电动汽车动力电池系统

  

动力电池系统对于电动汽车而言,犹如汽油之于传统燃油车,是车辆的重要能量来源或唯一能量来源。我们知道,动力电池(电芯)技术是电动汽车的三大核心技术之一,但是如果考虑技术复杂度和重要性,动力电池系统集成技术比动力电池的单体技术尤有过之。

动力电池系统内部,除了作为能量载体的动力电池之外,还包括电池管理系统(BMS)、电压/ 电流/ 温度传感器(也可能有烟雾/ 化学/ 湿度传感器)、热管理系统、高低压线束/ 连接器、开关器件(继电器、保险丝、MSD等)、安装组件(支架,托盘、压杆、螺栓等)、壳体、辅助组件(密封圈、橡胶垫、密封胶、卡扣、扎带)等。动力电池系统产品,涉及的专业领域包括电子、电气、信息、软件工程、半导体、电磁学、材料、电化学、化学工程、机械工程、传热学、工程热力学、流体力学等众多学科(图1),技术整合难度和系统集复杂度可想而知。

图1 动力电池系统构成与相关专业领域

做个形象的比喻,动力电池系统如同一支军队,要打一场持续很久的战争(5 ~ 10 年)。系统里面的一个个动力电池单体(电芯),就是军队的作战单元——士兵,承担基本的作战任务(存储或释放电能),是军队的基石。电池管理系统(BMS)如同军队的司令部,接受上级指令(通信),搜集情报(采样),运筹帷幄(计算),下达作战命令(控制),必要时还要做战术后撤(保护)。热管理系统如同军队的后勤保障体系,为了保障士兵能够打胜仗,需要令其吃好喝好睡好(加热或冷却),保持较佳的战斗状态。各类传感器如同侦察兵,负责情报采集,线束和连接器则如同通信和运输系统,负责信息的传递和兵力的输送。其他一些组件,就好像军队的各类物资,虽不承担主要职能,但是对战争胜负都有重大影响。

在动力电池系统的生命周期中,可能要经历各种各样的情况,有时候在低于–30℃的冰天雪地,寒冷干燥;有时候在夏季的太阳下暴晒,温度高达50℃以上,酷热潮湿;有时候在海边,受到盐雾侵蚀;有时候要涉水,甚至会长时间浸泡在水中;有时候要跨越艰难险阻的道路,经受强烈的振动;有时候还会遇到强烈的碰撞,以至于扭曲变形。可是不管使用环境如何变化,动力电池系统都应该能够稳定可靠地工作,直至达到产品退役的条件,这才算是合格的产品。

系统简单模型

系统安全分析需要将复杂系统简化成易于理解的物理、电气和数学模型,让分析人员能够非常清晰地了解组成系统的子系统、子系统之间的接口,系统与外部环境的接口,系统如何运行,以及系统的功能等要素。

动力电池系统的定义:动力电池系统是一个能量存储装置,包括电池单体(电芯)或电池模组,电路和电控单元(电池管理系统),以及相关的电气和结构组件。我们将动力电池系统的简单物理模型描绘成图2 所示。

图2 动力电池系统物理框图

从图2 可以看出,动力电池系统被特定的环境和边界所包围,内部子系统包括电芯、电池管理系统、热管理系统、高低压电气组件(开关、保险丝、线束、连接器等),以及相关的结构组件(壳体、紧固件等),系统与外部的接口包括通风接口,高压接口、低压和通信接口、冷却接口、安装接口等。基于上述子系统及接口,进一步描绘系统的电气模型,如图3 所示。

图3 动力电池系统电气模型框图