某純電動汽車電池包基本參數(shù)的確定計算過程案例分析1.1電源系統(tǒng)設(shè)計1.整車設(shè)計的基本要求整車設(shè)計的參數(shù)如表2.1所示純電動汽車性能要求表2.1參數(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滾動阻尼系數(shù)0.015軸距/mm320加速時間要求/s≤6迎風(fēng)面積要求/㎡1.9行駛里程/km1802.整車功率的需求與電機的選擇(1)最大功率的確定根據(jù)汽車?yán)碚撘约捌囋O(shè)計，汽車功率平衡的關(guān)系應(yīng)滿足式(2.1)要求【9】ΡV=1ηr(mgfrua3600式(2.1)中，Pv表示車輛需求的功率，單位kw;ηT表示傳動系統(tǒng)效率，本課題選用輪轂電機，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)該滿足汽車在啟動加速、爬坡以及在最高車速下的最大功率需求，所以進行三種情況下需求功率的計算。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,電動汽車需要的功率為:ΡV2=1ηr(mgfrcos百公里加速時，汽車在加速末時刻功率需求:ΡV3=Va3600ηr{mgfr+δmVa0.36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。通過上面計算可知,電動機的最大功率應(yīng)大于46.712kw,電機在額定功率附近效率最高，所以通常根據(jù)電動汽車最高車速確定汽車的額定功率，同時應(yīng)該保留一定的后備功率。所以在選擇輪轂電機時，額定功率應(yīng)大于14.2735kw,最大功率應(yīng)大于24.356kw。本課題選擇電機的額定功率為15kw,最大功率為24.7kw。（2）電機的選擇為了保護電源系統(tǒng)，使控制總線的工作電流在一定的范圍內(nèi)，需要進行一定的高壓設(shè)計，這樣電機輸出的轉(zhuǎn)矩以及功率也會越大，車輛動力學(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)。國標(biāo)中推薦的電壓等級有120V、144V、168V、192V、216V等，本課題依據(jù)實驗室現(xiàn)有情況，選擇電動汽車電機的額定電壓為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個電池單體，選用56個電池單體進行串聯(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,能夠保證電機能夠在正常電壓范圍內(nèi)工作。(2)電源系統(tǒng)最大輸出功率和電流的確定單個輪轂電機的最大功率為24.5kw，則兩個電機的功率為49kw。假設(shè)電機轉(zhuǎn)換效率以及控制器的效率分別為0.9及0.95,則整個電源系統(tǒng)需求的的最大功率為：Ρb=pper考慮到電池系統(tǒng)在最大功率時，電池的電壓下降較大，一般認(rèn)為取標(biāo)稱電壓的90%來計算，則在電池輸出最大功率時，電池系統(tǒng)的最大的電流為:Ιmax=Ρmax/(0.9?V)=315.8A(2.6)(3)電源系統(tǒng)容量的確定依據(jù)整車設(shè)計基本要求，電動汽車以40km/h狀態(tài)下，行駛距離不低于180km由公式(2.1)可知汽車在40km/h時，平均輸出功率為2.394kw，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)）(2.7)考慮到實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型號鋰離子電池產(chǎn)量大，在電動自行車動力電池領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，可靠性得到驗證，并且配套的電池生產(chǎn)企業(yè)較多,可降低電動汽車動力電池模塊產(chǎn)品化的成本，并且使用過程中也不存在電池單體的維護問題。NCR18650PF鋰離子電池單體參數(shù)如表2.2所示項目規(guī)格項目規(guī)格電池型號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2.5V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2.2NCR18650PF鋰離子電池單體參數(shù)【10】(2)電源系統(tǒng)參數(shù)匹配動力電池參數(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個電池串聯(lián)，n個電池并聯(lián)則有:m×3.6V≥201.6V(2.8)n×2.75A≥91.056A(2.9)則有m≥56，取m=56，n≥33，取n=36。則整個電池系統(tǒng)是由電池單體36并56串構(gòu)成。動力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配如表2.3所示。表2.3動力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配電池參數(shù)參數(shù)值單個電池電壓/V3.6電池數(shù)目/個2106電池系統(tǒng)總電壓/V201.6電池系統(tǒng)總電容/（A）99整個電源系統(tǒng)串并聯(lián)2016個電池單體，如果設(shè)計一個電池包的話，電池包單個尺寸和質(zhì)量較大，不利于整體的裝配，所以需要采用多個電池包的設(shè)計方案，本課題采用4個小的電池包，為了加工和維修方便，4個電池包尺寸大小規(guī)格一致，每一個電池包串并聯(lián)電池的數(shù)量為504個，標(biāo)稱電壓為100.8V,標(biāo)稱容量為49.5A.h.本課題設(shè)計的電池系統(tǒng)的組成如圖2.1所示。圖2.1動力電池系統(tǒng)組成圖18650電池單體18650電池單體18并2并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)稱容量：49.5Ah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電池包框架設(shè)計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2.2串并模型圖2.3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(2.10)并串聯(lián)數(shù)學(xué)模型:Rs(t)={1-[1-Ri(t)]m}(2.11)式中Rs(t)系統(tǒng)的可靠度,R(1,2..,n)表示第i個單元的可靠度,m表示并聯(lián)的電池數(shù)，n表示串聯(lián)的電池數(shù)。完成電池包的設(shè)計，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(實際應(yīng)大于0.90)，則采用不同方式可靠性計算結(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(2.12)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 (2.13)通過上面的計算，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)電池模塊單個電池?fù)p壞，不會影響其他電池單元的工作，電池模塊的容量會下降。只要合理的設(shè)計，并聯(lián)的電池模塊還會提高電池組的可靠性。王震坡、孫逢春【12】叫等人通過對比兩種串并聯(lián)方式的鋰電池組在BYD6100運行500km靜置10h后，對電池組電壓進行一致性檢測發(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，充電過程中每一個電壓值會對應(yīng)一個soc值。鋰離子電池只要出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，電池就會損壞或完全失效，所以BMS必須監(jiān)測每一個電池單體的電壓。從這個角度考慮，電池包采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式時，電池系統(tǒng)的BMS只需檢測每一個電池模塊的電壓值,從而降低了BMS的設(shè)計要求【12】。(2)電池包的框架設(shè)計通過對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計算成本都有較大優(yōu)勢，所以在本課題進行串并聯(lián)設(shè)計時，采用先并后串的方式。電池包的基本框架如圖2.4所示。圖2.4電池包的基本框架電池包電池模塊電池單體電池包電池模塊電池單體18個并聯(lián)28個串聯(lián)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)成一個電池模塊，再根據(jù)電池包的電壓的需求，串聯(lián)28個電池模塊。電池模塊的基本參數(shù)如下:U1=U0?n=3.6V×1=3.6V(2.14)C1=C0?m=2.75A?h×18=49.5A?h(2.15)式(2.14),(2.15)中其中C0,C1分別