純電動(dòng)汽車電池包基本參數(shù)的確定計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u21529純電動(dòng)汽車電池包基本參數(shù)的確定計(jì)算案例 1286401電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 1223241.2電池包基本參數(shù)的確定 2271801.2.1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2111601.2.2電池包框架設(shè)計(jì) 61電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求電池包是一個(gè)機(jī)械與電的集成，尤其是電動(dòng)汽車電池包安裝在汽車上，受到地面的激勵(lì)以及電池在充放電過程中產(chǎn)生大量的熱量等一系列問題。所以在純電動(dòng)汽車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要滿足一下原則[8]:(1)良好的絕緣性:電動(dòng)汽車的電池箱的輸出電池一般為120V，遠(yuǎn)高于人體的安全電壓，所以在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮電池組與電池箱體、電池箱體與汽車之間的絕緣問題;(2)減震防撞能力:汽車行駛在顛簸的路面上，這樣要充分考慮電池模塊在電池箱體中的固定、電池箱體在汽車上的固定要滿足汽車振動(dòng)、側(cè)翻和防撞的基本要求;(3)具有良好的散熱能力:電池在放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電池箱體的設(shè)計(jì)不僅滿足抑制電池箱體溫度上升的要求，還應(yīng)使電池箱內(nèi)部溫度差異較小;(4)良好的防水防塵能力:電池箱體具有一定的防水防塵能力;(5)滿足整車的安裝條件:電池最大外形應(yīng)該滿足汽車整車安裝的要求。滿足上訴機(jī)械設(shè)計(jì)要求之后，電池包要充分的考慮最終比能量的設(shè)計(jì)。商品化的電池單體比能量能夠高達(dá)240W.h/kg，但是電池單體串并聯(lián)組成電池包后，其比能量會(huì)迅速下降，所以在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)將比能量作為電池包參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)目標(biāo)。參考特斯拉Models，整個(gè)電池系統(tǒng)的重量為450kg，比能量高達(dá)120W.h/kg，EnerDel公司設(shè)計(jì)的某款電池組由比能量為150W:h/kg的高能疊片袋裝電池組裝，最終電池組級(jí)別的比能量大約是90W.h/kg。三菱iMiEV將88個(gè)鋰離子電池單體串聯(lián)成電池組后，電池組的比能量為82W.h/kg，綜上所述，本課題將電池包的比能量目標(biāo)設(shè)計(jì)為95W.h/kg.1.2電池包基本參數(shù)的確定1.2.1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.整車設(shè)計(jì)的基本要求整車設(shè)計(jì)的參數(shù)如表1.1所示純電動(dòng)汽車性能要求表1.1參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值整車裝備質(zhì)量/kg1000空氣阻尼系數(shù)/(N·S2/m?)0.2整車滿載總質(zhì)量/kg1500滾動(dòng)阻尼系數(shù)0.015軸距/mm320加速時(shí)間要求/s≤6迎風(fēng)面積要求/㎡1.9行駛里程/km1801.整車功率的需求與電機(jī)的選擇(1)最大功率的確定根據(jù)汽車?yán)碚撘约捌囋O(shè)計(jì)，汽車功率平衡的關(guān)系應(yīng)滿足式(1.1)要求【9】ΡV=1ηr(mgf式(1.1)中，Pv表示車輛需求的功率，單位kw;ηT表示傳動(dòng)系統(tǒng)效率，本課題選用輪轂電機(jī)，傳遞效率為1;ua代表汽車車速，單位km/h;CD表示空氣阻尼系數(shù);fr為汽車滾動(dòng)阻尼系數(shù);A表示汽車迎風(fēng)面積，單位為汽車最大需求功率應(yīng)該滿足汽車在啟動(dòng)加速、爬坡以及在最高車速下的最大功率需求，所以進(jìn)行三種情況下需求功率的計(jì)算。最高車速umax車輛功率需求:ΡV1=1ηr(mgf最大爬坡度i=0.2，爬坡速度ua=15km/h，電動(dòng)汽車需要的功率為:ΡV2=1ηr(mgf百公里加速時(shí)，汽車在加速末時(shí)刻功率需求:ΡV3=Va3600ηr{mgfr+δmVa0.36[1-(t?0.1t)x]其中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算因數(shù)，取值為1.1，x為擬合系數(shù)一般取0.5，本課題取0.45通過公式計(jì)算可以得出汽車最高車速、最大爬坡度以及百公里加速需求功率分別為24.547kw，14.197kw，46.712kw。通過上面計(jì)算可知，電動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)大于46.712kw，電機(jī)在額定功率附近效率最高，所以通常根據(jù)電動(dòng)汽車最高車速確定汽車的額定功率，同時(shí)應(yīng)該保留一定的后備功率。所以在選擇輪轂電機(jī)時(shí)，額定功率應(yīng)大于14.2735kw，最大功率應(yīng)大于24.356kw。本課題選擇電機(jī)的額定功率為15kw，最大功率為24.7kw。（2）電機(jī)的選擇為了保護(hù)電源系統(tǒng)，使控制總線的工作電流在一定的范圍內(nèi)，需要進(jìn)行一定的高壓設(shè)計(jì)，這樣電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩以及功率也會(huì)越大，車輛動(dòng)力學(xué)性能較好。但是直流總線的最高電壓不能過高，電壓應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。國(guó)標(biāo)中推薦的電壓等級(jí)有120V、144V、168V、192V、216V等，本課題依據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有情況，選擇電動(dòng)汽車電機(jī)的額定電壓為192V.3、電源系統(tǒng)基本參數(shù)的確定(1)電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓及電壓范圍根據(jù)電機(jī)電壓為192V，電極的工作電壓不超過額定電壓的120%不低于額定電壓的80%，則電機(jī)的正常工作電壓為153.6V~230.4V，電池單體應(yīng)用范圍為3.2V~4.2V，標(biāo)稱電壓為3.6V，需要串聯(lián)42~64個(gè)電池單體，選用56個(gè)電池單體進(jìn)行串聯(lián)，電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓為201.6V，系統(tǒng)的電壓范圍為179.2V~235.6V，能夠保證電機(jī)能夠在正常電壓范圍內(nèi)(2)電源系統(tǒng)最大輸出功率和電流的確定單個(gè)輪轂電機(jī)的最大功率為24.5kw，則兩個(gè)電機(jī)的功率為49kw。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)換效率以及控制器的效率分別為0.9及0.95，則整個(gè)電源系統(tǒng)需求的的最大功率為：Ρb=pperηc×ηm=57.3k考慮到電池系統(tǒng)在最大功率時(shí)，電池的電壓下降較大，一般認(rèn)為取標(biāo)稱電壓的90%來計(jì)算，則在電池輸出最大功率時(shí)，電池系統(tǒng)的最大的電流為:Ρb=pper考慮到電池系統(tǒng)在最大功率時(shí)，電池的電壓下降較大，一般認(rèn)為取標(biāo)稱電壓的90%來計(jì)算，則在電池輸出最大功率時(shí)，電池系統(tǒng)的最大的電流為:Ιmax=Ρmax/(0.9?V)=315.8A(1.6)(3)電源系統(tǒng)容量的確定依據(jù)整車設(shè)計(jì)基本要求，電動(dòng)汽車以40km/h狀態(tài)下，行駛距離不低于180km由公式(1.1)可知汽車在40km/h時(shí)，平均輸出功率為1.394kw，汽車附件消耗的能源不超過電池組能量的15%，取附件耗能為0.359kw，電機(jī)的標(biāo)稱電壓為201.6V，則電源系統(tǒng)的容量為:(2394+359)×180/（40×201.6）=61.5（A?h)）(1.7)考慮到實(shí)際電池有效容量低于理論值，本課題取有效容量系數(shù)為0.7,則有實(shí)際電池容量不應(yīng)小于91.056A.h。4、電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(1)電池單體的選型本課題采用松下的NCR18650PF作為最基本的動(dòng)力電池單體，其原因如下:(1)NCR18650PF電池單體最大能夠承受3C倍率放電，在一定程度上能夠滿足峰值功率的需求，電池容量達(dá)到2700mA.h,質(zhì)量較小，具有較高的比能量。(2)18650電池為圓柱型電池，電池具有較大的比表面積，在充放電過程產(chǎn)生的大量熱量可以快速耗散掉，降低電池單體的工作溫度。(3)18650型號(hào)鋰離子電池產(chǎn)量大，在電動(dòng)自行車動(dòng)力電池領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，可靠性得到驗(yàn)證，并且配套的電池生產(chǎn)企業(yè)較多,可降低電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模塊產(chǎn)品化的成本，并且使用過程中也不存在電池單體的維護(hù)問題。NCR18650PF鋰離子電池單體參數(shù)如表1.2所示項(xiàng)目規(guī)格項(xiàng)目規(guī)格電池型號(hào)NCR18650PF持續(xù)恒流放電最大電流10A正極材料鎳酸鋰（LiNiO2）氧化鎳鋰開路內(nèi)阻值小于35mΩ標(biāo)稱電壓306V質(zhì)量小于47.5g標(biāo)稱容量2700mA·h充電溫度范圍10~45℃放電終止電壓1.5V放電溫度范圍20~60℃充電電流1.37A/0.5C直徑18mm充電電壓4.20±0.03V高度65mm表1.2NCR18650PF鋰離子電池單體參數(shù)【10】(2)電源系統(tǒng)參數(shù)匹配動(dòng)力電池參數(shù)的匹配必須滿足最大功率、電壓、最大電流以及行駛里程的要求【11】，電池單體的標(biāo)稱電壓為3.6V。假設(shè)電池系統(tǒng)需要m個(gè)電池串聯(lián)，n個(gè)電池并聯(lián)則有:m×3.6V≥201.6V(1.8)n×1.75A≥91.056A(1.9)則有m≥56，取m=56，n≥33，取n=36。則整個(gè)電池系統(tǒng)是由電池單體36并56串構(gòu)成。動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配如表1.3所表1.3動(dòng)力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配電池參數(shù)參數(shù)值單個(gè)電池電壓/V3.6電池?cái)?shù)目/個(gè)2106電池系統(tǒng)總電壓/V201.6電池系統(tǒng)總電容/（A）99整個(gè)電源系統(tǒng)串并聯(lián)2016個(gè)電池單體，如果設(shè)計(jì)一個(gè)電池包的話，電池包單個(gè)尺寸和質(zhì)量較大，不利于整體的裝配，所以需要采用多個(gè)電池包的設(shè)計(jì)方案，本課題采用4個(gè)小的電池包，為了加工和維修方便，4個(gè)電池包尺寸大小規(guī)格一致，每一個(gè)電池包串并聯(lián)電池的數(shù)量為504個(gè)，標(biāo)稱電壓為100.8V，標(biāo)稱容量為49.5A.h.本課題設(shè)計(jì)的電池系統(tǒng)的組成如圖1.1所示。圖1.1動(dòng)力電池系統(tǒng)組成圖電池系統(tǒng)電池包電池系統(tǒng)電池包18650電池單體18并2并18650電池單體28串2串標(biāo)稱電壓：201.6V標(biāo)稱電容：99Ah標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱電壓：201.6V標(biāo)稱電容：99Ah標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容：2700mA1.2.2電池包框架設(shè)計(jì)大容量的電池單體工藝復(fù)雜，制造成本及安全性都有很大問題，所以電源系統(tǒng)尤其是汽車的電池系統(tǒng)需要通過小容量的電芯并聯(lián)或者串聯(lián)組合，滿足電動(dòng)汽車的需求。(1)電池串并聯(lián)方式的選擇電池單體的連接方式影響電池的一致性、可靠性和使用壽命。圖1.2串并模型圖1.3并串模型串并模型和并串模型是常用的兩種串并聯(lián)模型假設(shè)圖中模型的單體的故障的概率是相同的以及單體之間相互獨(dú)立，則可以建立以下的的數(shù)學(xué)模型。串并聯(lián)數(shù)學(xué)模型:Rs(t)=1-[1-Ri(t)]m(1.10)并串聯(lián)數(shù)學(xué)模型:Rs(t)={1-[1-Ri(t)]m}(1.11)式中Rs(t)系統(tǒng)的可靠度，R(1，1..，n)表示第i個(gè)單元的可靠度，m表示并聯(lián)的電池?cái)?shù)，n表示串聯(lián)的電池?cái)?shù)。完成電池包的設(shè)計(jì)，需要504顆電池單體(18并28串或28串18并)。假設(shè)電池單體的可靠性為0.90(實(shí)際應(yīng)大于0.90)，則采用不同方式可靠性計(jì)算結(jié)果如下:采用先并聯(lián)后串聯(lián)，系統(tǒng)的可靠度:Rs=[1-(1-0.90)18]28=0.999(1.12)采用先串后并的方式，系統(tǒng)的可靠度:RS=1-(1-0.90)28)18=0.775 (1.13)通過上面的計(jì)算，可以得到先并聯(lián)后串聯(lián)的方式要好于先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式。并聯(lián)電池模塊單個(gè)電池?fù)p壞，不會(huì)影響其他電池單元的工作，電池模塊的容量會(huì)下降。只要合理的設(shè)計(jì)，并聯(lián)的電池模塊還會(huì)提高電池組的可靠性。王震坡、孫逢春【12】叫等人通過對(duì)比兩種串并聯(lián)方式的鋰電池組在BYD6100運(yùn)行500km靜置10h后，對(duì)電池組電壓進(jìn)行一致性檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用先并后串的連接方式，電池電壓分布較為集中，沒有低電壓的電池出現(xiàn)。先串聯(lián)后并聯(lián)的方式，電池電壓分布區(qū)間較大，如果繼續(xù)使用，將會(huì)影響電池電壓的一致性，加快電池的損耗。先并聯(lián)的電池單體可以相互的充放電，對(duì)電池的電壓具有一定的均衡作用。鋰電池充電方式是先恒流后恒定電壓的方式，充電過程中每一個(gè)電壓值會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)soc值。鋰離子電池只要出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，電池就會(huì)損壞或完全失效，所以BMS必須監(jiān)測(cè)每一個(gè)電池單體的電壓。從這個(gè)角度考慮，電池包采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式時(shí)，電池系統(tǒng)的BMS只需檢測(cè)每一個(gè)電池模塊的電壓值，從而降低了BMS的設(shè)計(jì)要求【12】。(2)電池包的框架設(shè)計(jì)通過對(duì)比兩種不同的串并聯(lián)方式，先并后串電池組的可靠性、電池電壓的一致性以及BMS計(jì)算成本都有較大優(yōu)勢(shì)，所以在本課題進(jìn)行串并聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)，采用先并后串的方式。電池包的基本框架如圖1.4所示。圖1.4電池包的基本框架電池包電池模塊電池單體18個(gè)并聯(lián)28個(gè)串聯(lián)電池包電池模塊電池單體標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容:2750mA標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容：49.5mA電池包采用分層模式，每18電池單體并聯(lián)成一個(gè)電池模塊，再根據(jù)電池包的電壓的需求，串聯(lián)28個(gè)電池模塊。電池模塊的基本參數(shù)如下:U1=U0?n=3.6V×1=3.6V