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重型電動商用車動力電池系統(tǒng)設(shè)計

2021-09-15 15:11:10·  來源：電動學(xué)堂  作者：薛永東  
　
文章來源：陜西重型汽車有限公司前言動力電池作為電動商用車的核心部件，對其進(jìn)行合理的設(shè)計匹配至關(guān)重要。文章對重型商用車動力電池系統(tǒng)的設(shè)計方法進(jìn)行了全面闡
文章來源：陜西重型汽車有限公司

前言

動力電池作為電動商用車的核心部件，對其進(jìn)行合理的設(shè)計匹配至關(guān)重要。文章對重型商用車動力電池系統(tǒng)的設(shè)計方法進(jìn)行了全面闡述。
1動力電池系統(tǒng)基本性能參數(shù)
1.1額定電壓及工作電壓范圍
對于電動重型商用車動力電池系統(tǒng)的額定電壓，參考《電動汽車高壓系統(tǒng)電壓等級》(GB/T31446-2015)一般選用DC576V。通常允許使用的電壓范圍上限為系統(tǒng)額定電壓的115%～120%，下限為系統(tǒng)額定電壓的75%～80%。
動力電池系統(tǒng)的額定電壓及電壓范圍，必須與整車所選用的驅(qū)動電機、電機控制器的電壓平臺及工作電壓上下限要求相適應(yīng)，且最高工作電壓不大于充電機允許的最高電壓。
1.2總能量及電池系統(tǒng)容量
從整車車重、動力系統(tǒng)配置、典型工況入手，根據(jù)續(xù)駛里程要求，仿真計算所需搭載動力電池的能量Q0，結(jié)合動力電池可用SOC范圍(20%～100%)，初步計算總能量：
Qt=Q0/0.8kWh
根據(jù)整車選用驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向、空氣壓縮機、空調(diào)壓縮機、PTC、DC/DC等負(fù)載功率需求，初步計算持續(xù)功率Pc0、峰值功率Pk0，結(jié)合高壓配電單元、電機控制器的效率η、電池系統(tǒng)的放電倍率(持續(xù)Mc=0.7～1，峰值Mp=1.2～2)，計算動力電池系統(tǒng)的持續(xù)功率：
Pc=Pc0/(Mc·η)峰值功率：
Pk=Pk0/(Mp·η)kW
因Pc≤Pk，動力電池初步選型的總能量Q為：Q=Max(Qt，Pk)kWh
電池系統(tǒng)容量=總能量/系統(tǒng)額定電壓。

1.3單體電池容量選型及系統(tǒng)成組匹配
根據(jù)系統(tǒng)容量，結(jié)合正負(fù)極材料體系、現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品規(guī)格等，選擇合理的單體電池容量及系統(tǒng)的并聯(lián)方案；根據(jù)電池系統(tǒng)的額定電壓，計算系統(tǒng)的單體電池串聯(lián)數(shù)量n=電池系統(tǒng)額定電壓/單體電池額定電壓。
由于是在已經(jīng)定型的單體電池進(jìn)行選型，因此成組后的總能量可能與所需的電池總能量有一定差別。因此，在選擇單體電池容量時還要通過核算，選擇組合后能最接近預(yù)期總能量的單體電池。
由于電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度的要求及整車上用于動力電池系統(tǒng)安裝空間的限制，因此，選擇質(zhì)量、體積能量密度高的電池箱體同樣重要。

1.4充電方案
重型商用車一般采用直流快充方式充電，根據(jù)整車搭載電量及充電時間要求，選擇單槍或雙槍充電。直流充電協(xié)議按照《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》(GB/T27930)執(zhí)行。
2高壓插接件及線纜選型設(shè)計
重型商用車所用動力電池系統(tǒng)為高電壓、大電流回路，若高壓電路發(fā)生絕緣失效、短路、漏電等情況時，會造成嚴(yán)重的安全事故。本文從高壓線纜和高壓插接件的選型設(shè)計進(jìn)行分析，使高壓電連接既保證整車驅(qū)動需求，同時又滿足車輛的運行安全。

2.1高壓插接件的選型設(shè)計
高壓插接件的作用是保證線纜與電器件能夠安全、可靠地連接。動力電池系統(tǒng)高壓插接件的選型有如下要求。
2.1.1電性能
為適應(yīng)高電壓、大電流的使用工況，插接件通過高密度觸片、端子表面鍍銀等技術(shù)，增加插接件的接觸面積，降低阻抗。耐電壓應(yīng)達(dá)到DC(2×U+1000)V，U為動力電池系統(tǒng)的額定電壓。
2.1.2環(huán)境及防護(hù)性能
工作溫度為-40℃～125℃。滿足IPXXB的要求，防止高壓部分與人員接觸；滿足IPX7的功能，保證車輛涉水等惡劣條件下的使用性能。阻燃應(yīng)達(dá)到ULV0等級。
2.1.3機械性能
插接件應(yīng)滿足車規(guī)級的耐振動和沖擊性能，帶有二次鎖和防誤插功能，并滿足插拔力和插拔次數(shù)的要求。
2.2高壓線纜導(dǎo)線的載流能力
根據(jù)焦耳定律，導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量為

根據(jù)熱平衡原理，導(dǎo)線表面達(dá)到其穩(wěn)定狀態(tài)時，發(fā)熱功率等于散熱功率：

3動力電池的電氣連接
動力電池系統(tǒng)的電氣連接形式如圖1所示，主要包括高壓電氣系統(tǒng)、低壓電氣系統(tǒng)和控制器局域總線等。高壓系統(tǒng)電氣架構(gòu)的設(shè)計原則如下：
①各高壓部件盡量都能有獨立的供電控制，確保不工作的部件不帶電。
②工作特性相近的部件盡量共用一個接觸器，減少接觸器的數(shù)量。
③功率等級相近的部件盡量共用熔斷器，減少熔斷器的數(shù)量。
④盡量減少動力電池系統(tǒng)外部的電氣接口。

4熱管理
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是減輕電池相關(guān)熱問題的良好解決方案，是保證電池使用性能、安全性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度對電池單體的可靠性、壽命及性能都有很大影響，因此，使電池溫度維持在一定溫度范圍區(qū)內(nèi)非常重要。要實現(xiàn)這一要求，主要通過冷卻、加熱和保溫來實現(xiàn)。商用車動力電池的冷卻一般采用液冷方案，加熱一般采用電加熱膜方案。根據(jù)充電、行車工況采用合理的加熱、冷卻策略，對動力電池性能的優(yōu)化至關(guān)重要。
5動力電池系統(tǒng)布置
重型商用車電量需求比較大，除考慮布置空間外，還需根據(jù)車型類別、使用工況等合理的進(jìn)行動力電池的布置。目前較為常見的是將動力電池布置于駕駛室后方的車架縱梁上、布置于車架左右縱梁的外側(cè)、布置于車架縱梁的內(nèi)側(cè)。也可將以上布置組合應(yīng)用，合理利用空間，拓展電量。各種布置形式的優(yōu)缺點及推薦應(yīng)用車型見表1。

6結(jié)語
通過對重型商用車動力電池系統(tǒng)設(shè)計方法的介紹，結(jié)合實際車型應(yīng)用進(jìn)行驗證，可為純電動、混合動力、增程式燃料電池商用車動力電池系統(tǒng)的設(shè)計，提供參考。
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