動力電池系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)研究

劉娟娟　蘇亞輝

摘 要：本文系統(tǒng)地介紹了一款純電動物流車動力電池系統(tǒng)設(shè)計，主要從電池選型、高低壓電氣原理、BMS策略設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計等四方面進(jìn)行闡述，提升電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：物流車 動力電池系統(tǒng) 安全 系統(tǒng)設(shè)計

Power Battery System Design and Development Research

Liu Juanjuan，Su Yahui

Abstract：The paper systematically introduces the design of the power battery system for the electric logistics vehicle， mainly including the following aspects： selection of battery， high and low voltage electrical principle， BMS strategy design and the structural design， to enhance the safety and reliability of the battery system.

Key words：logistics vehicle， power battery system， safety， system design

1 引言

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)是當(dāng)前人類社會面臨的兩大挑戰(zhàn)，電動汽車具有節(jié)能、環(huán)保等特點，是世界汽車工作未來發(fā)展的方向。由于物流業(yè)的快速發(fā)展，純電動物流車的研究已經(jīng)刻不容緩。城市物流車行駛路線固定，車輛使用頻繁，城市的環(huán)保壓力大，而純電動物流車運(yùn)營成本低、節(jié)能環(huán)保，非常契合城市物流行業(yè)的需求[1]。物流車電動化成為大部分城市物流企業(yè)解決末端配送難題的主要方式動力電池系統(tǒng)是電動汽車的核心技術(shù)之一，動力電池系統(tǒng)的性能直接影響電動汽車的安全、動力和經(jīng)濟(jì)性[2]。

本文基于某款純電動物流車電池系統(tǒng)，提升電池系統(tǒng)的安全性和可靠性，需要BMS完善的控制策略、良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計防護(hù)、良好的電安全設(shè)計。動力電池系統(tǒng)設(shè)計要以滿足整車的動力要求和其他設(shè)計為前提，同時要考慮電池系統(tǒng)自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全及管理設(shè)計等方面。結(jié)合整車設(shè)計要求，在考慮安全設(shè)計、線束布置設(shè)計等相關(guān)要求后，確定電池箱體大概尺寸，在有限的空間下，進(jìn)行電池模組排布、電池管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)等的布置，保證電池單體及模塊均勻散熱，保證電池的一致性，提高電池系統(tǒng)的壽命和安全;此外，設(shè)計時還要考慮到整體和通用性要求有：安全性高、能量密度大、溫度適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長、安裝維護(hù)性強(qiáng)、綜合成本控制等。本文從動力電池系統(tǒng)設(shè)計方面進(jìn)行展開。

2 動力電池系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電池選型

電池選型結(jié)合整車參數(shù)設(shè)計需求見表1，而整車電池系統(tǒng)設(shè)計不僅要滿足整車設(shè)計參數(shù)，還有結(jié)合電池包的包絡(luò)空間、電池類型等綜合考慮[3]，下表2該物流車電池系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計參數(shù)。

2.2 電氣原理設(shè)計

電池系統(tǒng)高低壓電氣原理如圖1所示。其中，電池包為一體箱，BMS集成在電池包內(nèi)部，加熱回路也集成電池包內(nèi)部，引出電池正和電池負(fù)極低壓通訊口和高壓盒及整車低壓線束對接;高壓盒匹配有直流充電回路、交流充電回路、DCDC回路、預(yù)充回路（驅(qū)動回路）、空調(diào)及暖風(fēng)回路等。

2.3 BMS策略設(shè)計

放電回路控制BMS會與VCU、MCU通信，根據(jù)通信反饋的狀態(tài)來控制繼電器的吸合與斷開，從而控制充放電過程[4]。鑰匙信號和充電信號為12V信號，BMS工作時優(yōu)先檢測充電信號和充電報文，如果能夠檢測到充電信號或充電機(jī)CAN報文，BMS進(jìn)入充電模式，且同時檢測到CC2和CC信號時，禁止充電;若同時收到充電信號和行車信號時，進(jìn)入充電模式。BMS未檢測到充電信號和充電機(jī)CAN報文，如有鑰匙信號，BMS進(jìn)入放電模式，BMS先進(jìn)行自檢，無異常后吸合主負(fù)繼電器，等待上電指令，BMS接收到VCU發(fā)的上高壓指令后，BMS控制預(yù)充繼電器開始預(yù)充，BMS根據(jù)輸入端電壓和負(fù)載端電壓判斷，負(fù)載端電壓達(dá)到輸入端電壓的95%時判斷預(yù)充完成（要求預(yù)充時間2s內(nèi)完成），預(yù)充完成后，閉合主正繼電器，斷開預(yù)充繼電器，允許車輛行進(jìn)，從整車供電到整車進(jìn)入可行駛模式時間不得超過3秒鐘。

故障處理策略：系統(tǒng)故障報警分為三級，三級最為嚴(yán)重，優(yōu)先級：三級>二級>一級。BMS與整車采用高速CAN通訊，及時可靠地將電池狀態(tài)報至整車，有效地防止電池濫用。BMS按故障嚴(yán)重性分三級向整車進(jìn)行報警，當(dāng)出現(xiàn)一級故障時，BMS只上報故障類別，不做任何處理;在二級報警情況下，BMS上報該故障類別，電機(jī)控制器應(yīng)根據(jù)可用充放電電流值進(jìn)行降功率50%運(yùn)行;三級報警情況下，車輛在3s內(nèi)減電機(jī)輸出功率為 0，然后VCU向 BMS 發(fā)送下電指令，得到VCU允許可以下電。若整車不作處理收不到VCU指令，告警后30秒后，自行切斷主放電回路，斷開總負(fù)極接觸器， 進(jìn)入保護(hù)模式，待故障解除后需重啟上電。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合整車底盤包絡(luò)空間、電池系統(tǒng)設(shè)計要求及電池系統(tǒng)電氣原理圖，電池箱體整體外觀及尺寸如圖2所示。該箱體設(shè)計整體設(shè)計考慮箱體輕量化設(shè)計，采用鋁殼箱體，箱體材料Al5052，電池包整體采用標(biāo)準(zhǔn)模組結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化梯級利用，電池包串并總和為2P92S。電池包內(nèi)部集成了加熱回路、主負(fù)繼電器、MSD、高低壓接插件，其中MSD位置可在駕駛室座椅下方方便插拔，可快速切斷高壓回路。電池包后部兩側(cè)放置BCU和HVU，實現(xiàn)BMS控制及絕緣監(jiān)測上報;左右模組之間放置BMU從板，實現(xiàn)電池系統(tǒng)單體電壓和溫度采集;上下蓋之間有密封墊，滿足IP67防護(hù)等級。電池模組和電池包之間通過長螺桿固定，電池包滿足國標(biāo)GBT31467.3中振動要求。電池包通過15個固定點懸掛于底盤下部。

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)地介紹了一款純電動物流車動力電池系統(tǒng)設(shè)計，主要從電池選型、高低壓電氣原理、BMS策略設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行闡述，該電池系統(tǒng)通過一系列測試驗證后，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，也同時提升了電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏蘭.鋰離子電池的安全性技術(shù)[J].化學(xué)進(jìn)展，2011，23（2-3）：328-335.

[2]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002：175-176.

[3]郭孔輝，姜輝，張建偉.電動汽車動力系統(tǒng)的匹配及優(yōu)化[J].科學(xué)技術(shù)與工程，l0（16）：3829—3896.

[4]符興鋒，周斯加，龍江啟.電動汽車動力電池安全管理研究及驗證[J].汽車技術(shù)，2013（9）：40-44.