摘要：動(dòng)力電池系統(tǒng)是新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力的來(lái)源，作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，其設(shè)計(jì)的合理性和安全性對(duì)電動(dòng)汽車起著至關(guān)重要的作用。文章基于某車企需求研發(fā)設(shè)計(jì)一款28 kWh的動(dòng)力電池系統(tǒng)，主要從電池系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的排布與設(shè)計(jì)、電池電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)等三個(gè)方面對(duì)該動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析。該設(shè)計(jì)通過(guò)結(jié)構(gòu)上尺寸鏈的分析校核是合理的，以及對(duì)其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而來(lái)驗(yàn)證其性能的可行性。此次設(shè)計(jì)為后續(xù)進(jìn)一步對(duì)該電池系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證提供了一定的理論基礎(chǔ)，也為電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作者提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電氣設(shè)計(jì)；熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

據(jù)新能源汽車電池包線路板小編了解到，近年來(lái)，隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)與能源短缺的加劇，為汽車尋找新型能源已迫在眉睫，于是新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。新能源汽車行業(yè)作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略得到了快速發(fā)展，近年來(lái)新能源汽車的需求量越來(lái)越大。以鋰離子電池為代表的動(dòng)力電池因能量密度高、充放電倍率大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力來(lái)源的首選[3]。然而動(dòng)力電池在實(shí)際工作過(guò)程中經(jīng)常因?yàn)榇箅姳堵食浞烹姡瑢?dǎo)致電池內(nèi)部熱量聚集，甚至?xí)a(chǎn)生熱失控現(xiàn)象，影響整車的安全性和可靠性[4]。在日常使用過(guò)程中，動(dòng)力電池工作溫度的高低也會(huì)影響其輸出性能，良好的動(dòng)力電池系統(tǒng)必須具有有效的熱管理系統(tǒng)。所以設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)合理且安全性好、具有良好的工作溫度的動(dòng)力電池系統(tǒng)很有必要。

本文基于某車企需求，設(shè)計(jì)一款排布合理、結(jié)構(gòu)緊湊動(dòng)力電池系統(tǒng)，并對(duì)其尺寸鏈進(jìn)行分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，并對(duì)其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真性能分析，來(lái)驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

01電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

線路板廠小編提醒大家，動(dòng)力電池包是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵核心零部件，目前大多數(shù)電池包的固定方式采用箱體裝載式并固定于汽車底盤[5-6]。動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池組件、電池箱體組件、電池管理系統(tǒng)（Battery Manage- ment System, BMS）、高壓電氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等組成。動(dòng)力電池系統(tǒng)的整體布局在滿足客戶設(shè)計(jì)需求的前提下，電池內(nèi)部空間需排布合理，并且保障動(dòng)力的穩(wěn)定性以及電池的安全性。各排布之間確保零件之間不會(huì)相互干擾，且保證電池系統(tǒng)在合理的工作范圍內(nèi)工作，且確保電池系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作，也就是確保電池的熱管理系統(tǒng)正常工作，均勻散熱，確保電池的一致性，提高電池的利用率，同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用壽命[7-8]。

以下對(duì)電池系統(tǒng)整體排布與設(shè)計(jì)進(jìn)行概述。

根據(jù)上述動(dòng)力電池系統(tǒng)的特點(diǎn)和特性，以及主機(jī)廠的設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池箱體、箱蓋、電池模組、高壓銅排、液冷板、高壓插件、電池切斷單元（Battery Disconnect Unit, BDU）、BMS主機(jī)和從機(jī)、煙霧傳感器以及高低壓接插件等組件組成。電池各部件的初步選定為：采用方殼電芯進(jìn)行設(shè)計(jì)，電池模組選用1P34S×3成組方式，系統(tǒng)額定容量為87 Ah，額定電壓為326 V，標(biāo)稱電量為28.39 kWh，電壓范圍為255～372V，可用的電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）范圍為0～100%，電池系統(tǒng)的能量密度為120.8 Wh/kg。電池的防護(hù)等級(jí)根據(jù)國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用IP67的防護(hù)等級(jí)。目前熱管理方式主要有液冷和風(fēng)冷兩種方式，根據(jù)電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和客戶需求，本文采用液冷板液冷散熱和側(cè)面正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coeffic- ient, PTC）加熱的熱管理方式。BMS排布選擇一主兩從的結(jié)構(gòu)形式。整體的PACK尺寸設(shè)計(jì)為 1 230 mm×1 085 mm×130 mm，整體PACK的重量應(yīng)為235 kg。電池包的三維整體布置如圖1所示。

圖1 電池包三維整體布置圖

該電池PACK系統(tǒng)中電池模組通過(guò)螺栓固定在電池箱體上，箱體與箱蓋最終通過(guò)螺栓進(jìn)行密封。模組與模組之間通過(guò)串聯(lián)銅排進(jìn)行連接，電池系統(tǒng)的前端留有一個(gè)矩形空間，專門布置2個(gè)高壓箱BDU、BMS主機(jī)和BMS從機(jī)、煙霧傳感器以及用于引出總正和總負(fù)的高壓銅排。箱體前端外部安裝有高低壓接插件用于充放電以及與整車通訊連接。為了散熱性能好，在電池模組底部設(shè)計(jì)有液冷板用于散熱冷卻，模組側(cè)邊設(shè)計(jì)有PTC加熱，兩者相結(jié)合保證電池系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作，提高電池系統(tǒng)的使用壽命。該電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、集成度高，且便于裝配和維修。