV 2015SK Innovation日產HEVNissan Pathfinder Hybrid 2014Infiniti QX60 Hybrid 2014Hitachi HEVInfiniti M Hybrid 2014Infiniti Q50 Hybrid 2014AESC BEVNissan Leaf 2013AESC豐田HEVLexus CT 200h 2014 ，Lexus ES 300h 2014 ，Lexus GS

19、450h 2014，Lexus LS 600h L 2014， Lexus RX 450h 2014Toyota Avalon Hybrid 2014， Toyota Camry Hybrid 2014 ，Toyota Highlander Hybrid 2014 ，Toyota Prius 2014 Toyota Prius c 2014， Toyota Prius v 2014Primearth EV EnergyPHEVToyota Prius Plug-In 2013PanasonicBEVToyota RAV 4 EV 2013Tesla/Panasonic戴姆勒HEVMercedes-Benz E400 Hybrid 2014Johnson ControlsBEVMercedes-Benz B-Class EV 2014Tesla/PanasonicBEVSmart For Two Electric Drive 2013Deutsch