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系统集成动力电池PACK系统集成四大核心技术

  对于电池Pack技术研发人员,设计好一款动力电池系统,重点在于梳理机、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可以满足产品设计指标

  熟悉特斯拉的朋友都知道,单论电池和电动车技术,特斯拉其实是排不上号的,但特斯拉却一飞冲天,成为全球各大车企的对标车型。究其原因,就在于其出色的电池包设计及BMS技术

  由此可见,一直被认为技术门槛低的动力电池Pack技术,其实在电动汽车整车性能中扮演着非常重要的角色

  当前,通过动力电池包的轻量化来大幅度提升能量密度已经成为行业内的主流方向,但笔者想要强调的是,在轻量化的设计过程中,一定要注意严格把控动力电池系统的性能变化

  事实上,动力电池Pack是一个非常有讲究的环节,比如电池PACK的电子和电气组件在较强的机械载荷下是否会发生连接松动?是否会加速老化?电气与结构组件之间的距离是否会影响绝缘性能?BMS功能失效是否会导致电芯发生过充进行引起热失控?温度变化对电池荷电状态(SOC)计算精度会产生怎样的影响?长期高温环境使用,电池寿命衰减程度如何

  这些问题都直接影响着整车性能,而对于电池Pack技术研发人员来说,设计好一款动力电池系统,重点在于梳理机、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可以满足产品设计指标

  机、电、热、化四个方面几乎涉及了动力电池的全部性能,是研发人员需要注意的核心技术

  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单体电池构成,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

  1、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

  2、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电池为例,其表现出来的物理特性是有电化学机理所决定的。锂离子在正极和负极之前来回的穿梭,与正极和负极发生化学反应,改变分子结构,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,决定的充放电速度;化学反应的的可控与不可控,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

  电池PACK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、辅助以仿真分析和测试验证,才能达到产品设计目标

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