书名：动力电池系统设计pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语：

作者：徐晓明,胡东海,樊钟英,王延等校

出版社：机械工业出版社

出版时间：2019-01-01

书籍编号：30612533

ISBN：9787111614852

正文语种：中文

字数：185336

版次：1

所属分类：科学新知-工业技术

本书旨在探究动力电池系统的匹配设计，先简要介绍动力电池系统设计的发展概况，使读者有一个清晰的认识，之后详细介绍了动力电池的系统方案设计、机械结构设计、高压电连接设计、管理系统设计、热管理系统设计。为了让读者有更为直观的理解，本书还系统研究了动力电池系统仿真分析技术，从原理讲到结构，再匹配仿真实例。本书也考虑到了工程应用，对动力电池系统安全测试技术、动力电池系统制造技术和动力电池系统的应用进行了详细介绍。

本书适合电动汽车工程技术人员及研究人员阅读使用，也可供大专院校电动汽车、动力电池专业作为教材使用。

图书在版编目（CIP）数据

动力电池系统设计／徐晓明，胡东海编著．—北京：机械工业出版社，2018.12

（新能源汽车关键技术研发系列）

ISBN 978-7-111-61485-2

Ⅰ．①动…　Ⅱ．①徐…②胡…　Ⅲ．①电动汽车—蓄电池—系统设计　Ⅳ．①U469.720.3

中国版本图书馆CIP数据核字（2018）第265991号

机械工业出版社（北京市百万庄大街22号　邮政编码100037）

策划编辑：孙　鹏　　　　　责任编辑：孙　鹏

责任校对：樊钟英　王　延　封面设计：张静

责任印制：常天培

北京圣夫亚美印刷有限公司印刷

2019年1月第1版第1次印刷

169mm×239mm·19印张·366千字

0001—2500册

标准书号：ISBN 978-7-111-61485-2

定价：89.00元

凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换

电话服务

服务咨询热线：010-88361066

读者购书热线：010-68326294

010-88379203

网络服务

机工官网：www.cmpbook.com

机工官博：weibo.com/cmp1952

金　书　网：www.golden-book.com

教育服务网：www.cmpedu.com

封面无防伪标均为盗版

前言

近年来，我国的电动汽车发展进入了关键时期，电动汽车对于缓解能源危机以及环境保护的意义得到了广泛的认可及重视。

与传统内燃机驱动的汽车相比，电动汽车需要解决一系列与“电”有关的技术问题、例如驱动电机问题、动力电池问题、电辅助系统问题，等等。这一系列的技术点将构成新的属于电动汽车的技术体系。本书所涉及的动力电池系统设计技术，融合了机械结构、电子、系统管理等相关技术，重点解决动力电池系统集成、安全保护以及制造问题。

本书是笔者依据过去8年在电动汽车相关领域工作的积累所编写的，笔者在从事动力电池系统设计研究的初期，也非常希望能有一本类似的技术文献可以参考，但当时国内外几乎没有类似的高水平出版物。随着电动汽车的研发越来越热，从事这一行业工作的工程技术人员越来越多，笔者认为有必要把这几年的一些体会与同行们分享。希望本书能实现两个目的：其一，系统地阐述动力电池系统设计技术的要点，供新入门的同行参考，避免走弯路；其二，抛砖引玉，希望引起更多的同行朋友对这一技术领域的重视，多出版一些图书，供大家参考，共同促进电动汽车核心技术的快速发展。

本书的主要技术工作，源于江苏大学汽车学院新能源汽车研究中心从事电动汽车相关科研工作的同志们的辛勤劳动，正是整个团队的坚持才有今天的成果。

第1章 动力电池系统发展概述

1.1 动力电池系统技术发展概述

动力电池系统是指基于整车厂客户不同车型的个性化需求，对动力电池BMS方案、热管理、空间尺寸、结构强度、系统接口、IP 等级和防护等进行定制化研发与设计，通过各种成熟技术的交互使用实现动力电池组各模块的有机结合，保障核心储能装置电池单体的安全性和稳定性，有效提升动力电池系统与不同厂商的不同车型的匹配性和应用性。动力电池系统是连接上游电池单体生产与下游整车运用的核心环节，需要大量成熟技术的相互交叉与协作，其主要的技术包括电池组、BMS（电池管理系统）、机械结构件（含箱体、安装件、导电金属件、密封件等）、高低压线束（含连接器及接插端子等）、热管理系统五大部分。

动力电池系统集成，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能满足产品设计指标。

机即机械，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。

电指电子和电气，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电池单体构成，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。

热指电池包的热管理，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。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离子电池为例，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穿梭，与正极和负极发生化学反应，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，决定了充放电速度；化学反应的可控与不可控，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。

动力电池系统集成，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，辅以仿真分析和测试验证，才能达到产品设计目标。

1.1.1 电池单体选型设计

在电池包产品的设计中，电池单体的选型设计最为关键。通常而言，对于自己研发和生产电池单体的企业来说，在电池包产品的开发过程中，包含电池单体设计与开发的内容，会基于客户的要求，开发一款满足电池包产品设计目标的电池单体。对于独立的电池包企业而言，在匹配整车需求的时候，就需要选择一款合适的电池单体，一般会选择已量产的电池单体，或者可以投入量产的电池单体（B样或者C样阶段）。当然，有能力的电池包企业也可以推动电池单体企业同步开发全新的电池单体产品。常见的动力电池类型如图1.1所示。

电池单体是动力电池系统的基本组成，是电动车辆的能量存储装置，主要为车辆提供电能的吸收、存储和供应。电池单体的比能量、比功率和循环寿命等参数，直接影响电动车辆续驶里程、加速和爬坡能力、使用寿命等性能。电池单体的选型和设计主要根据输入的动力电池系统性能要求等信息，转化为对它的设计开发要求等，见表1.1。

图1.1 常见动力电池类型

表1.1 电池单体选型和设计输入输出表

与铅酸蓄电池、镍氢电池相比，锂离子电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电率低等优点，并且具有使用电压范围宽、无记忆效应、环境友好等优点，是目前公认比较适用于电动车辆的动力电池类型。由于电动车辆产品需求的不断提升和技术进步，现有的锂离子动力电池产品的技术水平仍存在较大的限制，不仅仅是在产品性能和安全性方面，还包括产品的成本因素等。因此，提高锂离子动力电池的比能量、使用寿命和安全性，并降低其成本等，既是动力电池研究的热点，也是选型考虑和设计优化的重点。

电池单体的选型和设计主要考虑以下几方面的因素，包括：

1）电动车辆的应用类型和特点，尤其是不同类型电动车辆对动力电池需求的差异性。

2）动力电池自身特点的差异性，包括动力电池产品性能、安全性、产品技术和工艺成熟度、产品价格、产能保证能力，以及环保因素等。

在动力电池选型过程中，需要重点关注动力电池特点的差异性，包括不同正负极材料体系和结构形式的动力电池产品，其对应的产品性能、安全性、产品技术和工艺成熟度、产品价格、产能保证能力，以及环保因素等方面。按照正负极材料体系进行划分，主要包括磷酸铁锂（LiFePO₄）/C、镍钴锰三元（NCM）/C、锰酸锂（LMO）/C等。

1.1.2 机械结构设计

电池包的结构设计，是根据整车对于电池包的产品功能要求、性能要求、包的尺寸要求、重量要求、挂点要求、接口要求、防护要求等，确定合适的箱体设计和电池包内部的电池模组设计、电连接设计、紧固设计等。在电池包产品的结构设计当中，最为关键的是电池模组设计和箱体设计。

电池模组设计需要考虑所选电池单体型号、模组能量密度、电流密度、外轮廓尺寸、机械接口、电气接口、模组加热散热、隔热、防火阻燃等因素，需要满足振动、翻滚、跌落、挤压、绝缘、刺击、海水浸泡等方面的要求。

电池包的箱体设计，需要考虑电池包外包络尺寸、电池模组尺寸、电池包结构强度、机械接口、电气接口、电池包能量密度、功率密度、加热散热要求、保温要求、防护要求、制造工艺、成本等方面的因素。在产品的设计目标上，除了满足基本功能要求之外，还需要满足振动、冲击、翻滚、跌落、滑车、碰撞、密封防护、接触防护、绝缘防护、等电位、防火阻燃、泄压防爆方面的要求。

机械结构设计的输入输出要求见表1.2。

表1.2 机械结构设计输入输出表

1.1.3 高压电气设计

电动汽车中高压电系统的功能是保证整车系统动力电能的传输，并随时检测整个高压系统的绝缘故障、断路故障、接地故障及高压故障等（图1.2）。通常，与动力电池相关的高压元器件，如各回路的接触器及熔丝等，集成在动力电池包内。动力电池作为电动汽车的能量储存装置，受整车尺寸及布置位置的影响，可用空间非常有限。为了增加动力电池的能量，应尽量减少动力电池包内，除电池单体或模组外其他零件的数量，使电池单体或模组有充分的布置空间。同时，需要保证动力电池系统维修的便利性，减少拆卸动力电池包的次数。

高压系统电气架构的设计原则是：

1）各高压部件尽量都能有独立的供电控制，确保不工作的部件不带电。

2）各高压部件的熔丝盒与动力电池系统内部结构隔离，避免熔丝检修或更换影响电池系统内部防护等级。

图1.2 动力电池系统高压系统架构

3）工作特性相近的部件尽量共用一个接触器，减少接触器的数量。

4）功率等级相近的部件尽量共用熔丝，减少熔丝的数量。

5）尽量减少动力电池系统电气接口的数量。

1.1.4 电池管理系统设计

电池管理系统（Battery Management System，BMS）是用于电动汽车（EV、PHEV、HEV）的动力电池监测与高压电能管理的综合性系统。电池管理系统对动力电池进行在线监控和实时控制，为整车提供动力电池的状态信息，如电压、电流、温度、荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）、绝缘状态、高压互锁状态等信息，同时实时判断动力电池的运行状态是否正常。若出现故障，则应做出相应处理措施，如向整车控制器发送故障信号并报警提示、降功率处理等。

电池管理系统主要有以下功能：电池单体及电池包的电压检测、电池组充放电电流检测、电池箱温度场的控制、电池箱气密性检测、电池组SOC 与SOH 的估算、与整车控制器及显示系统通信、充电控制、电池组实时状态判断与故障控制、能量管

....